Capacitor MOS 1 - Estrutura MOS básica

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Estrutura MOS bsica

Capacitor MOS 1Regiane RagiEstrutura MOS bsica1

Estrutura MOS bsica2Nesta apresentao vamos estudar a estrutura MOS (Metal-xido-Semicondutor) que aparece, intrnseca no transistor MOSFET.

substrato tipo-ptipo-n+tipo-n+

Metalxido

SemicondutorNota: Sempre em nossas apresentaes, chamamos de Metal o eletrodo de gate, que pode ser metal, ou silcio policristalino.

3Vamos especificamente focar nossa ateno no MOSFET de canal-n, que obtido quando temos o substrato de silcio tipo-p como no esquema mostrado abaixo.

substrato tipo-pregio tipo-n+regio tipo-n+

4Vamos especificamente focar nossa ateno no MOSFET de canal-n, que obtido quando temos o substrato de silcio tipo-p como no esquema mostrado abaixo.

Lembre que, consideraes semelhantes podem ser feitas para se obter o MOSFET de canal-p considerando-se o substrato de silcio tipo-n e as duas regies tipo-p+.

substrato tipo-pregio tipo-n+regio tipo-n+

Estrutura MOS bsica5

substrato tipo-ptipo-n+tipo-n+

Metalxido

SemicondutorComo a estrutura MOS muito complexa em si, comum nos demorarmos longamente estudando todas as suas caractersticas, para depois ento, estudarmos o transistor MOSFET, j com conhecimento das caractersticas eltricas da estrutura MOS.

6Para a nossa anlise, vamos ignorar as duas regies tipo-n+ de um dispositivo MOSFET completo, para explorar o comportamento eltrico da estrutura MOS incorporada nesse dispositivo.

substrato tipo-ptipo-n+tipo-n+

Metalxido

Semicondutor

Uma maneira de tentar compreender o comportamento eltrico do capacitor MOS real atravs da construo de um modelo ideal que consiga capturar as principais caracterstica do dispositivo.7

Capacitor MOS8Em primeiro lugar, observe que, a estrutura metal-xido-semicondutor presente no transistor MOS lembra um capacitor de placas paralelas.

Metalxido

Semicondutor

Eletrodo de cimaEletrodo de baixoMetalXIDOSemicondutorNote que, as dimenses no desenho no so proporcionais, so meramente ilustrativas.

9Em analogia com o capacitor de placas paralelas, podemos escrever a capacitncia do xido por unidade de rea (F/cm) de acordo com a relao

tox

Eletrodo de cimaEletrodo de baixoMetalXIDOSemicondutor

Metalxido

Semicondutortox

10Observe que o capacitor MOS no um dispositivo em si, e sim, parte intrnseca do transistor MOSFET, ou de qualquer dispositivo que incorpore a estrutura Metal-xido-Semicondutor, e que consequentemente, precisa ser levado em conta para uma precisa anlise de circuito.

substrato tipo-ptipo-n+tipo-n+

Metalxido

Semicondutor

Capacitor MOS idealConstruindo o modelo do11

O capacitor MOS ideal um dispositivo simples de dois terminais composto de uma camada fina de SiO2 (0.01 m 1.0 m) sanduichada entre um substrato de silcio e um eletrodo de gate no topo.

Eletrodo de cimaMetalXIDO (SiO2)Substrato de silcio

Metalxido

Semicondutor121m = 10-6 m = 10-6 (109 nm)1m = 103 nm 0.1 m = 100 nm0.01 m = 10 nm (10 nm 1000 nm)

Em geral, os materiais mais comuns que compem o eletrodo de cima so o alumnio e o silcio policristalino pesadamente dopado.

Eletrodo de cimaMetalXIDOSubstrato de silcio

Metalxido

Semicondutor13

Uma segunda placa metlica ainda pode ser encontrada na parte de trs de uma estrutura MOS real, do lado de baixo do semicondutor, garantindo um contato eltrico com o substrato de silcio.

Eletrodo de cimaEletrodo de baixoMetalXIDOSubstrato de silcio

Metalxido

Semicondutor14

O terminal conectado ao eletrodo de cima chamado gate ou porta, enquanto que, o terminal conectado ao substrato, o qual frequentemente aterrado, chamado de back ou contato do substrato.

Eletrodo de cimaEletrodo de baixoMetalXIDOSubstrato de silcio

Metalxido

Semicondutor15

Hipteses do modelo ideal do Capacitor MOS16

O capacitor MOS ideal apresenta as seguintes caractersticas17

A porta metlica (ou o gate) suficientemente espessa, de modo que ela pode ser considerada uma regio equipotencial sob condies de polarizao a.c. ou d.c.118

O xido um isolante perfeito, sob condies de polarizao esttica, com fluxo de corrente zero atravs dele.219

No h centros de carga localizados no xido ou na interface xido-semicondutor.320

O semicondutor uniformemente dopado.421

O semicondutor suficientemente espesso, de modo que, independentemente do potencial de gate aplicado, sempre haver uma regio de campo livre chamada bulk, encontrada antes de chegar no contato de back.5

Gatexido

Substrato

BackVg22Bulk

No contato de back se estabelece um contato hmico.623

O capacitor MOS uma estrutura unidimensional, onde todas as variveis de interesse so uma funo apenas da coordenada x.7

BACKGATEXIDOSubstrato de silciox024

A propriedade 8 ser discutida mais a frente.825

As oito idealizaes listadas, realmente funcionam na prtica, de modo que, a estrutura MOS ideal bastante realstica.

