Capacitor MOS 2

Regiane Ragi

Regimes de polarização

PARTE 3

2

Após ter estudado o capacitor MOS na acumulação e na depleção, nesta

apresentação, vamos estudar o capacitor MOS no regime de inversão

3

Inversão

4

Se agora, aumentarmos ainda mais a tensão de gate Vg, tornando-a cada vez mais e mais positiva, acima da tensão de threshold, VT, chegaremos a uma situação

+

+

++

+

+

+

--

--

-

-

-

-

S

-+VG

+

+

++

+

++

------

-

-

-

-

+

-

-

-------

-

--- SiO2 (óxido)

Silício tipo-p

Silício tipo-n

Gate

SubstratoS

++ Lacunas móveis- Aceitadores fixos- Elétrons móveis

-

5

em que só existirão aceitadores ionizados e praticamente nenhum portador majoritário, no caso lacunas.

+

+

++

+

+

+

--

--

-

-

-

-

S

-+VG

+

+

++

+

++

------

-

-

-

-

+

-

-

-------

-

--- SiO2 (óxido)

Silício tipo-p

Silício tipo-n

Gate

SubstratoS

++ Lacunas móveis- Aceitadores fixos- Elétrons móveis

-

6

+

+

++

+

+

+

--

--

-

-

-

-

S

-+VG

+

+

++

+

++

------

-

-

-

-

+

-

-

-------

-

---

Elétrons, portadores minoritários, começam a aparecer em grande quantidade sob a região do gate, e linhas de campo elétrico adicionais terminam nesses novos elétrons.

SiO2 (óxido)

Silício tipo-p

Silício tipo-n

Gate

SubstratoS

++ Lacunas móveis- Aceitadores fixos- Elétrons móveis

-

7

E surge uma camada de inversão de elétrons sob o gate, a qual pode conectar as duas regiões tipo-n de um MOSFET completo.

+

+

++

+

+

+

--

--

-

-

-

-

S

-+VG

+

+

++

+

++

------

-

---

+

-

SiO2 (óxido)

Silício tipo-p

Silício tipo-n

Gate

SubstratoS

++ Lacunas móveis- Aceitadores fixos- Elétrons móveis

-

8

Vamos em seguida, discutir o diagrama de banda de energia na inversão.

9

Quando a tensão no gate for maior do que a tensão de threshold, VG > Vt, surge uma camada de inversão de elétrons sob o gate, a qual podemos visualizar no diagrama de banda de energia através do

EFM

EFSM

EV

EC

qVg

M O S

qVox

10

encurvamento da banda próximo à interface, e o nível de Fermi no metal abaixa ainda mais, com relação ao diagrama apresentado para a condição de threshold.

EFM

EFSM

EV

EC

qVg

M O S

qVox

11

Como VG é positivo, as bandas de energia, no semicondutor e no óxido, exibem uma inclinação ascendente.

EFM

EFSM

EV

EC

qVg

M O S

qVox

12

A camada de inversão é preenchida com elétrons.

13

A densidade de carga na inversão é representada pela quantidade Qinv (C/cm2).

14

Na inversão, qψs, o encurvamento da banda, não aumenta além de 2ψB, permanecendo constante.

qψs

EFM

EFSM

EV

EC

qVg

M O S

qVox

15

Se ψs não aumenta, a largura da região de depleção

Também não aumenta.

16

Isto significa que, a largura da região de depleção alcançou um valor máximo.

17

A tensão no gate é dada pela equação geral

18

A tensão através do óxido é obtida através da equação

19

A tensão no óxido é obtida através da equação

Qsub é toda a carga que pode ser encontrada no substrato, incluindo agora, a carga de inversão.

20

Então,

21

A carga de depleção corresponde à carga devido a largura máxima da região de depleção, que é negativa, porque é devido à íons aceitadores negativos.

22

Conhecendo-se a carga de depleção Wdep e Vox, podemos escrever a partir da equação geral

23

Note que, a primeira parte da equação acima corresponde exatamente à tensão de limiar (tensão de threshold)

24

Então, podemos escrever

25

... E a partir disso, podemos escrever a carga de inversão.

