Chapitre 7 - wiki.epfl.ch 07... · PDF file- Transistors bipolaires - Transistors...

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  • Transistor MOS

    Introduction

    Jonction Mtal/Oxyde/Semiconducteur

    Diode MOS idale

    Diode MOS relle

    MOSFET principe

    MOSFET courant drain

    Effets dune grille courte

    MOS ultime

    Chapitre 7

    Jonction mtal-semiconducteur

    Diode Schottky

    MESFET

    Transistor MODFET/HEMT

    Transistor Quantique

    Transistor MESFET

    Science et gnie des matriaux, Romuald Houdr - 2006 /2007

    1

  • Plan du cours1. Introduction

    - Caractristiques physiques des semiconducteurs

    - Quels Matriaux pour quel type dapplications

    2. Proprits lectroniques des semiconducteurs

    - Structure de bandes

    - Statistiques doccupation des bandes

    - Proprits de transport

    - Processus de recombinaison

    3. Jonctions et interfaces

    - Jonctions mtal/semi-conducteurs

    - Jonction p-n lquilibre, Jonction p-n hors-quilibre

    4. Composants lectroniques

    - Transistors bipolaires

    - Transistors effet de champ

    - Dispositifs quantiques

    - Nouveaux matriaux

    5. Composants optolectroniques

    - Dtecteurs

    - Diodes lectroluminescentes

    - Diodes lasers

    - Lasers mission par la surface

    - Lasers cascade quantique

    1/3bases

    1/3transport

    1/3optique

    2

  • Histoire: de la triode au transistor

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

    Triode: Courant entre cathode et anode fonction de la temprature de la cathode et de la diffrence de potentiel

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

    Lorsque la grille est un potentiel ngatif par rapport la cathode barrire rduit le flux d'lectrons.

    La puissance ncessaire pour modifier la tension de la grille est trs faible par rapport la variation de tension anode provoque par la variation de la tension grille, c'est ce qui explique les facults amplificatrice de la triode.

    3

  • Transistor filire matriau

    4

  • Transistor filire matriau

    5

  • Le transistor MOS

    Comment faire varier la rsistivit du matriau par une action extrieure?

    TRANSISTOR UNIPOLAIRE

    6

  • SemiconducLe transistor MOS

    +

    ++

    +

    +

    +

    +

    ++

    +

    ++

    +

    +

    +

    + +

    ++

    +

    +

    +

    ++

    ++

    ++ +

    ++

    ++

    +

    +

    +

    ++

    ++

    +

    +

    +

    ++

    ++

    +

    +

    ++

    +

    +

    +

    +

    +

    ++

    ++

    +

    +

    +

    ++

    ++

    +

    +

    R =l

    s

    + + +++ +

    +++

    +

    + +

    + ++

    +++ +

    + ++

    +

    ++ +

    + +++ +

    + +

    ++

    ++ +

    + ++

    ++

    + +++

    +

    ++

    ++

    ++

    ++ +

    + ++

    +

    ++

    + ++

    +

    R s

    R

    7

  • Transistor MOSJonction Mtal/Oxyde/Semiconducteur

    Diode MOS: q m,s: travail de sortie du mtal ou du semiconducteur

    q : affinit lectronique du semiconducteur

    cas idal m- s = q m- (-q +Eg/2+q B) = 0

    8

  • QS = -qNAW avec W la largeur de la zone dplte

    Jonction Mtal/Oxyde/Semiconducteur

    Diode MOS: effet dune polarisation

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

    Accumulation de charges positives (trous) linterface SiO2/silicium

    pp = ni exp(Ei-EF)/kT do Ei-EF

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

    Courbure des bandes vers le bas et la concentration en trous diminue, (Ei-EF)

    Dpltion des porteurs majoritaires

    Type p

    9

  • Jonction Mtal/Oxyde/Semiconducteur

    Diode MOS: effet dune polarisation

    Quand la tension positive augmente encore un peu plus, EF croise Ei ce

    qui induit des charges ngatives linterface

    np = ni exp(EF-Ei)/kT

    do np>ni et pp

  • Jonction Mtal/Oxyde/Semiconducteur

    11

  • Jonction Mtal/Oxyde/Semiconducteur

    Equation de Poisson

    avec

    etc....

    Aperu

    12

  • Jonction Mtal/Oxyde/Semiconducteur

    Structure de bande

    Distribution des charges

    Diode MOS idale

    13

  • Jonction Mtal/Oxyde/Semiconducteur

    Diode MOS relle: SiO2-Si

    Dans le cas dune jonction relle, le travail de sortie du mtal diffre de celui du semiconducteur: m- s 0

    (Il y a aussi des charges dans loxyde et linterface)

    Courbure des bandes mme sans polarisation

    14

  • Jonction Mtal/Oxyde/Semiconducteur

    Diode MOS relle: SiO2-Si

    Un des mtaux les plus utiliss est laluminium. Son travail de sortie est de 4.1 eV

    Un autre matriau trs rpandu est le silicium poly cristallin dop n+ ou p+ (4-5eV)

