Föreläsning 11 – (MOS)-Fälteffekttransistor I

En presentation över ämnet: "Föreläsning 11 – (MOS)-Fälteffekttransistor I"— Presentationens avskrift:

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

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

3 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 Föreläsning 11, Komponentfysik 2014

4 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 Föreläsning 11, Komponentfysik 2014

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

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

7 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 Föreläsning 11, Komponentfysik 2014

8 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 Föreläsning 11, Komponentfysik 2014

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

10 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 Föreläsning 11, Komponentfysik 2014

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

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

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

14 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 Föreläsning 11, Komponentfysik 2014

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

16 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 Föreläsning 11, Komponentfysik 2014

17 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 11, Komponentfysik 2014

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

19 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? Föreläsning 11, Komponentfysik 2014

20 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. Föreläsning 11, Komponentfysik 2014

21 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) Föreläsning 11, Komponentfysik 2014