Post on 16-Sep-2018
Transistor MOS
Introduction
Jonction Métal/Oxyde/Semiconducteur
Diode MOS idéale
Diode MOS réelle
MOSFET principe
MOSFET courant drain
Effets d’une grille courte
MOS ultime
Chapitre 7
Jonction métal-semiconducteur
Diode Schottky
MESFET
Transistor MODFET/HEMT
Transistor « Quantique »
Transistor MESFET
Science et génie des matériaux, Romuald Houdré - 2006 /2007
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Plan du cours1. Introduction
- Caractéristiques physiques des semiconducteurs
- Quels Matériaux pour quel type d’applications
2. Propriétés électroniques des semiconducteurs
- Structure de bandes
- Statistiques d’occupation des bandes
- Propriétés de transport
- Processus de recombinaison
3. Jonctions et interfaces
- Jonctions métal/semi-conducteurs
- Jonction p-n à l’équilibre, Jonction p-n hors-équilibre
4. Composants électroniques
- Transistors bipolaires
- Transistors à effet de champ
- Dispositifs quantiques
- Nouveaux matériaux
5. Composants optoélectroniques
- Détecteurs
- Diodes électroluminescentes
- Diodes lasers
- Lasers à émission par la surface
- Lasers à cascade quantique
1/3bases
1/3transport
1/3optique
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Histoire: de la triode au transistor
Le transistor à effet de champ a remplacé les tubes à vide (triode)
Triode: Courant entre cathode et anode fonction de la température de la cathode et de la différence de potentiel
On place une grille entre la cathode et l'anode.
Lorsque la grille est à un potentiel négatif par rapport à la cathode barrière réduit le flux d'électrons.
La puissance nécessaire pour modifier la tension de la grille est très faible par rapport à la variation de tension anode provoquée par la variation de la tension grille, c'est ce qui explique les facultés amplificatrice de la triode.
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Transistor – filière matériau
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Transistor – filière matériau
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Le transistor MOS
Comment faire varier la résistivité du matériau par une action extérieure?
TRANSISTOR UNIPOLAIRE
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SemiconducLe transistor MOS
+
++
+
+
+
+
++
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++
+
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+
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+
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++
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++
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+
R =l
s
+ + +++ +
+++
+
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+ ++
+++ +
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+ +++ +
+ +
++
++ +
+ ++
++
+ +++
+
++
++
++
++ +
+ ++
+
++
+ ++
+
R s
R
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Transistor MOSJonction Métal/Oxyde/Semiconducteur
Diode MOS: q m,s: travail de sortie du métal ou du semiconducteur
q : affinité électronique du semiconducteur
cas idéal m- s = q m- (-q +Eg/2+q B) = 0
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QS = -qNAW avec W la largeur de la zone déplétée
Jonction Métal/Oxyde/Semiconducteur
Diode MOS: effet d’une polarisation
V < 0 sur le contact métallique et avec semiconducteur de type p
Accumulation de charges positives (trous) à l’interface SiO2/silicium
pp = ni exp(Ei-EF)/kT d’où Ei-EF
V > 0 sur le contact métallique et avec semiconducteur de type p
Courbure des bandes vers le bas et la concentration en trous diminue, (Ei-EF)
Déplétion des porteurs majoritaires
Type p
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Jonction Métal/Oxyde/Semiconducteur
Diode MOS: effet d’une polarisation
Quand la tension positive augmente encore un peu plus, EF croise Ei ce
qui induit des charges négatives à l’interface
np = ni exp(EF-Ei)/kT
d’où np>ni et pp<ni
Le nombre d’électrons (minoritaires) devient plus grand que le nombre de trous (majoritaires) régime d’inversion
Régime de forte inversion: charges négatives Qn très localisées (1 à 10 nm)
Type p
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Jonction Métal/Oxyde/Semiconducteur
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Jonction Métal/Oxyde/Semiconducteur
Equation de Poisson
avec
etc....
Aperçu
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Jonction Métal/Oxyde/Semiconducteur
Structure de bande
Distribution des charges
Diode MOS idéale
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Jonction Métal/Oxyde/Semiconducteur
Diode MOS réelle: SiO2-Si
Dans le cas d’une jonction réelle, le travail de sortie du métal diffère de celui du semiconducteur: m- s 0
(Il y a aussi des charges dans l’oxyde et à l’interface)
Courbure des bandes même sans polarisation
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Jonction Métal/Oxyde/Semiconducteur
Diode MOS réelle: SiO2-Si
Un des métaux les plus utilisés est l’aluminium. Son travail de sortie est de 4.1 eV
Un autre matériau très répandu est le silicium poly cristallin dopé n+ ou p+ (4-5eV)
Noter que la différence de travail de sortie entre le métal et le semiconducteur dépend de la concentration de ce dernier
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m-
s
(V
)
-0.4
0.0
-0.8
0.4
0.8
Jonction Métal/Oxyde/Semiconducteur
Diode MOS réelle: SiO2-Si
Evolution de la différence de travail de sortie pour l’aluminium et le poly-silicium en fonctoin du dopage du semiconducteur
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Transistor MOS (MOSFET)
1er MOSFET: 1960 - 2O m de grille (L) - 100 nm d’oxyde (d)
n-MOSFET - substrat de type p- régions de type n+ (source et drain)
p-MOSFET - substrat de type n- régions de type p+ (source et drain)
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Transistor MOS (MOSFET)Principe de fonctionnement
Silicium P
Zone d’isolation
n+
n+
S D
G
Aucun courant ne passe car jonction pn en inverse
Source DrainV. Grille > V. Seuil
En régime d’inversion, apparition d’un plan de charge (électrons) permettant le passage du courant
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Caractéristiques électriques
Source DrainV. Grille > V. Seuil
La tension de la grille contrôle le courant entre source et drain
Le transistor MOS
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Transistor MOS (MOSFET)Principe de fonctionnement
Si VD faible, le courant augmente avec la
tension: régime linéaire (V = RcanalI)
(conductance cte)
Quand la tension VD augmente,le nombre
d’électrons dans la couche d’inversion diminue et la conductance du canal est plus faible. La variation du courant est alors sous linéaire. Régime de pincement atteint pour VD(sat)
Quand la tension VD est supérieure à VD
(sat) et pour des longueurs de grille importantes, le courant est constant.
