• Aucun résultat trouvé

Jonction Métal/Oxyde/Semiconducteur Diode MOS idéale

N/A
N/A
Info
Télécharger
Protected

Academic year: 2022

Partager " Jonction Métal/Oxyde/Semiconducteur Diode MOS idéale"

Copied!
51
0
0

Chargement.... (Voir le texte intégral maintenant)

Texte intégral

(1)

Transistor MOS

Introduction

Jonction Métal/Oxyde/Semiconducteur Diode MOS idéale

Diode MOS réelle MOSFET principe

MOSFET courant drain Effets d’une grille courte MOS ultime

Chapitre 7

Jonction métal-semiconducteur Diode Schottky

MESFET

Transistor MESFET

(2)

Plan du cours

1. Introduction

- Caractéristiques physiques des semiconducteurs - Quels Matériaux pour quel type d’applications 2. Propriétés électroniques des semiconducteurs

- Structure de bandes

- Statistiques d’occupation des bandes - Propriétés de transport

- Processus de recombinaison 3. Jonctions et interfaces

- Jonctions métal/semi-conducteurs

- Jonction p-n à l’équilibre, Jonction p-n hors-équilibre 4. Composants électroniques

- Transistors bipolaires

- Transistors à effet de champ - Dispositifs quantiques

- Nouveaux matériaux 5. Composants optoélectroniques - Détecteurs

- Diodes électroluminescentes - Diodes lasers

- Lasers à émission par la surface - Lasers à cascade quantique

1/3 bases

1/3 transport

1/3

optique

(3)

Histoire: de la triode au transistor

Le transistor à effet de champ a remplacé les tubes à vide (triode)

Triode:

Courant entre cathode et anode fonction de la température de la cathode et de la

différence de potentiel

On place une grille entre la cathode et l'anode.

Lorsque la grille est à un potentiel négatif par rapport à la cathode barrière réduit le flux d'électrons.

La puissance nécessaire pour modifier la

tension de la grille est très faible par rapport à

(4)

Transistor – filière matériau

(5)

Transistor – filière matériau

(6)

Le transistor MOS

Comment faire varier la résistivité du matériau par une action extérieure?

TRANSISTOR UNIPOLAIRE

(7)

Semiconduc

Le transistor MOS

+

+ + +

+

+ +

+ + +

+ + +

+ +

+ + + +

+ +

+

+ + + +

+ + +

+ + + +

+ +

+

+ + + +

+ +

+

+ +

+ + +

+

+ + +

+ +

+ +

+ + + +

+ +

+

+ + + +

+ +

R = l s

+ + +

+ + + + +

+ +

+ + + + + + + + + + + + +

+ + + + + +

+ +

+ +

+ +

+ + + + + + +

+ ++ + + +

+ +

+ +

+ +

+ + + + + + +

+ +

+ + + +

R s

R

(8)

Transistor MOS

Jonction Métal/Oxyde/Semiconducteur

Diode MOS:

q

m,s

: travail de sortie du métal ou du semiconducteur q : affinité électronique du semiconducteur

cas idéal

m

-

s

= q

m

- (-q +E

g

/2+q

B

) = 0

(9)

Jonction Métal/Oxyde/Semiconducteur

Diode MOS: effet d’une polarisation

V < 0 sur le contact métallique et avec semiconducteur de type p

Accumulation de charges positives (trous) à l’interface SiO

2

/silicium

p

p

= n

i

exp(E

i

-E

F

)/kT d’où E

i

-E

F

V > 0 sur le contact métallique et avec semiconducteur de type p

Courbure des bandes vers le bas et la

concentration en trous diminue, (E -E )

Type p

(10)

Jonction Métal/Oxyde/Semiconducteur

Diode MOS: effet d’une polarisation

Quand la tension positive augmente encore un peu plus, E

F

croise E

i

ce qui induit des charges négatives à l’interface

n

p

= n

i

exp(E

F

-E

i

)/kT d’où n

p

>n

i

et p

p

<n

i

Le nombre d’électrons (minoritaires) devient plus grand que le nombre de trous (majoritaires) régime

d’inversion

Régime de forte inversion: charges négatives Q

n

très localisées (1 à 10 nm)

Type p

(11)

Jonction Métal/Oxyde/Semiconducteur

(12)

Jonction Métal/Oxyde/Semiconducteur

Equation de Poisson

avec

etc....

