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COMPTE RENDU DES TRAVAUX PRATIQUES DANS LA SALLE BLANCHE DU CIME-nanotech

Test électrique de la Jonction PN et de la capacité MOS

MASTER 2 EEATS: Nanoélectronique et Nanotechnologies

Préparé par: SERHAN Ayssar MERSNI hichem

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Objectif Le but de ce travail est donc de caractériser la jonction PN et la capacite MOS et de comparer les résultats obtenus lors de ce test avec la théorie et puis d'évaluer et préciser les différents paramètres qui influent les caractéristiques de la diode et la capacité MOS.

Sommaire

A - Test électrique de la jonction PN

I – Diode en polarisation Directe

I.1 Estimation de la valeur de tension de seuil I.2 Calcule de la densité de courant, effet de lumière . II - Diode en inverse II.1 Polarisation en inverse II.2 Mesure de la tension claquage (Break down Voltage) II.3 Calcule de champ d'avalanche

B -Test électrique de la capacité MOS

I - la caracteristique C(Vg) I.1 - Explication de l'allure de la caracteristique C(Vg) I.2 - Le Balayage de la tension (inversion- accumulation) I.3 - Le régime déplétion profonde I.4 - Calcule de l'épaisseur d'oxyde de grille I.5 - caractéristique Mott-Schottky Références bibliographiques

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A - Test électrique de la jonction PN

Pour tester la jonction PN on utilise un analyseur de semi-conducteur qui permet d`effectuer des mesures du courant et de tension, la première étape est de définir les positions des contacts de l'analyseur, dans notre cas la branche " 3 " de l'analyseur est connecté par default sur la région N tandis que la région P est connecté à la masse comme l'indique la figure suivante.

Schéma de connexions

Le réglage de la position a été effectué à l'aide d'un microscope où on a place le wafer et on met en contact la branche "3" avec l'aluminium déposé au dessus de la région N comme l'indique la figure de masque niveau 6 qui est la masque de la couche d'aluminium.

MASQUE NIV 6 (masque des contacts)

Point de contact

Branche3

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Ensuite, il suffit de compléter toutes les configurations de l'analyseur nécessaires pour dessiner la courbe I=f(v), on définit donc les branches en précisant la fonction de chacune d'elles et on demande un balayage de tension de -5v à 5v avec un pas de 100mV et une limite de courant 100mA (pour éviter la destruction de la jonction), ensuite la courbe sera affichée juste en appuyant sur le bouton GRAPHIC/LIST, une remarque très importante est qu'à l'échelle semi-log et pour des valeurs de courants négative nous somme obligés de régler l'analyseur de façon à calculer la logarithmique de la valeur absolue du courant.

Analyseur de semi-conducteur et microscope (Laboratoire CIME)

I-Diode en polarisation Directe

I.1 Estimation de la valeur de tension de seuil

Puisque les connections ont été misent en inverse (contact P à la masse et le contact N à Vcc), donc une valeur de tension négative correspondra à une différence de potentiel positive, ce qui explique l'allure de la courbe I=f(v) de la figure suivante :

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Courbe caractéristique de I=-f(-���)

D'après le graphe on estime la valeur de la tension de seuil à 0.6 V, En dessous du seuil le courant est très faible. Au-delà, le courant dans la

diode est lié au courant de saturation �� par �� = ��(�� � − 1) où q est la

charge d'électron, v est la tension appliquée, K est la constante de Boltzmann, T est la température ambiant et m est le facteur d'idéalité qui varie entre 1 et 2, Le courant �� est appelé courant inverse, car si la diode est polarisée en inverse on obtient������. Ce courant résulte du débit des charges (trous thermo générés et électrons) qui traversent la jonction sous l’effet du champ électrique. I.2 Calcule de la densité de courant, effet de lumière sur le courant minoritaire. Dans la figure ci dessous on remarque une différence entre la valeur du courant minoritaire (courant en régime de saturation) obtenu en présence de la lumière et celui obtenu en absence de lumière, cet écart est lié au phénomène de diffusion qui engendre le courant minoritaire, la valeur obtenue en absence de la lumière est plus proche de la valeur théorique. Le courant majoritaire n'est pas influencé par la lumière ou tout simplement l'influence de la lumière est très limitée car le courant dans le régime ohmique dépend de la résistance Rs suivant l'équation suivante [1]:

Vd= Vj +RS*Id(V)

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Courbe caractéristique log (|I|)=f(-v)

La valeur de la densité de courant est calculée en utilisant la relation

� = �� avec I la valeur de courant et S la surface de la diode

(200�200���), la valeur maximal extraite de l'analyseur égale à

614.4pA donc J=�� , .#$%�&' .�$% ()& = �, *+�. �$��'. ()�&.

