Capacitor MOS 2 - Regimes de Polarização - Parte 3

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Capacitor MOS 2 - Regimes de Polarização - Parte 3

  1. 1. Capacitor MOS 2 Regiane Ragi Regimes de polarização PARTE 3
  2. 2. 2 Após ter estudado o capacitor MOS na acumulação e na depleção, nesta apresentação, vamos estudar o capacitor MOS no regime de inversão
  3. 3. 3 Inversão
  4. 4. 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. 5. 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. 6. 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. 7. 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. 8. 8 Vamos em seguida, discutir o diagrama de banda de energia na inversão.
  9. 9. 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. 10. 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. 11. 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. 12. 12 A camada de inversão é preenchida com elétrons.
  13. 13. 13 A densidade de carga na inversão é representada pela quantidade Qinv (C/cm2).
  14. 14. 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. 15. 15 Se ψs não aumenta, a largura da região de depleção Também não aumenta.
  16. 16. 16 Isto significa que, a largura da região de depleção alcançou um valor máximo.
  17. 17. 17 A tensão no gate é dada pela equação geral
  18. 18. 18 A tensão através do óxido é obtida através da equação
  19. 19. 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. 20. 20 Então,
  21. 21. 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. 22. 22 Conhecendo-se a carga de depleção Wdep e Vox, podemos escrever a partir da equação geral
  23. 23. 23 Note que, a primeira parte da equação acima corresponde exatamente à tensão de limiar (tensão de threshold)
  24. 24. 24 Então, podemos escrever
  25. 25. 25 ... E a partir disso, podemos escrever a carga de inversão.
  26. 26. 26 Esta equação nos conta que, o capacitor MOS sob forte inversão comporta-se como um capacitor, com um deslocamento Vt.
  27. 27. 27 Em Vg= Vt, a carga de inversão
  28. 28. 28 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. 29. 29 No entanto, poderíamos fazer a seguinte pergunta:
  30. 30. 30 De onde vem esses elétrons do canal de inversão ?
  31. 31. 31 Sabemos que no MOSFET de canal-n, com o substrato tipo-p não existe doadores no material.
  32. 32. 32 Então pode nos parecer um pouco confuso o aparecimento desse canal de inversão.
  33. 33. 33 Uma forma de explicarmos esses elétrons é através do fenômeno de geração térmica.
  34. 34. 34 Lembre-se que, em semicondutores, há sempre alguns pares elétron-lacuna sendo gerados por excitação térmica em qualquer instante.
  35. 35. 35 Elétrons são criados na região de depleção, são capturados pelo campo elétrico, e são varridos até a extremidade do gate.
  36. 36. 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. 37. 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. 38. 38 Em outras palavras, os elétrons de inversão são fornecidos pelas junções n+ do MOSFET. substrato tipo-p tipo-n+ tipo-n+ Metal Óxido Semicondutor
  39. 39. 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+ Metal Óxido Semicondutor
  40. 40. 40 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. 41. 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. 42. 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. 43. 43 Escolha de Vt e do tipo de dopagem
  44. 44. 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. 45. 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. 46. 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. 47. 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. 48. 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. 49. 49 O que levaria a um grande consumo de energia e muita geração térmica.
  50. 50. 50 Analogamente, um substrato tipo-n é rotineiramente pareado com um gate p+.
  51. 51. 51 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.
  52. 52. 52 Outras combinações de gate-substrato são quase sempre nunca encontrados.
  53. 53. 53 Revisão
  54. 54. 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 Metal Óxido SemicondutorVG Nota: Sempre em nossas apresentações, chamamos de Metal o eletrodo de gate, que pode ser metal, ou silício policristalino. 54
  55. 55. Regimes de operação no MOS Para entendermos os diferentes modos de polarização de um MOS nós consideramos três faixas de tensão: 55
  56. 56. 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 56
  57. 57. 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 57
  58. 58. 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 58
  59. 59. 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 59
  60. 60. 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 Acumulação VG < Vfb Flat-band VG = Vfb Depleção Vfb < VG < Vt Inversão VG > Vt 60
  61. 61. 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 61
  62. 62. 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.
  63. 63. 63 Referências
  64. 64. 64 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

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