Admettre
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Transistor MOS (MOSFET)Caractéristiques statiques
Courant dans le régime linéaire
ID= (Z/L) nC0(VG-VT)VD
C0= ox/d
VT: tension seuil de grille
Courant dans le régime de saturation
ID(sat)= (Z/L) nC0(VG-VT)2/2
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Transistor MOS (MOSFET)Différents types de MOSFET
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Le transistor MOS
Objectif: réduire la taille
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Silicon Nanowire TransistorsInstitute of Standards and Technology (NIST), USA 12/2005
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MOS à grille courte
Percement (Drain induced barrier lowering- DIBL)
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MOS sur SOI
Le substrat SOI permet la réalisation de transistors MOS plus performants (fort pouvoir bloquant et plus rapides)
La technologie SOI limite les courants de fuite dus au phénomène de percement
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- Meilleures performances- Plus grande intégration
Actualité: le SOI se développe
2006: SOITEC (Benin-Grenoble) signe un contrat de 150 millions de dollars avec AMD
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Transistor MOS à double grille
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Transistor MOS ultime
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Transistor MESFET
Jonction métal-semiconducteur
Avant mise en contact
Après mise en contact
Type n
q Bn = q( m- ) hauteur de barrière à l’interface métal-SC
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Jonction métal-semiconducteur
q Bn = q( m- )
Vbi = Bn - Vn avec Vn = EC-EF
Etats de surface
Cas où m > S
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Jonction métal-semiconducteur
V = 0
V > 0
V < 0
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Jonction métal-semiconducteur
Champ électrique max: Em = qNDW/
Vbi – V = EmW/2 (E = - grad V)
W = [2 (Vbi – V)/qND]1/2 largeur de la zone déplétée
Charge QSC = qNDW = [2q ND(Vbi – V]1/2
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Jonction métal-semiconducteur
Diode Schottky
V = 0 V > 0
Si V>0, le courant est J = JSexp(qV/kT -1)
Nb électrons pouvant franchir la barrière Bn n = NC exp(-q Bn/kT)
Bn Bn
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Jonction métal-semiconducteur
Diode Schottky
V = 0 V > 0 V < 0
Note: contact ohmique la hauteur de barrière est faible
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Jonction métal-semiconducteur
Diode Schottky
Barrière élevée Barrière faible
Contact ohmique
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Jonction métal-semiconducteur
Transistor MESFET (metal semiconductor field effect transistor)
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Transistor MESFET
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ISat = (Z e /2aL)(VG-VT)2
Courant drain
Transistor MESFET
Caractéristiques statiques
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transistors normalement « On » et « Off »
Transistor MESFET
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Transistor MESFET
Fréquence de coupure
Fonctionnement en fréquence
ft = vs/2 L
où vs est la vitesse de saturation
1/temps passé sous la grille
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Transistor MODFET/HEMT
Hétérojonctions et Gaz bi-dimensionnel d’électrons
- Jonction entre deux semiconducteurs différents
- Pour de faibles dopages ou à très petite échelle, la discontinuité est le phénomène le plus important (=> notion de puits quantique)
- Semblable à une jonction p-n mais apparition de discontinuité de bandes due à la différence de bande interdite
BC
BV
Eg1 Eg2
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Comment:
- en séparant spatialement impuretés ionisées et porteurs
Transistor MODFET/HEMT
Hétérojonctions et Gaz bi-dimensionnel d’électrons
But: obtenir une grande conductivité = nqμ
En gardant n grand et grand
- en dopant fortement pour avoir un grand n
nND+
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Transistor MODFET/HEMT
Gaz bi-dimensionnel d’électrons
nND+
Densité surfacique du gaz d’électrons: 1012 cm-2 pour GaAs
1013 cm-2 pour GaN
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Transistor MODFET/HEMT
MODFET = Modulation Doped Field Effect TransistorHEMT = High Electron Mobility transistor
HFET (heterojunction field effect transistors)TEGFET (two-dimensional electron gas field effect transistor)
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Transistor MODFET/HEMT
Fréquence de coupure plus élevée dans un HEMT que dans un MOS ou un MESFET
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Transistor « Quantique »
Diode à double barrière tunnel résonnant
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Transistor « Quantique »
Diode à double barrière tunnel résonnant
Le courant ne passe que lorsque l’énergie des électrons est égale à celle d’un niveau quantique entre les deux barrières
Peu d’effets capacitifs fonctionnement à haute fréquence
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Transistor à 1 électron
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Fin de la partie composants électroniques
suite:
composants optoélectroniques
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