26

Esta equação nos conta que, o capacitor MOS sob forte inversão comporta-se como um capacitor, com um deslocamento Vt.

27

Em Vg= Vt, a carga de inversão

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qψs

EFM

EFSM

EV

EC

qVg

M O S

qVox

Podemos admitir que elétrons aparecerão na camada de inversão, sempre que a proximidade entre Ec e Ef , na interface, sugerem a sua presença.

29

No entanto, poderíamos fazer a seguinte pergunta:

30

De onde vem esses elétrons do canal de inversão ?

31

Sabemos que no MOSFET de canal-n, com o substrato tipo-p não existe doadores no material.

32

Então pode nos parecer um pouco confuso o aparecimento desse canal de inversão.

33

Uma forma de explicarmos esses elétrons é através do fenômeno de geração térmica.

34

Lembre-se que, em semicondutores, há sempre alguns pares elétron-lacuna sendo gerados por excitação térmica em qualquer instante.

35

Elétrons são criados na região de depleção, são capturados pelo campo elétrico, e são varridos até a extremidade do gate.

36

Além disso, em um dispositivo MOS real existem duas regiões tipo-n, e seria relativamente fácil para elétrons de uma região, ou de ambas, "cair" no poço de potencial sob o gate, e criar uma camada de inversão de elétrons.

37

Em resumo, nesta situação, dizemos que no dispositivo formou-se uma camada de inversão de elétrons sob o gate, e esta camada de elétrons conecta as duas regiões tipo-n do dispositivo, e é responsável pelo fenômeno de condução de corrente no MOSFET.

38

Em outras palavras, os elétrons de inversão são fornecidos pelas junções n+ do MOSFET.

substrato tipo-p

tipo-n+ tipo-n+

MetalÓxido

Semicondutor

39

A camada de inversão pode ser visualizada como uma camada n muito fina, consequentemente, o termo inversão, refere-se à inversão do tipo de condutividade da superfície.

substrato tipo-p

tipo-n+ tipo-n+

MetalÓxido

Semicondutor

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O transistor MOS como mostrado abaixo é uma estrutura mais versátil para se estudar o sistema MOS do que o capacitor MOS.

substrato tipo-p

tipo-n+ tipo-n+

substrato tipo-p

tipo-n+ tipo-n+

substrato tipo-p

tipo-n+ tipo-n+

Vg Vg > Vt Vg > Vt

- - - - - -

41

O comportamento da superfície de inversão é melhor compreendido, considerando-se a junção p-n de reserva do capacitor MOS, para suprir a carga de inversão.

substrato tipo-p

tipo-n+ tipo-n+

substrato tipo-p

tipo-n+ tipo-n+

substrato tipo-p

tipo-n+ tipo-n+

Vg Vg > Vt Vg > Vt

- - - - - -

42

... E pode ser pensada também como uma camada fina tipo-n.

substrato tipo-p

tipo-n+ tipo-n+

substrato tipo-p

tipo-n+ tipo-n+

substrato tipo-p

tipo-n+ tipo-n+

Vg Vg > Vt Vg > Vt

- - - - - -

43

Escolha de Vt e do tipo de dopagem

44

O transistor de substrato tipo-p opera em um circuito

integrado com Vg oscilando (swinging) entre zero e

uma tensão de alimentação positiva.

45

Para tornar o projeto de circuito mais fácil, é rotineiro definir Vt em um valor positivo pequeno, por exemplo, 0.4 V, de modo que, em Vg = 0, o transistor não tenha nenhuma camada de inversão, e corrente não flua entre as duas regiões tipo n+.

46

Um transistor que não conduz corrente em Vg = 0 é chamado em inglês de

ENHANCEMENT TYPE DEVICE

ou dispositivo do tipo enriquecimento ou intensificação,

Termos usuais na literatura científica brasileira.