    Noter que la diffrence de travail de sortie entre le mtal et le semiconducteur dpend de la concentration de ce dernier

    15

  • m-

    s

    (V

    )

    -0.4

    0.0

    -0.8

    0.4

    0.8

    Jonction Mtal/Oxyde/Semiconducteur

    Diode MOS relle: SiO2-Si

    Evolution de la diffrence de travail de sortie pour laluminium et le poly-silicium en fonctoin du dopage du semiconducteur

    16

  • Transistor MOS (MOSFET)

    1er MOSFET: 1960 - 2O m de grille (L) - 100 nm doxyde (d)

    n-MOSFET - substrat de type p- rgions de type n+ (source et drain)

    p-MOSFET - substrat de type n- rgions de type p+ (source et drain)

    17

  • Transistor MOS (MOSFET)Principe de fonctionnement

    Silicium P

    Zone disolation

    n+

    n+

    S D

    G

    Aucun courant ne passe car jonction pn en inverse

    Source DrainV. Grille > V. Seuil

    En rgime dinversion, apparition dun plan de charge (lectrons) permettant le passage du courant

    18

  • Caractristiques lectriques

    Source DrainV. Grille > V. Seuil

    La tension de la grille contrle le courant entre source et drain

    Le transistor MOS

    19

  • Transistor MOS (MOSFET)Principe de fonctionnement

    Si VD faible, le courant augmente avec la

    tension: rgime linaire (V = RcanalI)

    (conductance cte)

    Quand la tension VD augmente,le nombre

    dlectrons dans la couche dinversion diminue et la conductance du canal est plus faible. La variation du courant est alors sous linaire. Rgime de pincement atteint pour VD(sat)

    Quand la tension VD est suprieure VD(sat) et pour des longueurs de grille importantes, le courant est constant.

    Admettre

    20

  • Transistor MOS (MOSFET)Caractristiques statiques

    Courant dans le rgime linaire

    ID= (Z/L) nC0(VG-VT)VD

    C0= ox/d

    VT: tension seuil de grille

    Courant dans le rgime de saturation

    ID(sat)= (Z/L) nC0(VG-VT)2/2

    21

  • Transistor MOS (MOSFET)Diffrents types de MOSFET

    22

  • Le transistor MOS

    Objectif: rduire la taille

    23

  • Silicon Nanowire TransistorsInstitute of Standards and Technology (NIST), USA 12/2005

    24

  • 25

  • MOS grille courte

    Percement (Drain induced barrier lowering- DIBL)

    26

  • MOS sur SOI

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

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

    27

  • - Meilleures performances- Plus grande intgration

    Actualit: le SOI se dveloppe

    2006: SOITEC (Benin-Grenoble) signe un contrat de 150 millions de dollars avec AMD

    28

  • Transistor MOS double grille

    29

  • Transistor MOS ultime

    30

  • Transistor MESFET

    Jonction mtal-semiconducteur

    Avant mise en contact

    Aprs mise en contact

    Type n

    q Bn = q( m- ) hauteur de barrire linterface mtal-SC

    31

  • Jonction mtal-semiconducteur

    q Bn = q( m- )

    Vbi = Bn - Vn avec Vn = EC-EF

    Etats de surface

    Cas o m > S

    32

  • Jonction mtal-semiconducteur

    V = 0

    V > 0

    V < 0

    33

  • Jonction mtal-semiconducteur

    Champ lectrique max: Em = qNDW/

    Vbi V = EmW/2 (E = - grad V)

    W = [2 (Vbi V)/qND]1/2 largeur de la zone dplte

    Charge QSC = qNDW = [2q ND(Vbi V]1/2

    34

  • Jonction mtal-semiconducteur

    Diode Schottky

    V = 0 V > 0

    Si V>0, le courant est J = JSexp(qV/kT -1)

    Nb lectrons pouvant franchir la barrire Bn n = NC exp(-q Bn/kT)

    Bn Bn

    35

  • Jonction mtal-semiconducteur

    Diode Schottky

    V = 0 V > 0 V < 0

    Note: contact ohmique la hauteur de barrire est faible

    36

  • Jonction mtal-semiconducteur

    Diode Schottky

    Barrire leve Barrire faible

    Contact ohmique

    37

  • Jonction mtal-semiconducteur

    Transistor MESFET (metal semiconductor field effect transistor)

    38

  • Transistor MESFET

    39

  • ISat = (Z e /2aL)(VG-VT)2

    Courant drain

    Transistor MESFET

    Caractristiques statiques

    40

  • transistors normalement On et Off

    Transistor MESFET

    41

  • Transistor MESFET

    Frquence de coupure

    Fonctionnement en frquence

    ft = vs/2 L

    o vs est la vitesse de saturation

    1/temps pass sous la grille

    42

  • Transistor MODFET/HEMT

    Htrojonctions et Gaz bi-dimensionnel dlectrons

    - Jonction entre deux semiconducteurs diffrents

    - Pour de faibles dopages