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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 1

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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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R =l

s

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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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