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Tensione di soglia Vt Appunti scolastici Premium

In questo materiale didattico relativo alla determinazione della tensione di soglia Vt vengono trattati i seguenti argomenti. Effetti della carica nell'ossido e all'interfaccia. Determinazione della lunghezza di Deby. Caratteristica corrente-tensione del MOSFET (o IGFET). Debole polarizzazione di Drain.... Vedi di più

Esame di Dispositivi elettronici a semiconduttore docente Prof. F. Della Corte

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ESTRATTO DOCUMENTO

Caratteristica corrente-tensione del MOSFET (o IGFET)

Debole polarizzazione di Drain

V = 0

S Il potenziale V(x) attraverso l’ossido passa

linearmente da V (al source) a V - V (al

GS GS D

 

0 V(x) è quasi costante lungo il

drain). Se V

D

canale e quindi la concentrazione di elettroni è

uniforme.

La corrente I è dovuta al trascinamento degli

D

elettroni nel canale: Q V

 

  n DS

I Aqn E Wd

D n n

d L

V

V in cui Q è la carica per unità di superficie asso-

n

0

GS V ciata agli elettroni che formano la zona di

D

V(x) inversione.

(potenziale attraverso l’ossido)  

W W

 

  

I Q V C V V V

D n n DS n ox G t DS

L L

x

L

0

ME-C-10 Dispositivi a Semiconduttore - A.A. 2008/2009

Media polarizzazione di Drain

Il potenziale V(x) attraverso l’ossido passa

linearmente da V (al source) a V -V (al

GS GS D

drain). La carica associata agli elettroni non è

uniforme lungo il canale, ma pari a:

     

Q x V x V

 

n t

qn C

   

ox

d x d x

   

 

I Aqn x E x

D n

   

  Q x dV

 

 

n

Wd x   n  

d x dx drain

Sostituendo Q si ottiene:

n   

L V V

  

  

GS D di

I dx W C V V dV

D n ox t corrente

V

0 GS

  

2

 

W C V

   

n ox D

 

I V V V

D GS t D

 

L 2 V D

ME-C-11 Dispositivi a Semiconduttore - A.A. 2008/2009

Elevate polarizzazioni di Drain e pinch-off

Se il potenziale di drain è fatto crescere fino ad

avere V - V = V , le condizioni per la

G D t

formazione dell’inversione in corrispondenza

della regione di drain non sussistono più e si P

manifesta lo “strozzamento” del canale.

In questa zona la corrente non ha più natura

ohmica, perché gli elettroni si muovono in una

regione svuotata (elevato E), a velocità saturata.

Aumentando ancora V , il punto di pinch-off

D

(P) si sposta verso il source. In quel punto si ha

sempre: V - V(P) = V . L’analisi precedente

G t

può essere ripetuta con questa condizione, e

fornisce: drain

  

W C

  2

n ox

I V V

D GS t di

L

2 ' corrente

in cui L’ è la reale lunghezza della zona di

è indipendente da

inversione ( L). Dunque I D

V .

D V

ME-C-12 DS

Dispositivi a Semiconduttore - A.A. 2008/2009

CONSIDERAZIONI DEL SECONDO ORDINE SUI MOSFET

Rottura dell’ossido  6 -1

V cm . Per uno spessore di 200 Å,

Il campo di rottura di un buon ossido di silicio vale circa 7 10

di 14 V può provocare la rottura. Per precauzione la V dichiarata è la metà del valore

una V GS GS max

teorico.

Anche le cariche elettrostatiche possono distruggere l’ossido. Per una gate con C =20 fF, è

ox

  10

-15 -13

sufficiente una carica Q = C V = (20 10 ) 14 = 2.8 C , ovvero il trasferimento di soli

1.750.000 elettroni.

Per questo motivo le gate dei MOSFET accessibili dai piedini degli IC sono sempre dotate di diodi

di regolazione di tensione in parallelo alla gate.

Mobilità superficiale

La mobilità dei portatori all’interfaccia SiO /Si risulta sempre inferiore (circa metà) a quella

2

nell’interno del semiconduttore. Ciò dipende da molti fattori, fra cui 1) la presenza di difetti di

interfaccia, 2) gli urti con l’interfaccia semiconduttore-isolante, 3) l’azione del campo elettrico di

controllo, trasversale al moto dei portatori. Si trova in particolare che:

 r

 

E

 

 

 

1

   4

con E = 6 10 V/cm e 0.1 < r < 0.2

eff o

 

E 0

ME-C-13 Dispositivi a Semiconduttore - A.A. 2008/2009

Modulazione della lunghezza del canale, L’ . Ciò determina una debole

Il punto di pinch-off si sposta dal drain al source all’aumentare della V

DS

dipendenza della I da V . Per V prossima a V , si trova che:

sat DS DS DS sat

  

2

  

Si

'

L L V V

DS DS , sat

q N A

che risulta accurata se x << L-L’.

SiO2

Effetti del canale corto sulla tensione di soglia

Lo svuotamento prodotto in prossimità del

canale dalle regioni di drain e source condiziona

l’insorgere dell’inversione, perché contribuisce a

creare lo svuotamento sotto la gate, finora

supposto legato solo alla V . Questo fenomeno è

G

tanto più evidente quanto più è corto il canale.

