9. 9
Quando a tensão no gate for maior do que a tensão de
threshold, VG > Vt, surge uma camada de inversão de
elétrons sob o gate, a qual podemos visualizar no
diagrama de banda de energia através do
EFM
EFSM
EV
EC
qVg
M O S
qVox
10. 10
encurvamento da banda próximo à interface, e o nível
de Fermi no metal abaixa ainda mais, com relação ao
diagrama apresentado para a condição de threshold.
EFM
EFSM
EV
EC
qVg
M O S
qVox
11. 11
Como VG é positivo, as bandas de energia, no
semicondutor e no óxido, exibem uma inclinação
ascendente.
EFM
EFSM
EV
EC
qVg
M O S
qVox
21. 21
A carga de depleção corresponde à carga devido a
largura máxima da região de depleção, que é negativa,
porque é devido à íons aceitadores negativos.
28. 28
qψs
EFM
EFSM
EV
EC
qVg
M O S
qVox
Podemos admitir que elétrons aparecerão na camada
de inversão, sempre que a proximidade entre Ec e Ef , na
interface, sugerem a sua presença.
31. 31
Sabemos que no MOSFET de canal-n, com o substrato
tipo-p não existe doadores no material.
32. 32
Então pode nos parecer um pouco confuso o
aparecimento desse canal de inversão.
33. 33
Uma forma de explicarmos esses elétrons é através do
fenômeno de geração térmica.
34. 34
Lembre-se que, em semicondutores, há sempre alguns
pares elétron-lacuna sendo gerados por excitação
térmica em qualquer instante.
35. 35
Elétrons são criados na região de depleção, são
capturados pelo campo elétrico, e são varridos até a
extremidade do gate.
36. 36
Além disso, em um dispositivo MOS real existem duas
regiões tipo-n, e seria relativamente fácil para elétrons
de uma região, ou de ambas, "cair" no poço de
potencial sob o gate, e criar uma camada de inversão de
elétrons.
37. 37
Em resumo, nesta situação, dizemos que no dispositivo
formou-se uma camada de inversão de elétrons sob o
gate, e esta camada de elétrons conecta as duas
regiões tipo-n do dispositivo, e é responsável pelo
fenômeno de condução de corrente no MOSFET.
38. 38
Em outras palavras, os elétrons de inversão são
fornecidos pelas junções n+ do MOSFET.
substrato tipo-p
tipo-n+
tipo-n+
Metal
Óxido
Semicondutor
39. 39
A camada de inversão pode ser visualizada como uma
camada n muito fina, consequentemente, o termo
inversão, refere-se à inversão do tipo de condutividade
da superfície.
substrato tipo-p
tipo-n+
tipo-n+
Metal
Óxido
Semicondutor
40. 40
O transistor MOS como mostrado abaixo é uma estrutura
mais versátil para se estudar o sistema MOS do que o
capacitor MOS.
substrato tipo-p
tipo-n+
tipo-n+
substrato tipo-p
tipo-n+
tipo-n+
substrato tipo-p
tipo-n+
tipo-n+
Vg Vg > Vt Vg > Vt
- - - - - -
41. 41
O comportamento da superfície de inversão é melhor
compreendido, considerando-se a junção p-n de reserva
do capacitor MOS, para suprir a carga de inversão.
substrato tipo-p
tipo-n+
tipo-n+
substrato tipo-p
tipo-n+
tipo-n+
substrato tipo-p
tipo-n+
tipo-n+
Vg Vg > Vt Vg > Vt
- - - - - -
42. 42
... E pode ser pensada também como uma camada fina
tipo-n.
substrato tipo-p
tipo-n+
tipo-n+
substrato tipo-p
tipo-n+
tipo-n+
substrato tipo-p
tipo-n+
tipo-n+
Vg Vg > Vt Vg > Vt
- - - - - -
44. 44
O transistor de substrato tipo-p opera em um circuito
integrado com Vg oscilando (swinging) entre zero e
uma tensão de alimentação positiva.
45. 45
Para tornar o projeto de circuito mais fácil, é rotineiro
definir Vt em um valor positivo pequeno, por exemplo,
0.4 V, de modo que, em Vg = 0, o transistor não tenha
nenhuma camada de inversão, e corrente não flua
entre as duas regiões tipo n+.
