Introduktion till halvledarteknik

Transkript

1 Introduktion till halvledarteknik

2 Innehåll 6 Övergångar (pn och metal-halvledare) 2:a ordningens effekter Metal-halvledar övergångar 6 Fälteffekttransistorer JFET och MOS transistorer Ideal MOS kapacitans Verklig MOS kapacitans MOS-transistorn strömekvation (L7) MOS-transitorn överföringsekvation (L7) MOS-transitorn kanal mobilitet (L7) Substrat bias effekt (L7)

3 Övergångar (pn och metal-halvledare) 2:a ordningens effekter Rekombination och generation i spärrskiktet Ohmska förluster serieresistans

4 Övergångar (pn och metal-halvledare) Rekombination och generation i spärrskiktet Termisk generation band till band I neutral region (a) Rekombinationsfälla i bandgapet. I backriktning fungerar den som ett generationscentra (b)

5 Övergångar (pn och metal-halvledare) Diode-ekvationen modifieras för ta hänsyn till effekten av rekombinationsströmmar. Detta görs med att införa en idealitetesfaktor n som är 1 för diffusionströmmar(ideala diodekvationen) samt 2 för rekombinationströmmar. Vanligen är n mellan 1 och 2 Backströmmen modifieras för att ta med generationströmmar (genererade av rekombinationsfällor) för en p + n diod blir I 0, där första termen beror av diffusion och den andra generation i utarmningsområdet. Denna läckström stämmer bättre med verkligheten för kisel dioder I ' 0 A q D p p n N 2 i D qniw g Generationslivstiden i utarmningsområdet Minoritetsbärarlivstiden i neutrala n området

6 Övergångar (pn och metal-halvledare) Ohmska förluster serieresistans R p och R n är serie resistans i neutrala områden på p resp n sidan V a är pålagd spänning och V är den spänning som verkar direkt på pn-övergången.

7 Metal-halvledar övergångar, likriktande Vakuumenergi nivå Obs viktigt med rena ytor vid deponering av metall

8 Metal-halvledar övergångar, likriktande

9 Metal-halvledar övergångar, likriktande, bias

10 Metal-halvledar övergångar, ohmsk, n- substrat

11 Metal-halvledar övergångar, ohmsk, p- substrat

12 Metal-halvledar övergångar, ohmsk, tunnling Även om det är en barriär mellan metall och halvledare går det att göra en bra ohmsk kontakt genom att hård dopa under metallen så att tunnling uppstår Om metallen har hög barriär höjd mot n-typ, så har den med största sannolikhet lågbarriär höjd mot p-typ. Undantag finns sk Fermilevel pinning

13 Fälteffekttransistorer (FET) Junction-FET Metal-oxid-halvledar-FET

14 Junction-FET (strypning av kanalen och mättnad) När drain spänningen ökar backspänns gate/ drain övergången. Utarmingsområdet breder ut sig och stryper kanalen, Id slutar öka och blir konstant. Jmf med en konstantsströmsgenerator

15 Junction-FET (Gate kontroll) Med ändrad gate spänning kan nivån på mättnads strömmen styras. a För en p + n diod gäller L När w=a, är precist utarmad har vi nått pinchoff spänning Obs, övergången bör ej framspännas

16 Junction-FET (ström-spännings karakteristik, lång kanal) Strömmen i ett tvärsnitt orsakat av ett Spänningfall

17 Junction-FET (ström-spännings karakteristik, lång kanal) Gäller upp till V p V D -V G =V P

18 Junction-FET (ström-spännings karakteristik, lång kanal) Vid mättnad gäller V D -V G =V P I DSS =I dsat (V G =0) Verifierad experimentellt

19 Kort kanals effekter Med en kort kanal ökar det elektriska fältet och ladningsbärarna når mättnadshastighet

20 MOS-transistorn G Spänning läggs på gaten som kapacitivt drar till sig elektroner för att bilda en ledande kanal Eller Utarmar kanalen för att spärra transistorn

21 MOS-transistorn Mos transistor med ledande kanal (inversionslager) Begynnande strypning av kanalen med pålagd drainspänning Stark mättnad

22 Ideal MOS-kapacitans metall SiO 2 Halvledare Utträdesarbetet mäts från oxiden ledningsbandkant modifierad

23 Ideal MOS-kapacitans Ackumulation hål samlas vid interfacet oxid halvledare Tiltning av ledningbandet vid pålagt elektriskt fält

24 Ideal MOS-kapacitans Utarmningsområde bildas närmast oxid/ halvledarinterfacet

25 Ideal MOS-kapacitans Inversion, ett lager av elektroner bildas vid oxid/ halvledarinterfacet

26 Ideal MOS-kapacitans, stark inversion n konc (inversion)=p dopningen i substratet Exempel 3-5 Beskriver bandböjning f(x) Bandböjning vid interfacet, pga ytpotential

27 Ideal MOS-kapacitans Rymdladdningsdensitet som fkn av ytpotential

28 Ideal MOS-kapacitans, i inversion Lika många laddningar i metallen som i halvledaren OBS inga laddningar i oxiden i detta fall. I verkliga MOS strukturer finns alltid laddningar i oxiden

29 Ideal MOS-kapacitans, i inversion Inversions laddningen är ej inritad i figuren för elektriskt fält och potential Spänningsfallet över oxiden

30 Ideal MOS-kapacitans, i inversion w metall SiO 2 Halvledare W beräknas som om det vore en n + p-diod Maximal utarmning

31 Ideal MOS-kapacitans, i inversion Laddningen (beronde på fasta joniserade dopatomer) i utarmningsområdet vid stark inversion kan då skrivas: ( inv) 2 s F

32 Ideal MOS-kapacitans oxid kapacitans i serie med utarmningskapacitans Mätning vid låga frekvenser (100Hz) C i d i d C d s w Mätning vid höga frekvenser (1 MHz)

33 Verkliga MOS Kapacitanser Ändring i utträdesarbetet metall polykisel SiO 2 Halvledare

34 Verkliga MOS Kapacitanser Laddningar i oxiden

35 Verkliga MOS Kapacitanser Skillnad i utträdesarbete mellan metall (polykisel) halvledare inverkar också på tröskelspänningen V T