Il Sistema Metallo Ossido Semiconduttore (MOS)

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Adamo Mura
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Il Sistema Metallo Ossido Semiconduttore (MOS) E una struttura simile ad un condensatore, con queste differenze: A polarizzazione nulla la concentrazione dei portatori nel semiconduttore è assai

1 Il Sistema Metallo Ossido Semiconduttore (MOS) E una struttura simile ad un condensatore, con queste differenze: A polarizzazione nulla la concentrazione dei portatori nel semiconduttore è assai minore di quella nel metallo I portatori di maggioranza nel SC possono essere elettroni o lacune Si ha un quarto stato di funzionamento ovvero l inversione dovuta ad una forte polarizzazione tale da richiamare portatori minoritari tali da prevalere su quelli di maggioranza A. A Università degli Studi di Firenze, Laurea Specialistica in Ingegneria Elettronica 1/19

2 Il Sistema N-MOS ideale Polarizzazione nulla - bande piatte: Il semiconduttore è di tipo P Si hanno gli stessi lavori di estrazione per Me e SC EWM = EWS Durante la formazione della giunzine il diagramma a bande è identico a quello delle singole parti isolate Non si hanno passaggi di cariche a causa dell ossido, il raggiungimento dell equilibrio è raggiunto grazie ai collegamenti di gate e di bulk A. A Università degli Studi di Firenze, Laurea Specialistica in Ingegneria Elettronica /19

3 Il Sistema N-MOS ideale Accumulo di Lacune Vg<0: Le lacune vengono attratte verso la superficie del SC-P Si ha accumulo superficiale nel Me I due accumuli sono molto sottili (Debye) tutto il potenziale cade sull Ox. La capacità e la carica accumulata sono: C = ε t Qt = CVG All interfaccia Ox-SC si ha la condizione: ε = ε + Q ε ε s s s εs ε 3 A. A Università degli Studi di Firenze, Laurea Specialistica in Ingegneria Elettronica 3/19

4 Il Sistema N-MOS ideale Svuotamento di Lacune Vg>0: Le lacune vengono respinte determinando una regione di svuotamento Qd = qnad Per i potenziali sulle varie sezioni si ha: t Qd φ = qnad = ε C qnad φs = εsc Legandole al potenziale si ha V G =φ +φ sc da cui: t d = εsc εsc VG εsc ε + ε + qnat A. A Università degli Studi di Firenze, Laurea Specialistica in Ingegneria Elettronica 4/19

5 Il Sistema N-MOS ideale Inversione di Lacune Vg>>0: Aumentando ulteriormente la polarizzazione, alla superficie si ha l inversione tra il quasi-livello di Fermi e quello intrinseco. Si crea un canale indotto di tipo n; elettroni che diventano portatori di maggioranza inversione della popolazione. Si definisce soglia, V T0, quando si verifica la condizione: n t = N ( ) A da cui: E ( ) Fi EF qφp NA= ni exp ni exp = K T V B T A. A Università degli Studi di Firenze, Laurea Specialistica in Ingegneria Elettronica 5/19

6 Il Sistema N-MOS ideale: determinazione della V TO La concentrazione di elettroni è: n t ( ) EF EFi ( t ) = ni exp K T Imponendo la condizione di innesco: Si trova il potenziale sul SC: B E E ( t ) = qφ E E t q F Fi p ( ) ( ) Fi Fi = φ = φ S p A causa dell andamento esponenziale della carica nel semiconduttore in funzione del potenziale, si può assumere che raggiunta la soglia, il potenziale φ S resti bloccato a φ p, conseguentemente la regione svuotata resta costante. A. A Università degli Studi di Firenze, Laurea Specialistica in Ingegneria Elettronica 6/19

7 Il Sistema N-MOS ideale: determinazione della V TO Con queste ipotesi si calcola la carica del canale, scrivendo la carica totale come: Mentre la carica dello strato di inversione : Per il potenziale si ha: Da cui: Q Q = Q + Q = C V φ = ( ) t n d G S = φ = qnad Infine possiamo calcolare la carica come: φ S qεn φ d A p p Sebbene in modo non tutto autoconsistente la carica totale all inversione è prevalentemente quella fissa, ovvero Q n ~0, cioè trascurabile rispetto a Q d. Questo permette di scrivere A. A Università degli Studi di Firenze, Laurea Specialistica in Ingegneria Elettronica 7/19 ( ) ε Q d = qn d Q = Q Q = C V φ qεn φ n t d G p A p A

8 Il Sistema N-MOS ideale: determinazione della V TO L espressione della soglia: Per il potenziale si ha: V T0 = φ + qεnaφ C E per V G >V T0 si ha la legge di controllo della carica: p Per tensioni sopra soglia la carica indotta nel canale dipende linearmente dal potenziale applicato. φ =V log N n ( A ) p T i Q = C V V ( ) n G T0 p A. A Università degli Studi di Firenze, Laurea Specialistica in Ingegneria Elettronica 8/19

9 Il Sistema N-MOS: analisi esatta in funzione di φ S Carica totale, calcolata in modo esatto (curva continua) e con il metodo approssimato esposto in precedenza (curva tratteggiata): Per forte inversione la carica risulta: Q t εvn s L N D φ T i V T A e A. A Università degli Studi di Firenze, Laurea Specialistica in Ingegneria Elettronica 9/19