Indicando con Q la carica della regione

d1

svuotata indotta dalla V , si trova che:

G 

L L 

 1 Q q x W N L

Q q x W N invece che: d d , max A

1 , max

d d A 2

ME-C-14 Dispositivi a Semiconduttore - A.A. 2008/2009

Indicando con f il rapporto fra la carica realmente indotta dalla polarizzazione di gate e

quella teorica, si può dimostrare che:

 

r 2 x

Q   con r raggio di curvatura delle regioni

     j

j , max

d

d 1

f 1 1 1

  di source e drain

Q L r

 

d j

La nuova tensione di soglia vale quindi:

f Q

    d

2

V V

t FB F C SiO

2

Velocità di saturazione

Quando il campo elettrico nel canale

5

supera i 10 V/cm, la corrente di drain è

limitata dalla velocità di saturazione dei

portatori. In questo caso è spesso utilizzato

il modello:  

Q

   

n v W Q v W C V V v

I A

D , sat sat n sat ox GS t sat

d

ME-C-15 Dispositivi a Semiconduttore - A.A. 2008/2009

Controllo della tensione di soglia

Il controllo della tensione di soglia nelle varie regioni di un circuito integrato è fondamentale per:

1) evitare che nelle zone di semiconduttore sottostanti le interconnessioni metalliche possano

manifestarsi fenomeni di inversione; 2) ottenere MOSFET a canale p e a canale n con V

t

simmetriche. Nel primo caso si usano ossidi di campo molto spessi. Nel secondo caso occorre

modificare le proprietà del semiconduttore nella zona di canale.

Infatti: Q Q con V sempre

       

d d FB

2

V V 2

V V

t , n FB P minore di 0

t , p FB N

C C

SiO SiO

2 2

Quindi si ha agevolmente V < 0, mentre V > 0 richiede una |V | adeguatamente piccola.

t,p t,n FB

 16 -3

| | , e per N >10 cm si può avere

Aumentando il drogaggio si ottiene l’aumento del termine A

P

 1 V. Per contro si determina l’aumento delle capacità parassite (di svuotamento) e tensioni

V

t,n

di breakdown relativamente basse.

In alternativa si può sfruttare il body-effect (ma questo costringe a prevedere più di una

alimentazione nel circuito) o modificare le proprietà del silicio solo in superficie, mediante

impiantazione ionica di atomi accettori.

q D

   I

V 2

con D (dose impiantata per cm ) > 0 per donori, < 0 per accettori

I

t C ox

ME-C-16 Dispositivi a Semiconduttore - A.A. 2008/2009

MOSFET SOI (Silicon-on-insulator)

S D

gate p-Si

+

N Si +

N Si

SiO

2

Si

- drastica riduzione delle capacità parassite S-B e D-B

- drastica riduzione delle correnti di leakage

- notevole complicazione tecnologica

- scarsa dissipazione di calore verso il substrato

ME-C-17 Dispositivi a Semiconduttore - A.A. 2008/2009

Silicio (cristallino) su isolanti

SOITEC (F)

ME-C-18 Dispositivi a Semiconduttore - A.A. 2008/2009

Modello SPICE del MOSFET Level 1

      

V V V

2 2

t FB F F CB

 

 

     

V 2 V 2

to F CB F

    

V V 2 2

dove: to FB F F

 

   

V VTO GAMMA PHI V PHI

t CB

in cui: VTO tensione di soglia con V =0

CB

 q N

2 Si A

GAMMA = C ox

PHI = 2 =2V ln(N /n )

F T A i

ME-C-19 Dispositivi a Semiconduttore - A.A. 2008/2009

 

 2

 

W C V

 

n ox D 

 V V V per V > V

GS t D 

L 2 GD t

I D   

W C  2

n ox V V per V < V

GD t

GS t

L

2 ' 2

  V

  DS

V V V

 

 GS t DS

W KP (1+ LAMBDA V ) 2

DS

I D  

LD

L - 2  2

V V

GS t

2

LD = lateral diffusion

LAMBDA = channel lenght modulation (di cui non abbiamo tenuto conto nel nostro modello)

 C

KP = n ox

ME-C-20 Dispositivi a Semiconduttore - A.A. 2008/2009


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Atreyu

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DESCRIZIONE DISPENSA

In questo materiale didattico relativo alla determinazione della tensione di soglia Vt vengono trattati i seguenti argomenti. Effetti della carica nell'ossido e all'interfaccia. Determinazione della lunghezza di Deby. Caratteristica corrente-tensione del MOSFET (o IGFET). Debole polarizzazione di Drain. Media polarizzazione di Drain. Elevate polarizzazioni di Drain e pinch-off. Considerazioni del secondo ordine sul MOSFET. Silicio (cristallino) su isolanti. Modello SPICE del MOSFET Level 1. MESFET (Metal Semiconductor FET). HEMT (High Electron Mobility Transistor). Two Dimensional Electron Gas (2DEG).


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea magistrale in ingegneria elettronica
SSD:
A.A.: 2011-2012

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Atreyu di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Dispositivi elettronici a semiconduttore e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Mediterranea - Unirc o del prof Della Corte Francesco Giuseppe.

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