8/18/2019 mos cmos

1/13

LECCIÓN 9DISPOSITIVOS METAL/ÓXIDO/SEMICONDUCTOR (MOS / MIS)

1) INTRODUCCIÓN. DIAGRAMAS DE BANDAS DE LOS DISPOSITIVOS MOS

Las estr!tras "eta# / $%&' /se"&!'!tr (MOS) "eta# / a&s#ate /se"&!'!tr (MIS) s #a *ase 'e a +ra ,ar&e'a' 'e '&s-s&t&,s tat aa#$+&!s!" '&+&ta#es 'e +ra &"-rta!&a te!#$+&!a (tras&stres ET0MOS "e"r&as

 -r!esa'res et!).

La &+ra "estra #as"a+&t'es *2s&!as a teer e!eta e e# es3e"a 'e *a'as'e '&!4s '&s-s&t&,s.0 El trabajo de extracción 

 -te!&a# 'e &&5a!&$ 'e# "eta#'e# "eta# (ΦM)6 '&ere!&a 'eeer+7a etre e# &,e# 'e# ,a!7 8e# &,e# 'e er"& 'e# "eta#.0 La banda prohibida 'e# $%&'"!4 "2s +ra'e 3e #a 'e#se"&!'!tr (101: eV e e#!as 'e# S&O:).0 La afinidad electrónica  'e#se"&!'!tr (χM) 6 '&ere!&a'e eer+7a etre e# &,e# 'e# ,a!7

8 e# "7&" 'e #a *a'a 'e!'!!&$ 'e# se"&!0'!tr0 La banda prohibida 'e# se"&!'!tr.0 E# trabajo de extracción 'e#se"&!'!tr 3e ser2

 -r$%&" a s a&&'a'e#e!tr$&!a se es 'e t&- a#a a&&'a' e#e!tr$&!a "2s #a

 *a'a -r4&*&'a s& es 'e t&- -.

BANDA PLANA

La s&+&ete &+ra"estra e# es3e"a 'e *a'as'e MOS &'ea# e!'&!&es 'e *a'a -#aa e#as 3e s-e"s 3e #s&,e#es 'e er"& 'e# "eta# 8 e#se"&!'!tr !&!&'e.

E ase!&a 'e -#ar&5a!&$ e%tera e e#

se"&!'!tr 4a*r2 a'&str&*!&$ 4"+;ea 'e

S-n

EFSEFM

ΦM

χS

M

ΦS

Metal Óxido Semiconductor  

S-n

EFSEFM

ΦM

χS

M

ΦS

O

MOS IDEAL (Banda Plana) ΦM = ΦS

eΦi

8/18/2019 mos cmos

2/13

 -rta'res 8 4a*r2 !ar+a e &+a 'e #as &tera!es (

8/18/2019 mos cmos

3/13

&er&r a (a-r%&"a'a"ete) e# -te!&a# Φ& '&ere!&a etre e# &,e# 'e er"& 8 e#!etr 'e #a *a'a -r4&*&'a.

INVERSIÓN DE PORTADORES

La s&+&ete &+ra "estrae# es3e"a 'e *a'as 'e# MOS!a' a-#&!a"s a tes&$e+at&,a a# "eta# 3e re-e#e #se#e!tres 'e #a &tera5 $%&' /se"&!'!tr. E# &,e# 'e er"&se 'es-#a5a 4a!&a e# !etr 'e #a

 *a'a -r4&*&'a. E #a 5a 'e#se"&!0'!tr -r$%&"a a '&!4a&tera5 se r"a a zona deagotamiento (carga de espacio)

! a 'es&'a' 'e !ar+a.

S-n

EFS

EFM

M

O

MOS -n IDEAL EN IN"E,SIÓN "'$"#*Φi

"'$+

++++

+

e"

+++++

8/18/2019 mos cmos

4/13

:) CAPACIDAD DE UN DISPOSITIVO MOS

La &+ra "estra e#es3e"a 'e *a'as 'e '&s-s&t&, MOS &'ea# a

!&erta tes&$ 'e -#ar&5a!&$V.

Las !ar+as a a"*s #a's 'e#a&s#ate est2 '&str&*&'as se+="estra #a s&+&ete &+ra 'e"aera 3e #a !ar+a >M  es-er&!&e 'e# "eta# e !ta!t! e# $%&' 'e*e ser &+a# a #a!ar+a e #a 5a 'e a+ta"&et'e# se"&!'!tr.