10 Effetto di polarizzazione di canale e substrato Ai fini del funzionamento del MOSFET la giunzione canalesubstrato (N/P) deve essere polarizzata inversamente, in modo che vi sia una barriera di potenziale per gli elettroni verso il substrato. In presenza di un potenziale di canale φ ch canale e di substrato V B, la carica totale è: ( φ φ ) ε ( φ ) Q = Q Q = C V q N V n n d G p ch A p B La nuova tensione si soglia si calcola ponendo φ ch = 0 e Q n =0: V = φ + NB: l assenza del pedice 0 T p qεn ( φ V ) A p B C A. A Università degli Studi di Firenze, Laurea Specialistica in Ingegneria Elettronica 10/19

11 Effetto di polarizzazione di canale e substrato Pertanto si conclude che la presenza di un potenziale di substrato cambia la tensione di soglia: Dove γ B è il body factor: V V V 1 1 ( ) ( ) T = T0 + γb φp B φp γ = B qεna In presenza di un potenziale di canale e di pol. di substrato la relazione del controllo di carica si scrive come: Q C V V C V V 1 1 n = ( G φch T ) + γb ( φp B + φch ) ( φp B ) C A. A Università degli Studi di Firenze, Laurea Specialistica in Ingegneria Elettronica 11/19

12 Effetti di non-idealità nei MOS Differenza della funzione di lavoro tra metallo e SC E WM E SC Se E WM -E SC = E MS > 0 si ha passaggio di elettroni dal SC al Me dando luogo ad un accumulo di carica da entrambe le parti Cariche nell ossido Possono essere di diverso tipo: fissa tra Ox-SC di solito positiva, intrappolata durante la realizzazione, carica ionica mobile. Le cariche globalmente danno luogo ad una carica indotta nel canale di tipo negativo, quindi il PMOS è vicino all inversione, il potenziale dovuto per riallineare le bande è V fb. La nuova tensione di soglia diventa: V Q in = C A. A Università degli Studi di Firenze, Laurea Specialistica in Ingegneria Elettronica 1/19 E MS A p T0 = φp+ + Vfb C q qεn φ

13 Caratteristica CV Nel sistema PMOS per V G <0, si ha accumulo con sottile strato la capacità è: C=A*C. Questa è una capacità di portatori di maggioranza quindi la capacità non dipende dalla frequenza. Al crescere della polarizzazione per V G >0 si passa verso una situazione di SC intrinseco sino ad una serie tra C e dovuta allo strato di svuotamento A t d = + C ε ε sc A. A Università degli Studi di Firenze, Laurea Specialistica in Ingegneria Elettronica 13/19

IL MOS Field Effect Transistor (MOSFET) MOSFET a

14 IL MOS Field Effect Transistor (MOSFET) MOSFET a canale n: substrato di tipo P e strato di inversione formato da elettroni MOSFET a canale p: substrato di tipo n e strato di inversione formato da lacune A. A Università degli Studi di Firenze, Laurea Specialistica in Ingegneria Elettronica 14/19

Caratteristica statica del NMOS Distribuzione di carica in un NMOS polarizzato oltre la tensione di saturazione La carica nel canale varia passando dal source al drain in quanto la ddp attraverso il

15 Caratteristica statica del NMOS Distribuzione di carica in un NMOS polarizzato oltre la tensione di saturazione La carica nel canale varia passando dal source al drain in quanto la ddp attraverso il canale si riduce, il max si ha in corrispondenza del source. I x = Wµ Q V, V, φ ( ) ( ) D n n GS BS ch Vds W µ n D n GS, BS, ch φch I Q ( V V φ ) d = L 0 dφ dx A. A Università degli Studi di Firenze, Laurea Specialistica in Ingegneria Elettronica 15/19 ch

16 Caratteristica statica del NMOS Inserendo l equazione del controllo di carica si ottiene: Vds Wµ nc D GS φch T φch I ( V V ) d = + L 0 Vds Wµ nc 1 1 ( ) ( ) B p VBS ch p V BS d ch γ φ + φ φ φ L 0 Si riconosce un primo contributo dovuto alla componente lineare del controllo di carica ed il secondo che dipende dalla tensione di canale e di substrato in ogni sezione del canale. Integrando si ottiene: Wµ C 1 Wµ C = L L 3 n n D GS T DS DS γb I ( V V ) V V { ( φ ) ( ) ( ) } p VBS VDS φp V + BS φp VBS VDS A. A Università degli Studi di Firenze, Laurea Specialistica in Ingegneria Elettronica 16/19

17 Caratteristica statica del NMOS Una versione approssimata della precedente è valida solo quando il body factor è piccolo: W µ C 1 L n D = GS T DS DS I ( V V ) V V Si noti che questa relazione è valida solo per V DS V GS V T I D Wµ nc 1 ( ) V V V V V V V L = Wµ nc ( V V ) [ V ] V V V L GS T DS DS VDS GS T = DSS GS T 1 + λ DS VDS> GS T = DSS Dove λ tiene conto della riduzione del canale per V DS >V DSS A. A Università degli Studi di Firenze, Laurea Specialistica in Ingegneria Elettronica 17/19

18 Caratteristica statica del MOSFET Sommario delle caratteristiche elettriche delle varie tipologie di MOSFET A. A Università degli Studi di Firenze, Laurea Specialistica in Ingegneria Elettronica 18/19

Circuito equivalente del MOSFET Il circuito dinamico del MOSFET è simile a quello di un FET convenzionale, nell ipotesi di contatto di bulk connesso con il source.

19 Circuito equivalente del MOSFET Il circuito dinamico del MOSFET è simile a quello di un FET convenzionale, nell ipotesi di contatto di bulk connesso con il source. La limitazione maggiore è dovuta alla presenza del gruppo Rg-Cgs che limita il comportamento in frequenza. A. A Università degli Studi di Firenze, Laurea Specialistica in Ingegneria Elettronica 19/19

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