Aperçu

(13)

Jonction Métal/Oxyde/Semiconducteur

Structure de bande

Distribution des charges

Diode MOS idéale

(14)

Jonction Métal/Oxyde/Semiconducteur

Diode MOS réelle: SiO

2

-Si

Dans le cas d’une jonction réelle, le travail de sortie du métal diffère de celui du semiconducteur:

m

-

s

0

(Il y a aussi des charges dans l’oxyde et à l’interface)

Courbure des

bandes même sans

polarisation

(15)

Jonction Métal/Oxyde/Semiconducteur

Diode MOS réelle: SiO

2

-Si

Un des métaux les plus utilisés est l’aluminium. Son travail de sortie est de 4.1 eV

Un autre matériau très répandu est le silicium poly cristallin dopé n+ ou p+ (4-5eV)

Noter que la différence de travail de sortie entre le métal et le semiconducteur dépend

de la concentration de ce dernier

(16)

m

-

s

(V)

-0.4 0.

0

-0.8 0.

4 0.

8

Jonction Métal/Oxyde/Semiconducteur

Diode MOS réelle: SiO

2

-Si

Evolution de la différence de travail

de sortie pour l’aluminium et le poly-

silicium en fonctoin du dopage du

semiconducteur

(17)

Transistor MOS (MOSFET)

1

er

MOSFET: 1960

- 2O m de grille (L)

- 100 nm d’oxyde (d)

n-MOSFET

- substrat de type p

- régions de type n+ (source et drain)

p-MOSFET

- substrat de type n

- régions de type p+ (source et drain)

(18)

Transistor MOS (MOSFET)

Principe de fonctionnement

Silicium P Zone

d’isolation n n +

+

S D

G

Aucun courant ne passe car jonction pn en inverse

Source V. Grille > V. Seuil Drain

En régime d’inversion, apparition

d’un plan de charge (électrons)

permettant le passage du courant

(19)

Caractéristiques électriques

Source V. Grille > V. Seuil Drain

Le transistor MOS

(20)

Transistor MOS (MOSFET)

Principe de fonctionnement

Si V

D

faible, le courant augmente avec la tension: régime linéaire (V = R

canal

I)

(conductance cte)

Quand la tension V

D

augmente,le nombre d’électrons dans la couche d’inversion

diminue et la conductance du canal est plus faible. La variation du courant est alors sous linéaire. Régime de pincement atteint pour V

D

(sat)

Quand la tension V

D

est supérieure à V

D

(sat) et pour des longueurs de grille

importantes, le courant est constant.

Admettre

(21)

Transistor MOS (MOSFET)

Caractéristiques statiques

Courant dans le régime linéaire I

D

= (Z/L)

n

C

0

(V

G

-V

T

)V

D

C

0

=

ox

/d

V

T

: tension seuil de grille

Courant dans le régime de saturation

I

D

(sat)= (Z/L)

n

C

0

(V

G

-V

T

)

2

/2

(22)

Transistor MOS (MOSFET)

Différents types de MOSFET

(23)

Le transistor MOS

Objectif: réduire la taille

(24)

Silicon Nanowire Transistors

Institute of Standards and Technology (NIST), USA 12/2005

(25)
(26)

MOS à grille courte

(27)

MOS sur SOI

Le substrat SOI permet la réalisation de transistors MOS plus performants (fort pouvoir bloquant et plus rapides)

La technologie SOI limite les courants de fuite dus au phénomène de percement

(28)

- Meilleures performances - Plus grande intégration

Actualité: le SOI se développe

2006: SOITEC (Benin-Grenoble)

signe un contrat de 150 millions de

dollars avec AMD

(29)

Transistor MOS à double grille

(30)

Transistor MOS ultime

(31)

Transistor MESFET

Jonction métal-semiconducteur

Avant mise en contact

Après mise en contact

Type n

(32)

Jonction métal-semiconducteur

q

Bn

= q(

m

- )

V

bi

=

Bn

- V

n

avec V

n

= E

C

-E

F

Etats de surface

Cas où

m

>

S

(33)

Jonction métal-semiconducteur

V = 0

V > 0

(34)

Jonction métal-semiconducteur

Champ électrique max: E

m

= qN

D

W/

V

bi

– V = E

m

W/2

(E = - grad V)

W = [2(V

bi

– V)/qN

D

]