E# !a"- 8 e# -te!&a#e#;!tr&!s e e# '&s-s&t&, ,ar7ase+= #a s&+&etes &+ras. E#

 -te!&a# tta# a-#&!a' se'&str&*8e etre e# $%&' 8 e#se"&!'!tr6

 s

aS S ox W eN V V V V 

ε :

:

=+=

Pr tat 8 'a' 3e #a !a7'a'e -te!&a# e e# '&s-s&t&,est2 '&str&*&'a etre e# $%&' 8e# se"&!'!tr #as!a-a!&'a'es !rres-'&etesest2 as!&a'as e ser&e6

S ox MOS 

  C C C 

111+=

8/18/2019 mos cmos

5/13

La !a-a!&'a' 'e# $%&' a# tratarse 'e a&s#ate ser2 (-r &'a' 'e s-er&!&e)6C%?ε%/'%.Para !a#!#ar #a !a-a!&'a' as!&a'a a #a !ar+a e e# se"&!'!tr es e!esar& res#,er #a e!a!&$ 'e P&ss6

[ ])()()(:

:

 x p xn N e x

dx

V d  A

 s s

+−−−=−=

ε ε 

 ρ 

E !a'a -t #a !!etra!&$ 'e e#e!tres 8 4e!s 'e-e'er2 'e# -te!&a# V(%) 8 s&s-e"s 3e 4a8 'e+eera!&$6

+−−−=

  −kT 

eV 

 pkT 

eV 

 p A

 s

e pen N e

dx

V d 99:

:

ε 

Esta e!a!&$ '&ere!&a# -e'e &te+rarse "#t&-#&!a' -r 'V6

dV e pen N e

dV dx

V d kT 

eV 

 pkT 

eV 

 p A

 s

+−−−=

  −

99:

:

ε 

O*te&;'se #a s&+&ete e!a!&$6

Cteee

kT  pe

e

kT nV  N 

e

dx

dV kT 

eV 

 pkT 

eV 

 p A

 s

+

−−−−= 

  

     −

99

:

:

1

ε 

Para 'eter"&ar #a !state 'e &te+ra!&$ &"-e"s #a 'e 3e e e# #7"&te 'e #a 5a

'e a+ta"&et a!"#a!&$ e# !a"- 8 e# -te!&a# s #s (99   ===   V  E W  x )6

Ctee

kT  p

e

kT n

e p p

 s

+

+−−=

  999

ε 

# 3e s -er"&te *teer e# ,a#r 'e# !a"- e#;!tr&!6

( )

   

  

 −−  

 

  

 −−−−== 

  

     −

11)(:

1

:

199

:

:

kT 

eV 

 pkT 

eV 

 p A

 s

ee

kT  pe

e

kT nV  N 

e x E 

dx

dV 

ε 

S& t"a"s e# ,a#r 'e# !a"- e #a &terase 8 a-#&!a"s e# tere"a 'e Gass

S 

S Q E ε 

=)( *tee"s6

   

  

 −+  

 

  

 −+=  

 

  

    −11

:

199

:

kT 

eV 

 pkT 

eV 

 p s A

 sS 

S S  s

ee

kT  pe

e

kT nV  N 

eQ

ε ε 

8 #a !ar+a tta# -r &'a' 'e s-er&!&e e e# se"&!'!tr e !&$ 'e# -te!&a# 'es-er&!&e6

8/18/2019 mos cmos

6/13

   

  

 −+  

 

  

 −+=

  −11

:99

kT 

eV 

 pkT 

eV 

 p s A

 s

 sS 

S  s

ee

kT  pe

e

kT nV  N 

eQ

ε ε 

A -art&r 'e esta e!a!&$ res#ta &"e'&at *teer #a !a-a!&'a' -r &'a' 'e

s-er&!&e 'e #a 5a 'e !ar+a e e# se"&!'!tr6

   

  

 −+  

 

  

 −+

   

  

 −+

==−

−

11:

:

:

99

99

kT 

eV 

 pkT 

eV 

 p s A

 s

kT 

eV 

 pkT 

eV 

 p A

 s

 s

S 

S S 

S  s

S  s

ee

kT  pe

e

kT nV  N 

e

e pen N e

dV 

dQC 

ε 

ε ε 

P'e"s a4ra -art&!#ar&5ar a !a'a a 'e #as s&ta!&es ater&r"ete 'es!r&tas.

0 A!"#a!&$ (VS @ )

kT 

eV  p s

S kT 

eV 

 p sS 

S S 

ekT 

 peC ekT  pQ   :

9

:

:9

::

++==

  ε 

ε 

La !a-a!&'a' !re!e e%-e!&a#"ete ! #a tes&$.

0 A+ta"&et (:Φ& VS )

S 

 A s

S 

 A

 s

 sS S  A

 s

 sS V  N e

V  N eC V  N eQ

::1::   ε 

ε ε 

ε ε    ===

La !a-a!&'a' '&s"&8e a# a"etar VS.