46. 46
Um transistor que não conduz corrente em Vg = 0 é
chamado em inglês de
ENHANCEMENT TYPE DEVICE
ou dispositivo do tipo enriquecimento ou
intensificação,
Termos usuais na literatura científica brasileira.
47. 47
O valor de Vt pode então ser obtido com um gate n+ e
uma conveniente concentração de dopagem Na no
substrato, simplesmente usando-se a equação obtida
48. 48
Se o dispositivo de substrato tipo-p fosse pareado com
um gate tipo p+, Vt seria muito grande, acima de 1 V, e
necessitaria de uma alta tensão de alimentação.
49. 49
O que levaria a um grande consumo de energia e muita
geração térmica.
51. 51
Em resumo,
i. um corpo ou substrato tipo-p é rotineiramente
pareado com um gate tipo n+ para se obter uma
pequena tensão de threshold positiva, e
ii. um corpo ou substrato tipo-n é rotineiramente
pareado com um gate tipo p+ para se obter uma
pequena tensão de threshold negativa.
54. Regimes de operação no MOS - Revisão
As condições de operação no MOS dependem do
potencial VG aplicado ao contato de metal com
respeito ao nível de Fermi do semicondutor aterrado
Metal
Óxido
SemicondutorVG
Nota: Sempre em nossas apresentações,
chamamos de Metal o eletrodo de gate, que
pode ser metal, ou silício policristalino.
54
55. Regimes de operação no MOS
Para entendermos os diferentes modos de polarização
de um MOS nós consideramos três faixas de tensão:
55
56. Regimes de operação no MOS
Para entendermos os diferentes modos de polarização
de um MOS nós consideramos três faixas de tensão:
Esses regimes são chamados:
• Abaixo da tensão de flat-band, Vfb
• Entre Vfb e Vt,
• E maiores que Vt.
VG < Vfb
Vfb < VG < Vt
VG > Vt
Vfb Vt
Acumulação Depleção Inversão
56
57. Acumulação
Ocorre quando se aplica uma tensão VG < Vfb.
Neste caso, apenas uma pequena quantidade de
encurvamento de banda no semicondutor, ψs, é
necessária para acumular a carga de acumulação, de
modo que quase toda a variação de potencial
encontra-se dentro do óxido, Vox = VG.
Vfb Vt
Acumulação Depleção Inversão
57
58. Depleção
Ocorre quando se aplica uma tensão Vfb < VG < Vt.
Em geral, as cargas móveis no semicondutor são
empurradas pela tensão no gate, e uma região de
depleção se forma no semicondutor, se estendendo
desde a interface óxido-semicondutor até uma largura
Wdep dentro do semicondutor.
Vfb Vt
Acumulação Depleção Inversão
Wdep
58
59. Inversão
Ocorre quando se aplica uma tensão VG > Vt.
Quando há um aumento adicional na tensão de gate os
portadores minoritários excedem os portadores
majoritários e dizemos que o MOS está operando no
regime de inversão.
Vfb Vt
Acumulação Depleção Inversão
Wdep
59
60. Regimes de operação no MOS
Vfb Vt
Acumulação Depleção Inversão
GATE ÓXIDO SUBSTRATO Tipo-p
EFM
EFSM
EV
EC
M O S
qVg < qVfb
qVox
qψs
χSiO2
ϕM
EFM
EFSM
EV
EC
ϕsχSi
M O S
E0
qVg = qVfb
EFM
EFSM
EV
EC
qVg
M O S
qVox
EFM
EFSM
EV
EC
qVg
M O S
qVox
Acumulação
VG < Vfb
Flat-band
VG = Vfb
Depleção
Vfb < VG < Vt
Inversão
VG > Vt
60
61. Usando-se considerações de polarização análogas ao de
um MOS de substrato tipo-p, obtenha também o
diagrama de banda de energia do MOS de substrato
tipo-n para cada regime de polarização.
GATE ÓXIDO SUBSTRATO Tipo-n
Exercício
61
62. 62
Em seguida, tendo já estudado em detalhes os
regimes de polarização do capacitor MOS, na próxima
apresentação, iremos estudar a característica C-V do
MOS.