Introduktion till halvledarteknik

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)

Övergångar (pn och metal-halvledare)

• 2:a ordningens effekter

• Rekombination och generation i spärrskiktet

• Ohmska förluster ”serieresistans”


• Rekombination och generation i spärrskiktet

Rekombinationsfälla i bandgapet. I

backriktning fungerar den som ett

generationscentra (b) Termisk generation

“band till band” I

neutral region (a)


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 I0’, där första termen beror av diffusion och

den andra generation i utarmningsområdet. Denna läckström stämmer bättre med

verkligheten för kisel dioder

g

i

D

i

p

p Wqn

N

nDqAI

2'

0

Generationslivstiden i

utarmningsområdet

Minoritetsbärarlivstiden i neutrala n området


• Ohmska förluster ”serieresistans”

Rp och Rn är serie resistans i neutrala områden på p resp n sidan

Va är pålagd spänning och V är den spänning som verkar direkt på

pn-övergången.

Metal-halvledar övergångar, likriktande

Vakuumenergi nivå

Obs viktigt med

rena ytor vid

deponering av

metall

Metal-halvledar övergångar, likriktande

Metal-halvledar övergångar, likriktande,

bias

Metal-halvledar övergångar, ohmsk, n-

substrat

Metal-halvledar övergångar, ohmsk, p-

substrat

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

Fälteffekttransistorer (FET)

Junction-FET Metal-oxid-halvledar-FET

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

Junction-FET (Gate kontroll)

Med ändrad gate spänning kan

nivån på mättnads strömmen

styras.

För en p+n diod gäller

a

L

När w=a, är precist utarmad har vi nått pinchoff spänning

Obs, övergången bör ej framspännas

Junction-FET (ström-spännings karakteristik, lång

kanal)

Strömmen i ett tvärsnitt

orsakat av ett Spänningfall

Junction-FET (ström-spännings karakteristik,

lång kanal)

Gäller upp till Vp

VD-VG=VP

Junction-FET (ström-spännings karakteristik,

lång kanal)

Vid mättnad gäller

Verifierad

experimentellt

IDSS=Idsat (VG=0)

VD-VG=VP

Kort kanals effekter

• Med en kort kanal ökar det elektriska fältet och

ladningsbärarna når mättnadshastighet

MOS-transistorn

Spänning läggs på gaten som

kapacitivt drar till sig elektroner

för att bilda en ledande kanal

Eller

Utarmar kanalen för att spärra

transistorn

G

MOS-transistorn

Mos transistor med ledande

kanal (inversionslager)

Begynnande strypning av kanalen

med pålagd drainspänning

Stark mättnad

Ideal MOS-kapacitans

metall

SiO2

Halvledare

Utträdesarbetet mäts från

oxiden ledningsbandkant

”modifierad”


Ackumulation hål samlas vid

interfacet oxid halvledare

++

++

+

Tiltning av ledningbandet

vid pålagt elektriskt fält


Utarmningsområde bildas

närmast oxid/

halvledarinterfacet


Inversion, ett lager av

elektroner bildas vid oxid/

halvledarinterfacet

Ideal MOS-kapacitans, stark inversion

n konc (inversion)=p dopningen i substratet

Beskriver bandböjning f(x)

Bandböjning vid interfacet,

pga ytpotential

Exempel 3-5


Rymdladdningsdensitet

som fkn av ytpotential

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


Inversions laddningen är ej inritad i

figuren för elektriskt fält och potential

Spänningsfallet

över oxiden


metall

SiO2

Halvledare w

W beräknas som om

det vore en n+p-diod

Maximal utarmning


Laddningen (beronde på fasta joniserade dopatomer) i

utarmningsområdet vid stark inversion kan då skrivas:

Fs inv 2)(


”oxid” kapacitans i serie med utarmningskapacitans

Mätning vid låga

frekvenser (100Hz)

Mätning vid höga

frekvenser (1 MHz)

d w

Cd

C sd

ii

Verkliga MOS Kapacitanser

• Ändring i utträdesarbetet metall

SiO2

Halvledare

polykisel


Laddningar i

oxiden


Skillnad i utträdesarbete mellan metall (polykisel) halvledare

inverkar också på tröskelspänningen VT

Introduktion till halvledarteknik -...

Documents

Transcript of Introduktion till halvledarteknik -...