1/2

largeur de la zone déplétée

(35)

Jonction métal-semiconducteur

Diode Schottky

V = 0 V > 0

Bn

Bn

(36)

Jonction métal-semiconducteur

Diode Schottky

V = 0 V > 0 V < 0

Note: contact ohmique la hauteur de barrière est faible

(37)

Jonction métal-semiconducteur

Diode Schottky

Barrière élevée Barrière faible

Contact ohmique

(38)

Jonction métal-semiconducteur

Transistor MESFET (metal semiconductor field effect transistor)

(39)

Transistor MESFET

(40)

I

Sat

= (Z

e

/2aL)(V

G

-V

T

)

2

Courant drain

Transistor MESFET

Caractéristiques statiques

(41)

transistors normalement « On » et « Off »

Transistor MESFET

(42)

Transistor MESFET

Fréquence de coupure

Fonctionnement en fréquence

f

t

= v

s

/2 L

où v

s

est la vitesse de saturation

1/temps passé sous la grille

(43)

Transistor MODFET/HEMT

Hétérojonctions et Gaz bi-dimensionnel d’électrons

- Jonction entre deux semiconducteurs différents

- Pour de faibles dopages ou à très petite échelle, la discontinuité est le

phénomène le plus important (=> notion de puits quantique)

- Semblable à une jonction p-n mais apparition de discontinuité de bandes due à la différence de bande interdite

BC

(44)

Comment:

Transistor MODFET/HEMT

Hétérojonctions et Gaz bi-dimensionnel d’électrons

But: obtenir une grande conductivité = nq μ

En gardant n grand et grand

- en dopant fortement pour avoir un grand n

n

N

D+

(45)

Transistor MODFET/HEMT

Gaz bi-dimensionnel d’électrons

Densité surfacique du gaz d’électrons:

10

12

cm

-2

pour GaAs

10

13

cm

-2

pour GaN

(46)

Transistor MODFET/HEMT

MODFET = Modulation Doped Field Effect Transistor HEMT = High Electron Mobility transistor

HFET (heterojunction field effect transistors)

TEGFET (two-dimensional electron gas field effect transistor)

(47)

Transistor MODFET/HEMT

Fréquence de coupure plus

élevée dans un HEMT que dans

un MOS ou un MESFET

(48)

Transistor « Quantique »

Diode à double barrière tunnel résonnant

(49)

Transistor « Quantique »

Diode à double barrière tunnel résonnant

Le courant ne passe que lorsque l’énergie des

électrons est égale à celle d’un niveau quantique entre les deux barrières

Peu d’effets capacitifs

fonctionnement à haute fréquence

(50)

Transistor à 1 électron

(51)

Fin de la partie composants électroniques suite:

composants optoélectroniques

Références

Télécharger maintenant ( PDF - 51 Page - 3.45 MB )

Documents relatifs

Formation et propriétés de l'interface métal-semiconducteur et de la barrière de Schottky

et de l’ancrage et montré que l’hypothèse d’une telle couche rendait bien compte de la faible dépendance de la barrière avec le travail de sortie du métal

TRANSITION MÉTAL-SEMICONDUCTEUR DANS LES COMPOSÉS Cr2S3-xSex ET Cr2+εSe3

- Nous avons mis en tvidence une transition mktal-semiconducteur like a la position des niveaux d par rapport B la bande de valence, position dkterminte par la nature

Simulation numérique des phénomènes transitoires d’une structure métal/semiconducteur à base de silicium amorphe hydrogéné

Nous avons représenté dans la figure(IV.31) la caractéristique courant-tension sous obscurité et sous lumière pour des valeurs de vitesse de recombinaison des trous à la

Nature cristallo-physico-chimique de l'interface entre un semiconducteur et son oxyde propre. II. — Une conception générale de l'interface semiconducteur-oxyde propre

peuvent être présentes dans la couche intermédiaire, de même que sur la frontière de cette couche avec le réseau cristallin du semiconducteur [20 à 23]. Ainsi les

Caractérisation électrique des interfaces métal-semiconducteur

Nous rappe- lons au paragraphe 4 quelques résultats obtenus par la méthode de Spectroscopie de Capacité Schottky (SCS) qui permet à partir de mesures de la

Résonances géantes à température finie

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des

Evaluation de la sûreté de fonctionnement des systèmes de sécurité - Application à la commande des postes à très haute tension

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des