Introduktion till halvledarteknik

Innehåll –6 Övergångar (pn och metal-halvledare) 2:a ordningens effekter Metal-halvledar övergångar –6 Fälteffekttransistorer JFET och MOS transistorer Ideal MOS kapacitans Verklig MOS kapacitans MOS-transistorn ”strömekvation” (L7) MOS-transitorn ”överföringsekvation” (L7) MOS-transitorn kanal mobilitet (L7) Substrat bias effekt (L7)

Övergångar (pn och metal-halvledare) 2:a ordningens effekter Rekombination och generation i spärrskiktet Ohmska förluster ”serieresistans”

Övergångar (pn och metal-halvledare) Rekombination och generation i spärrskiktet Rekombinationsfälla i bandgapet. I backriktning fungerar den som ett generationscentra (b) Termisk generation “band till band” I neutral region (a)

Övergångar (pn och metal-halvledare) Diode-ekvationen modifieras för ta hänsyn till effekten av rekombinationsströmmar. Detta görs med att införa en idealitetesfaktor n som är 1 för diffusionströmmar(ideala diodekvationen) samt 2 för rekombinationströmmar. Vanligen är n mellan 1 och 2 Backströmmen modifieras för att ta med generationströmmar (genererade av rekombinationsfällor) för en p + n diod blir I 0 ’, där första termen beror av diffusion och den andra generation i utarmningsområdet. Denna läckström stämmer bättre med verkligheten för kisel dioder Generationslivstiden i utarmningsområdet Minoritetsbärarlivstiden i neutrala n området

Övergångar (pn och metal-halvledare) Ohmska förluster ”serieresistans” R p och R n är serie resistans i neutrala områden på p resp n sidan V a är pålagd spänning och V är den spänning som verkar direkt på pn-övergången.

Metal-halvledar övergångar, likriktande Vakuumenergi nivå Obs viktigt med rena ytor vid deponering av metall

Metal-halvledar övergångar, likriktande

Metal-halvledar övergångar, likriktande, bias

Metal-halvledar övergångar, ohmsk, n- substrat

Metal-halvledar övergångar, ohmsk, p- substrat

Metal-halvledar övergångar, ohmsk, tunnling Även om det är en barriär mellan metall och halvledare går det att göra en bra ohmsk kontakt genom att hård dopa under metallen så att tunnling uppstår Om metallen har hög barriär höjd mot n-typ, så har den med största sannolikhet lågbarriär höjd mot p-typ. Undantag finns sk Fermilevel pinning

Fälteffekttransistorer (FET) Junction-FETMetal-oxid-halvledar-FET

Junction-FET (strypning av kanalen och mättnad) När drain spänningen ökar backspänns gate/ drain övergången. Utarmingsområdet breder ut sig och stryper kanalen, Id slutar öka och blir konstant. Jmf med en konstantsströmsgenerator

Junction-FET (Gate kontroll) Med ändrad gate spänning kan nivån på mättnads strömmen styras. För en p + n diod gäller a L När w=a, är precist utarmad har vi nått pinchoff spänning Obs, övergången bör ej framspännas

Junction-FET (ström-spännings karakteristik, lång kanal) Strömmen i ett tvärsnitt orsakat av ett Spänningfall

Junction-FET (ström-spännings karakteristik, lång kanal) Gäller upp till V p

Junction-FET (ström-spännings karakteristik, lång kanal) Vid mättnad gäller Verifierad experimentellt

Kort kanals effekter Med en kort kanal ökar det elektriska fältet och ladningsbärarna når mättnadshastighet

MOS-transistorn Spänning läggs på gaten som kapacitivt drar till sig elektroner för att bilda en ledande kanal Eller Utarmar kanalen för att spärra transistorn G

MOS-transistorn Mos transistor med ledande kanal (inversionslager) Begynnande strypning av kanalen med pålagd drainspänning Stark mättnad

Ideal MOS-kapacitans metall SiO 2 Halvledare Utträdesarbetet mäts från oxiden ledningsbandkant ”modifierad”

Ideal MOS-kapacitans Ackumulation hål samlas vid interfacet oxid halvledare Tiltning av ledningbandet vid pålagt elektriskt fält

Ideal MOS-kapacitans Utarmningsområde bildas närmast oxid/ halvledarinterfacet

Ideal MOS-kapacitans Inversion, ett lager av elektroner bildas vid oxid/ halvledarinterfacet

Ideal MOS-kapacitans, stark inversion n konc (inversion)=p dopningen i substratet Beskriver bandböjning f(x) Bandböjning vid interfacet, pga ytpotential Exempel 3-5

Ideal MOS-kapacitans Rymdladdningsdensitet som fkn av ytpotential

Ideal MOS-kapacitans, i inversion Lika många laddningar i metallen som i halvledaren OBS inga laddningar i oxiden i detta fall. I verkliga MOS strukturer finns alltid laddningar i oxiden

Ideal MOS-kapacitans, i inversion Inversions laddningen är ej inritad i figuren för elektriskt fält och potential Spänningsfallet över oxiden

Ideal MOS-kapacitans, i inversion metall SiO 2 Halvledare w W beräknas som om det vore en n + p-diod Maximal utarmning

Ideal MOS-kapacitans, i inversion Laddningen (beronde på fasta joniserade dopatomer) i utarmningsområdet vid stark inversion kan då skrivas:

Ideal MOS-kapacitans ”oxid” kapacitans i serie med utarmningskapacitans Mätning vid låga frekvenser (100Hz) Mätning vid höga frekvenser (1 MHz) d

Verkliga MOS Kapacitanser Ändring i utträdesarbetet metall SiO 2 Halvledare polykisel

Verkliga MOS Kapacitanser Laddningar i oxiden

Verkliga MOS Kapacitanser Skillnad i utträdesarbete mellan metall (polykisel) halvledare inverkar också på tröskelspänningen V T