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

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Jonction Mtal/Oxyde/Semiconducteur

Structure de bande

Distribution des charges

Diode MOS idale

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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

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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

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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

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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)

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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

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Caractristiques lectriques

Source DrainV. Grille > V. Seuil

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

Le transistor MOS

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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

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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

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Jonction mtal-semiconducteur

q Bn = q( m- )

Vbi = Bn - Vn avec Vn = EC-EF

Etats de surface

Cas o m > S

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Jonction mtal-semiconducteur

V = 0

V > 0

V < 0

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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

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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

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Jonction mtal-semiconducteur

Diode Schottky

V = 0 V > 0 V < 0

Note: contact ohmique la hauteur de barrire est faible

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Jonction mtal-semiconducteur

Diode Schottky

Barrire leve Barrire faible

Contact ohmique

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Jonction mtal-semiconducteur

Transistor MESFET (metal semiconductor field effect transistor)

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Transistor MESFET

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ISat = (Z e /2aL)(VG-VT)2

Courant drain

Transistor MESFET

Caractristiques statiques

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transistors normalement On et Off

Transistor MESFET

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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

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Transistor MODFET/HEMT

Htrojonctions et Gaz bi-dimensionnel dlectrons

- Jonction entre deux semiconducteurs diffrents

- Pour de faibles dopages