Föreläsning 11 – (MOS)-Fälteffekttransistor I Geometri Grundläggande funktion Utarmning / svag inversion / stark inversion Tröskelspänning 2018-11-20 Föreläsning 11, Komponentfysik 2014

Inlämningsuppgift 2 – deadline idag! 𝑛= 𝑁 𝐶 e E Fn − E C 𝑝= 𝑁 𝑣 e E V −E Fp 2018-11-20 Föreläsning 11, Komponentfysik 2014

Komponentfysik - Kursöversikt Bipolära Transistorer pn-övergång: kapacitanser Minnen: Flash, DRAM Optokomponenter MOSFET: strömmar pn-övergång: strömmar MOSFET: laddningar pn-övergång: Inbyggd spänning och rymdladdningsområde Dopning: n-och p-typ material Laddningsbärare: Elektroner, hål och ferminivåer Halvledarfysik: bandstruktur och bandgap Ellära: elektriska fält, potentialer och strömmar 2018-11-20 Föreläsning 11, Komponentfysik 2014

Fälteffekttransistor - nMOSFET, DC Mättnadsområdet Triod, Linjära området Vgs-VT = 4 V Vgs-VT = 3 V Vgs-VT = 2 V Vgs-VT= 1 V Vgs<VT IDS VDS > VGS-Vt + IG=0 VDS + VGS - - IDS 2018-11-20 Föreläsning 11, Komponentfysik 2014

Plattkondensator - Fälteffekt Kriterium för tröskelspänning: Metall Ugs=1V + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Ugs=0V Ugs=2V Ugs=3V P-typ halvledare Joniserade acceptoratomer (NA) Elektroner Hål 2018-11-20 Föreläsning 11, Komponentfysik 2014

Metal-Oxid-Semiconductor Field Effect Transistor LG UDS IDS Varför minskar strömökningen?? UDS 2018-11-20 Föreläsning 11, Komponentfysik 2014

Vad sätter tröskelspänningen? Vad sätter storleken på Uth? Vanlig kondensator: Fria elektroner (QN) i en nMOSFET Kapacitans plattkondensator (m-2): Vad sätter storleken på Uth? Halvledare: Fria laddningar: elektroner Fasta laddningar: joniserade dopatomer Oxidkapacitansen 2018-11-20 Föreläsning 11, Komponentfysik 2014

Repetition: Ferminivå och laddningsbärare EC EC EC EF Ei Ei Ei EF EF EV EV EV Ei ln(1)=0 𝑛= 𝑛 𝑖 exp 𝐸 𝐹 − 𝐸 𝑖 𝑘𝑇 = 𝑛 𝑖 exp −Φ 𝐹 𝑈 𝑡 𝑝= 𝑛 𝑖 exp 𝐸 𝑖 − 𝐸 𝐹 𝑘𝑇 = 𝑛 𝑖 exp Φ 𝐹 𝑈 𝑡 2018-11-20 Föreläsning 11, Komponentfysik 2014

Repetition: Laddning och elektrisk potential z dp -NA x U dp x E EC dp EV x 2018-11-20 Föreläsning 11, Komponentfysik 2014

Energiband för en nMOSFET – Vad sätter Uth? LG Halvledare EC UDS Metall Ei EF EV Oxid Positiv potential på Gaten – sänker Ef i metallen Isolatorn har stort bandgap – ingen ström . EF konstant i halvledaren z x 2018-11-20 Föreläsning 11, Komponentfysik 2014

Energiband för en nMOSFET – Utarmning LG Uox dp +UGS EC Uyta Ei EF +UGS EV pp=NA np<<pp<<NA z -NA x dp 2018-11-20 Föreläsning 11, Komponentfysik 2014

Energiband för en nMOSFET – intrinsisk yta LG Uox dp +UGS EC Uyta Ei EF +UGS EV np =pp =ni<<NA z -NA x dp 2018-11-20 Föreläsning 11, Komponentfysik 2014

Energiband för en nMOSFET – svag inversion LG Uox dp +UGS EC Uyta Ei EF +UGS EV z -NA x dp 2018-11-20 Föreläsning 11, Komponentfysik 2014

Energiband för en nMOSFET – stark inversion: UGS=UTH LG Uox dp +UGS UDS EC Uyta Ei FF EF FF EV +UGS Många fria laddningar vid ytan! z -NA x dp 2018-11-20 Föreläsning 11, Komponentfysik 2014

Stark inversion: UGS>UTH Uox Uox Uyta Uyta EC Ei FF FF EF EV z z -NA -NA x x dp dp 2018-11-20 Föreläsning 11, Komponentfysik 2014

Fria laddningar för UGS > UTH : QN LG dp EC Uyta Ei EF EV +UGS Efter stark inversion: dp konstant QN: Fria elektroner vid ytan z För UGS > Uth! -NA x QN dp 2018-11-20 Föreläsning 11, Komponentfysik 2014

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 2018-11-20 Föreläsning 11, Komponentfysik 2014

Stark inversion - Sammanfattning: UGS=UTH Oxid-kapacitans per area: (F/m2) Tröskelspänning (V) 2018-11-20 Föreläsning 11, Komponentfysik 2014

Föreläsning 11, Komponentfysik 2014 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? 2018-11-20 Föreläsning 11, Komponentfysik 2014

Föreläsning 11, Komponentfysik 2014 Nästa Vecka Jag är i Frankrike tills onsdag kväll. Föreläsningen på onsdag hålls av Dr. Guntrade Roll Ingen föreläsning på fredag 16. Karneval för er. European Research Council ansökan för mig. 2018-11-20 Föreläsning 11, Komponentfysik 2014

Föreläsning 11, Komponentfysik 2014 Sammanfattning Uth: Tröskelspänning (V) Ei – intrinsisk ferminivå (~mitten av bandgapet) (eV) FF: skillnad mellan Ei och EF långt från ytan (V) Cox: Oxidkapacitans (F) Cox’: Oxidkapacitans / area (F/m2) QN’: laddningar / area (C/m2) 2018-11-20 Föreläsning 11, Komponentfysik 2014