BACKGATEXIDOSubstrato de silcio26

Por exemplo, a resistividade do SiO2 pode ser to alta quanto 1018 ohm-cm, e a corrente de fuga d.c. atravs da camada de xido, pode ser de fato desprezvel para tenses e espessuras de camadas de xido tpicas.

BACKGATEXIDOSubstrato de silcio27

Alm disso, mesmo camadas finas de gate podem ser consideradas regies de equipotenciais, e o contato hmico de back so bem fceis de se fabricar na prtica.

BACKGATEXIDOSubstrato de silcio28

Afirmaes semelhantes podem ser feitas em relao a maioria das idealizaes discutidas anteriormente.

BACKGATEXIDOSubstrato de silcio29

Capacitor MOS30A partir da constatao da semelhana entre o capacitor MOS, e o capacitor de placas paralelas, podemos tirar inmeras consequncias para o funcionamento do dispositivo, as quais discutiremos em outra apresentao, mais a frente.

Metalxido

Semicondutor

31

Gatexido

Substrato

BackVgOs modos de operao do capacitor MOS so definidos pela tenso Vg aplicada ao gate, com relao ao back, podendo-se considerar vrias faixas de tenso.

32Para compreendermos o status interno da estrutura MOS sob a aplicao de qualquer tenso

Vg,

E ser capaz de prever o seu funcionamento, em qualquer faixa de tenso, lanamos mo de ferramentas indispensveis para um entendimento qualitativo do funcionamento do dispositivo.

Ferramentas indispensveis para anlise qualitativa do comportamento de dispositivos33

34So elas:

O diagrama de bloco de carga, e

O diagrama de banda de energia.

35Explicamos em seguida o passo-a-passo destas tcnicas.

Diagrama de bloco de carga36

Diagramas de blocos de cargaOs diagramas de bloco de cargas fornecem informao qualitativa sobre a distribuio de carga aproximada dentro da estrutura do dispositivo. Um exemplo de diagrama de bloco de cargas mostrado abaixo:

37

Diagrama de bloco de cargaComo j mencionado anteriormente, em uma estrutura MOS ideal sob condies de equilbrio, no existem cargas em qualquer lugar dentro da estrutura.

38

Diagramas de blocos de cargaNo entanto, quando uma polarizao aplicada ao capacitor MOS, uma carga aparece no interior do metal e do semicondutor, perto das interfaces, metal-xido e xido-semicondutor.

39

Diagrama de bloco de cargaObserve que nesta abordagem nenhum esforo feito com o intuito de se representar as distribuies exatas de carga no interior da estrutura.

40

Diagrama de bloco de cargaEm vez disso, usa-se uma forma de aproximao retangular ou em forma de blocos, de modo que a representao resultante chamada de diagrama de bloco de carga.

41

Diagramas de blocos de cargaDiagramas de bloco de carga permitem uma anlise qualitativa do dispositivo, devendo a magnitude e a extenso espacial das cargas serem interpretadas com isso em mente.

42

Diagrama de bloco de cargaNo entanto, porque o campo eltrico deve ser zero no interior, tanto do metal quanto do semicondutor, as cargas dentro da estrutura devem somar zero de acordo com a lei de Gauss.

43

Diagrama de bloco de cargaConsequentemente, na construo de diagramas de blocos de cargas, a superfcie que representa as cargas positivas deve sempre ser desenhada com rea igual quela que representa as cargas negativas.

44

Diagrama de banda de energia45

Diagrama de banda de energiaAssim como o diagrama de bloco de carga, o diagrama de banda de energia uma ajuda indispensvel no entendimento do funcionamento do capacitor MOS ou de qualquer outro dispositivo.46

Diagrama de banda de energiaPor isso, entender esta tcnica muito importante. 47

48Ento, sempre que se quer conhecer como um dispositivo semicondutor opera, devemos desenhar o diagrama de banda de energia da estrutura.

49Para se desenhar o diagrama de banda de energia de um dispositivo com dopagem uniforme, possvel seguir as seguintes regrinhas:

50O potencial eletrosttico, V(x), pode ser obtido virando-se de cabea para baixo

EC(x), EV(x) ou EI(x).REGRA 1

51O campo eltrico simplesmente1/q XEC(x), EV(x) ou EI(x).A derivada deREGRA 2

52REGRA 3A densidade de carga, (x),

s/q XEC(x), EV(x) ou EI(x).A segunda derivada de

53Note que por trs da Regra 3 temos como suporte a equao de Poisson com

Se (x) a densidade de carga na estrutura, e se a carga zero, a banda flat, quer dizer, plana, reta.

Se a carga diferente de zero ento pode-se verificar um encurvamento no diagrama de banda, re