47

O valor de Vt pode então ser obtido com um gate n+ e uma conveniente concentração de dopagem Na no substrato, simplesmente usando-se a equação obtida

48

Se o dispositivo de substrato tipo-p fosse pareado com um gate tipo p+, Vt seria muito grande, acima de 1 V, e necessitaria de uma alta tensão de alimentação.

49

O que levaria a um grande consumo de energia e muita geração térmica.

50

Analogamente, um substrato tipo-n é rotineiramente pareado com um gate p+.

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Em resumo,

i. um corpo ou substrato tipo-p é rotineiramente pareado com um gate tipo n+ para se obter uma

pequena tensão de threshold positiva, e

ii. um corpo ou substrato tipo-n é rotineiramente pareado com um gate tipo p+ para se obter uma

pequena tensão de threshold negativa.

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Outras combinações de gate-substrato são quase sempre nunca encontrados.

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Revisão

Regimes de operação no MOS - Revisão

As condições de operação no MOS dependem do potencial VG aplicado ao contato de metal com respeito ao nível de Fermi do semicondutor aterrado

MetalÓxido

SemicondutorVG

Nota: Sempre em nossas apresentações, chamamos de Metal o eletrodo de gate, que

pode ser metal, ou silício policristalino.

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Regimes de operação no MOS

Para entendermos os diferentes modos de polarização de um MOS nós consideramos três faixas de tensão:

55

Regimes de operação no MOS

Para entendermos os diferentes modos de polarização de um MOS nós consideramos três faixas de tensão:

Esses regimes são chamados:

• Abaixo da tensão de flat-band, Vfb

• Entre Vfb e Vt,

• E maiores que Vt.

VG < Vfb

Vfb < VG < Vt

VG > Vt

Vfb Vt

Acumulação Depleção Inversão

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Acumulação

Ocorre quando se aplica uma tensão VG < Vfb.

Neste caso, apenas uma pequena quantidade de

encurvamento de banda no semicondutor, ψs, é necessária para acumular a carga de acumulação, de modo que quase toda a variação de potencial encontra-se dentro do óxido, Vox = VG.

Vfb Vt

Acumulação Depleção Inversão

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Depleção

Ocorre quando se aplica uma tensão Vfb < VG < Vt.

Em geral, as cargas móveis no semicondutor são empurradas pela tensão no gate, e uma região de depleção se forma no semicondutor, se estendendo desde a interface óxido-semicondutor até uma largura Wdep dentro do semicondutor.

Vfb Vt

Acumulação Depleção Inversão

Wdep

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Inversão

Ocorre quando se aplica uma tensão VG > Vt.

Quando há um aumento adicional na tensão de gate os portadores minoritários excedem os portadores majoritários e dizemos que o MOS está operando no regime de inversão.

Vfb Vt

Acumulação Depleção Inversão

Wdep

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Regimes de operação no MOS

Vfb Vt

Acumulação Depleção Inversão

GATE ÓXIDO SUBSTRATO Tipo-p

EFM

EFSM

EV

EC

M O S

qVg < qVfb

qVox

qψs

χSiO2

ϕM

EFM

EFSM

EV

EC

ϕsχSi

M O S

E0

qVg = qVfb

EFM

EFSM

EV

EC

qVg

M O S

qVox

EFM

EFSM

EV

EC

qVg

M O S

qVox

AcumulaçãoVG < Vfb

Flat-bandVG = Vfb

DepleçãoVfb < VG < Vt

InversãoVG > Vt

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Usando-se considerações de polarização análogas ao de um MOS de substrato tipo-p, obtenha também o diagrama de banda de energia do MOS de substrato tipo-n para cada regime de polarização.

GATE ÓXIDO SUBSTRATO Tipo-n

Exercício

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62

Em seguida, tendo já estudado em detalhes os regimes de polarização do capacitor MOS, na próxima apresentação, iremos estudar a característica C-V do MOS.

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Referências

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http://www.eecs.berkeley.edu/~hu/Chenming-Hu_ch5.pdf

https://engineering.purdue.edu/~ee606/downloads/T5.PDF

https://cnx.org/contents/uypBDhNi@2/Basic-MOS-Structure