La valeur théorique de J est égale à10�,-. .���, en comparant a celle qui est obtenue par mesure, on remarque que /012345672 < /29:245;2<0=>2 à cause de la lumière ambiante, la valeur théorique aussi obtenue dans l'obscurité. La deuxième étape à réaliser est la mesure de la pente inversée et la comparaison du résultat avec la valeur théorie (pente = 60mv/current décade). A partir de la courbe ci-dessus, on extrait la valeur de la pente qui égale a (12.54 décade/v), la pente inversée est égale à (1/pente) obtenue a partir de la pente (79,74 mV/décade), cette valeur est plus grande que la valeur théorique car la température de fonctionnement est un paramètre fondamental dans la détermination du fonctionnement des dispositifs à semi-conducteurs. Dans le cas de la jonction PN le courant de saturation est essentiellement dû aux porteurs minoritaires générés par agitation thermique. Ce courant de saturation sera donc particulièrement sensible à la température. L'effet de la température sur la caractéristique directe est déterminé par la relation suivante :

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Avec :

Ce qui explique la relation entre la valeur de la température ambiante et la valeur de courant dans touts les régimes de fonctionnements de la diode. II-Diode en polarisation inverse II.1 Polarisation en inverse Pour polariser une diode en inverse, on change les configurations de l'analyseur en faisant balayé la valeur de tension de -2V à 20V ce qui correspond a des valeurs de différence de potentiel de 2V à -20V aux bornes de la diode, pour plus de précision on choisi un pas de 200 mV et en passe à l'échelle semi-log, on obtenu donc la figure si dessous.

s Effet avalanche log (|I|)=f(-v)

II.2 Mesure de la tension claquage (Break down Voltage) Par définition la tension claquage (Break down Voltage) est la valeur de tension électrique à partir de quelle la diode devient passante lors d'une polarisation inverse, la figure ainsi obtenue permet de déterminer la valeur de cette tension qui est à peut prés 19 V, En dessous de cette

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valeur (tension entre 0V et -19V) le courant est très faible on l'appelle courant de porteurs minoritaires ou courant de diffusion il est toujours affecté par la présence de la lumière c.-à-d dans le cas où on dépose le wafer sous la lumière la valeur de ce courant sera plus grand que celle dans le cas d'obscurité . autrement lorsque la tension dépasse 19V la valeur de courant augmente de façon très rapide ce qui dit à un phénomène d'avalanche où le courant augmente sous l'effet de champ électrique intense au borne de la zone de charge d'espace ZCE qui fini en ionisant les atomes de Si et en libérant des électrons qui seront accélérées par le champ E ce qui augment le nombre des électrons libère et cela traduit par une forte augmentation de courant inverse ( c'est ce qu'on appelle effet avalanche). II.3 Calcule de champ d'avalanche En partant de la relation ?=@= = ABCB

�DEF avec ?=@= est le champ d'avalanche,

�=@= la tension d'avalanche et GHI2 est la largeur de la zone de charge d'espace qui est par donnée égale à1��, donc avec �=@= = 19KLMNO on obtient?=@= = 1,9. 10PK. .��Q. En théorie la valeur de ?=@= doit être3. 10PK. .��Q, donc en comparant les deux valeurs on remarque que la valeur obtenue dans l'expérience est plus petite qu'en théorie et ceci à cause de l'effet thermique c.-à-d. la différence entre la valeur de température dans la salle où on est effectué l'expérience et celle qui est en théorie.

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B -Test électrique de la capacité MOS

I - la caracteristique C(Vg) Le test de la capacite est realise a l'aide de l'outil (LCR meter) en communication avec un ordinateur. Les donnees extraitent seront transferer dans un logiciel qui nous permet de dessiner le graphe de C en fonctiom de la tension V:

Allure de la caracteristique C(Vg)

I.1 - Explication de l'allure de la caracteristique C(Vg) La capacité MOS est équivalente à deux capacités en série : la capacité de

l’oxyde (Cox) et la capacité du semi-conducteur (CSC)

La capacité totale équivalente (par unité de surface) s’écrit :

QS0 =

QSTU +

QSWE

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Avec : XYZ = [YZ \

]YZ, X^_ = [^_ \]^_ avec[^_ est la permittivité diélectrique

dans l'oxyde,]^_ est l'épaisseur d'oxyde, ]YZ est l'épaisseur de zone de déplétion et S est la surface d'oxyde. Les valeurs des capacites varient en fonction de la tension appliquee sur le cote metal, on distingue trois regimes de fonctionnement pour la capacite MOS : le Régime d’accumulation, le Régime de déplétion, Régime d'inversion. Ces trois regimes expliquent l'allure de C(v) car dans le regime accumulation �̀ < 0 il y a une accumulation de porteurs majoritaires à la surface du silicium donc la capacite du semiconducteur tend vers l'infini. On a a0 = a39 dans ce cas la capacite est maximal , dans le deuxieme regime (regime de depletion �̀ > 0), la valeur de la capacite acI commence a diminuer donc en remarque l'attenuation de la valeur de la capacite totale en fonction de �̀ ( �̀ def�gN−→ acIij�jge)et par concequence la capacite totale

diminue car dans ce regime a0 = a39 QQklmTUmWEn

.

si acIij�jgedMLoOa0ij�jge, par contre pour une grande valeur de �̀ ≫ 0 la capacite acI atteint sa valeur minimale dans le cas du regime d'inverstion, par consequent la capacite a0 atteint sa valeur minimale qui correspondant a une extension maximum de la zone désertée par les charges + (trous).

