Föreläsning 5 – Fälteffekttransistor II

En presentation över ämnet: "Föreläsning 5 – Fälteffekttransistor II"— Presentationens avskrift:

1 Föreläsning 5 – Fälteffekttransistor II
Tröskelspänning Beräkning av strömmen Storsignal, DC Kanallängdsmodulation Flatband-shift pMOSFET Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

2 Elektrostatik: Laddning och elektrisk potential
z dp -NA x U dp x E EC dp EV x Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

3 Energiband för en nMOSFET – Vad sätter Uth?
LG Halvledare UDS EC Metall Ei EF EV Positiv potential på Gaten – sänker Ef i metallen Isolatorn har stort bandgap – ingen ström . EF konstant i halvledaren Oxid z x Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

4 Energiband för en nMOSFET – Utarmning
LG eUox dp +UGS EC eUyta Ei EF +eUGS EV pp=NA np<<pp<<NA z -eNA x dp Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

5 Energiband för en nMOSFET – intrinsisk yta
LG eUox dp +UGS EC eUyta Ei EF +eUGS EV np =pp =ni<<NA z -eNA x dp Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

6 Energiband för en nMOSFET – svag inversion
LG eUox dp +UGS EC eUyta Ei EF +eUGS EV z -eNA x dp Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

7 Energiband för en nMOSFET – stark inversion: UGS=UTH
LG eUox dp +UGS UDS EC eUyta Ei eFF EF eFF EV +eUGS Många fria laddningar vid ytan! z -eNA x dp Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

8 Stark inversion: UGS>UTH
eUox eUox eUyta eUyta EC Ei eFF eFF EF EV z z -eNA -eNA x x dp dp Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

9 Fria laddningar för UGS > UTH : QN
LG dp EC eUyta Ei EF EV +eUGS Efter stark inversion: dp konstant QN: Fria elektroner vid ytan z För UGS > Uth! -eNA x QN dp Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

10 Ackumulation – 2 minuter övning
Halvledare Halvledare EC EC Metall Ei Ei -eUGS EF EF EV EV Hur ser banden / laddningen ut om man lägger en negativ spänning på gaten? Oxid Oxid z z x x Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

11 Stark inversion - Sammanfattning: UGS=UTH
Oxid-kapacitans per area: (F/m2) Tröskelspänning (V) Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

12 Föreläsning 5, Komponentfysik 2015
Exempel NA=1023 m-3 0=8,8510-12 F/m ox=3,9 r=11,8 e=1,610-19 As tox=5 nm Beräkna UTH Vad är dp vid stark inversion? Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

13 Föreläsning 5, Komponentfysik 2015
Sammanfattning Uth: Tröskelspänning (V) Ut: termisk spänning: kT/e=25.8mV vid T=300K Ei – intrinsisk ferminivå (~mitten av bandgapet) (eV) eFF: skillnad mellan Ei och EF långt från ytan (V) Cox: Oxidkapacitans (F) Cox’: Oxidkapacitans / area (F/m2) QN’: laddningar / area (C/m2) Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

14 Plattkondensator - Fälteffekt
Metall Ugs=1V Ugs=0V Ugs=2V Ugs=3V P-typ halvledare Joniserade acceptoratomer (NA) Elektroner Hål Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

15 Tröskelspänning – stark inversion
Spänning över oxiden nyta=pp0=NA + - QN Spänning över halvledaren -eUth e2FF Laddning vid stark inversion: Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

16 Metal-Oxid-Semiconductor Field Effect Transistor
UGS = 0.2V UGS = 0.4V UGS = 1.0V Gate Source Drain Isolator – SiO2 P-typ semiconductor N++ N++ Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

17 Föreläsning 5, Komponentfysik 2015
2 minuters övning +UDS Isolator – SiO2 N++ N++ y=0 y=L y En nMOSFET är biaserad i mättnadsområdet. Vilket värde har dIDS(y)/dy mellan y=0 och y=L? Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

18 Fälteffekttransistor - nMOSFET - Geometri
Oxid Z Stark Inversion – DX tjockt ledande lager vid ytan Gate Source Drain Kanal x y L Z IDS VDS DX QN(y) Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

19 Beräkning av ström – nMOS: Lång kanal (Lg>1µm)
UGS Oxid UDS UGS UDS Kanal y 0<Ucs (y)<UDS Lös med: Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

20 Ström och kanal – linjära området
UDS=UGS-Uth Ugs<Uth UGS>Uth UGS>Uth+ UDS Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

21 Ström och kanal – mättnadsområdet
UDS=UGS-Uth Pinch – off: IDS oberoende av UDS UDS>UGS-Uth UDS=UGS-Uth UDS<UGS-Uth Föreläsning 5, Komponentfysik 2015