Föreläsning 5 – Fälteffekttransistor II Tröskelspänning Beräkning av strömmen Storsignal, DC Kanallängdsmodulation Flatband-shift pMOSFET 15-04-08 Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

Elektrostatik: Laddning och elektrisk potential z dp -NA x U dp x E EC dp EV x 15-04-08 Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

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 15-04-08 Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

Energiband för en nMOSFET – Utarmning LG eUox dp +UGS EC eUyta Ei EF +eUGS EV pp=NA np<<pp<<NA z -eNA x dp 15-04-08 Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

Energiband för en nMOSFET – intrinsisk yta LG eUox dp +UGS EC eUyta Ei EF +eUGS EV np =pp =ni<<NA z -eNA x dp 15-04-08 Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

Energiband för en nMOSFET – svag inversion LG eUox dp +UGS EC eUyta Ei EF +eUGS EV z -eNA x dp 15-04-08 Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

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 15-04-08 Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

Stark inversion: UGS>UTH eUox eUox eUyta eUyta EC Ei eFF eFF EF EV z z -eNA -eNA x x dp dp 15-04-08 Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

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 15-04-08 Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

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 15-04-08 Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

Stark inversion - Sammanfattning: UGS=UTH Oxid-kapacitans per area: (F/m2) Tröskelspänning (V) 15-04-08 Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

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? 15-04-08 Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

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) 15-04-08 Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

Plattkondensator - Fälteffekt Metall Ugs=1V + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Ugs=0V Ugs=2V Ugs=3V P-typ halvledare Joniserade acceptoratomer (NA) Elektroner Hål 15-04-08 Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

Tröskelspänning – stark inversion Spänning över oxiden nyta=pp0=NA + - QN Spänning över halvledaren -eUth e2FF Laddning vid stark inversion: 15-04-08 Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

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++ 15-04-08 Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

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? 15-04-08 Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

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) 15-04-08 Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

Beräkning av ström – nMOS: Lång kanal (Lg>1µm) UGS Oxid UDS UGS UDS Kanal y 0<Ucs (y)<UDS Lös med: 15-04-08 Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

Ström och kanal – linjära området UDS=UGS-Uth Ugs<Uth UGS>Uth UGS>Uth+ UDS 15-04-08 Föreläsning 5, Komponentfysik 2015

Ström och kanal – mättnadsområdet UDS=UGS-Uth Pinch – off: IDS oberoende av UDS UDS>UGS-Uth UDS=UGS-Uth UDS<UGS-Uth 15-04-08 Föreläsning 5, Komponentfysik 2015