Les régimes de fonctionnement

I.2 - Le Balayage de la tension dans les sens inversion-accumulation Le but du balayage de la tension dans les deux sens ( inversion – accumulation) est de connaitre la nature du substrat sur le quelle la capacité a été fabriquée , donc on fait balayer la tension dans les deux sens et en suit la variation des valeurs du maximum au minimum de la capacité en fonction de la tension �q, a partir de ces deux valeurs on peut connaitre la nature du substrat car pour les substrats de type P :a0 est minimale pour Vg>>0 et a0

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est maximale pour Vg<0 , mais par contre pour les substrat de type N : a0 est minimale pour Vg<0 et a0 est maximale pour Vg>>0 .

Cas du substrat de type P

Cas du substrat de type P

Dans notre cas et comme nous montre la figure de C=f(Vg) :a0 est minimale pour Vg>>0 et a0 est maximale pour Vg<0 et d’où un substrat de type P. Pour être sur que le SC est à l'équilibre thermodynamique il faut qu'on réalise la mesure à l'obscurité. I.3 - Le régime déplétion profonde La longueur de la zone de déplétion dépend évidemment des champs appliqués

et de la dose de dopage du substrat et donc de la concentration des porteurs

majoritaires dans le substrat, lorsque vg devient plus grand que Vfb, le champ à

l’interface Si/SiO2 va diminuer localement la concentration en trous et

augmenter celle d’électrons, les porteurs majoritaires sont repoussés en

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profondeur et donc la zone de déplétion devient profonde et la capacité acI atteint sa valeur minimal.

I.4 - Calcule de l'épaisseur d'oxyde de grille La capacité d'oxyde est donnée par a0�BU = X^_ = [^_ \

]^_ avec [^_ permittivité diélectrique dans l'oxyde,]^_ est l'épaisseur d'oxyde et S est la surface d'oxyde, donc on peut calculer la valeur de ]^_ car on sait que ( [^_) est constante et X^_ = �. &rs et O = �. $t� Xu& , la valeur de l'épaisseur

est ]^_ = [$[^_ \X^_ = 0.490389�� très proche de la valeur obtenue par

profilometrie. I.5 - La caractéristique Mott-Schottky Dans le régime de déplétion, la capacité mesurée est modélise par

l'équation suivante Q

S�FWx = QSTUx + �(Ayz�A{)

|WE6�}~y�x , pour tracer la caractéristique

C(vg) il faut qu'on dérive l'équation de Q

S�FWx par rapport a �̀ parce qu'on a

besoin de connaitre la pente de la droite caractéristique:

�� �

m�FWx ��@{ = ��A{

|WE6�}~y�x = �gNiioLjN.dod.NoONj�e

Caractéristique MOTT-SCHOTTKY

On trace la droite avec un point particulier (��: = �̀ ) → ( QS�FWx = Q

STUx ) et une

pente d = ��A{|WE6�}~y�x , et puisque nous connaissons la valeur dea39, on

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détermine la valeur de ��:à partir de la figure de Caractéristique MOTT-SCHOTTKY. Application numérique : QSTUx = Q

(�,.�Q�%�x)x = 8.94110�� Cfb=39.210�Q� = 39.2�� ��: = −2.75K (|Vbp|>|∅��|) ∆��: = −1.93K ��59 = 4.62�� × 1.93 = 8.91 × 10�QQa/��

Conclusion La caractérisation d'un composant électrique nous permet de préciser les sources qui influes la performance du composant et par suite d'améliorer et minimiser l'effet de ces sources tel que la lumière et la températures pour que la caractéristique réel de du composant soit proche la plus possible de sa caractéristique en théorie, en générale la lumière et la température et l'humidité sont les trois principaux facteurs qui influent la performance donc il faut toujours isoler le circuit et cette isolation peut être par la mise en place de circuit intégré dans une boitier ou bien par changement de type du matériaux utilisés dans la conception selon l'application. Références bibliographiques [1] "ETUDE DE LA JONCTION PN D’UN SEMI-CONDUCTEUR A L’EQUILIBRE THERMODYNAMIQUE" Journal of Electron Devices, Vol. 5, 2007, pp. 122-126 [2] http://www.cime.inpg.fr/images/caracterisation/ , " Caractérisation des Composants Elaborés".