0 I,ers&$ (VS:Φ&)

kT 

eV  p s

S kT 

eV 

 p sS 

S S 

ekT 

neC ekT nQ   :

9

:

:9

::

ε ε    ==

0 Ba'a -#aa (VS?)

La sst&t!&$ '&re!ta 'ar7a ,a#r &'eter"&a' -r # 3e a-#&!a"s #a e!a!&$ -ara -te!&a# VS@@T6

   

  

    

  +−+ 

  

  

    

  ++

   

   −−++

=:

9

:

9

99

:

1

:

1::

)1()1(:

kT 

eV 

kT 

eV 

e

kT  p

kT 

eV 

kT 

eV 

e

kT nV  N 

e

kT 

eV  p

kT 

eV n N 

e

C 

 s s

 p

 s s

 p s A

 s

 s p

 s p A

 s sS 

ε 

ε ε 

A-#&!a' #a e!a!&$ 'e etra#&'a' 'e# se"&!'!tr e e3&*r& t;r"&! (N A?- -0 -) 8 re!r'a' #a e%-res&$ 'e #a #+&t' 'e De*8e6

8/18/2019 mos cmos

7/13

 D

 s

 s

 p

 s

 s p

 s

 s p

 s sS 

 L

e

kT  p

kT 

eV 

e

kT  p

e

kT 

eV  p

e

C   ε 

ε 

ε 

ε 

ε ε    ==

   

  

=

:

9:

9

9

:

1::

:

C" era 'e es-erar e !'&!&es 'e *a'a -#aa e# !a"- s# -eetra e e#se"&!'!tr 4asta a '&sta!&a 'e #a s-er&!&e 'e# r'e 'e #a #+&t' 'e De*8e.C!&'a #a !tr&*!&$ 'e# se"&!'!tr -'e"s !a#!#ar #a !a-a!&'a' 'e#'&s-s&t&, MOS6

S ox MOS    C C C 

111 +=

0 A!"#a!&$ e &,ers&$ (CS  COX)

ox

oxox MOS 

d C C   ε 

==

La !a-a!&'a' 'e# MOS es !state e &+a# a #a 'e# $%&'.

0 Ba'a -#aa (CS  COX)

 DoxoxS 

S ox MOS 

S 

 D

ox

ox

 MOS    Ld C 

 Ld 

C    ε ε 

ε ε 

ε ε    +=+=

1

0 A+ta"&et (CS @ COX)

S  MOS  C C    ≈

C ests !2#!#s -re,&s #a 'e-e'e!&a 'e #a !a-a!&'a' 'e# MOS ! #a tes&$ ser7a#a 3e "estra #a !r,a B e #a s&+&ete &+ra6

E# 4e!4 'e 3e te+a"s 3e '&st&+&r etre B (*aa re!e!&a) 8 (a#tare!e!&a) est2 re#a!&a' ! #a res-esta 'e #s -rta'res "a8r&tar&s 8

8/18/2019 mos cmos

8/13

"&r&tar&s. E a!"#a!&$ #a !ar+a s-er&!&a# es 'e -rta'res "a8r&tar&s -r #3e #a !ar+a a!"#a'a ,ar7a r2-&'a"ete ! #as ,ar&a!&es 'e# !a"-. I+a# s!e'ee a+ta"&et 8a 3e *2s&!a"ete #a !ar+a se a!"#a a# ret&rarse a!er!arse #s

 -rta'res "a8r&tar&s.La s&ta!&$ es "8 '&erete e &,ers&$ 8a 3e #a 5a 'e &,ers&$ est2 se-ara'a 'e

#a 5a etra -r a 5a 'e a+ta"&et. A *aa re!e!&a #s -rta'res"&r&tar&s -e'e ser atra7's a #a s-er&!&e 'es'e #a 5a etra 'es'e #a 5a 'e!ar+a 'e es-a!& "e'&ate "e!a&s"s 'e +eera!&$ t;r"&!a 8 #a !a-a!&'a' 'e# MOS!&!&'e ! #a 'e# $%&'. A a#ta re!e!&a 4a8 t&e"- -ara atraer #s -rta'res"&r&tar&s a #a s-er&!&e 8 #a !a-a!&'a' 'e# MOS 3e'a *#3ea'a e #a !a-a!&'a' 'e#a 5a 'e !ar+a 'e es-a!& ta# !" "estra #a s&+&ete &+ra6

T'a #a tes&$ !t&a a-#&!a'a !ae e #a 5a 'e &,ers&$ -r # 3e #a 5a 'ea+ta"&et se "at&ee a -art&r 'e VS?:Φ& a a tes&$ !state 8 #a !a-a!&'a' ,ar7a. E a+ta"&et e &,ers&$ ';* e# MOS se !"-rta !" a &$ -0a*r-ta 8 e# -te!&a# s&+e a #e8 !a'r2t&!a6

 s

 AS S 

W eN V 

W 

 xV  xV 

ε :1)(

::

=   

   −=

La a!4ra "2%&"a !rres-'e -es a# ,a#r 'e V S  a# 3e e"-&e5a #a &,ers&$(VS?:Φ&)6

 A

i s

 A

S  s

 MAX 

eN eN 

V W 

  Φ==

  ε ε    F:

E# ,a#r 'e VS  -e'e est&"arse a -art&r 'e #as e!a!&es 'e #a esta'7st&!a 'e e#e!tres8 4e!s6

i

 A F iiSMAX 

n

 N 

e

kT  E  E V    #:)(::   =−=Φ=  

 A

i A s

 MAX  N e

n N kT W 

:

)/#(Fε =

E# ,a#r "7&" 'e #a !a-a!&'a' 'e# se"&!'!tr ser2  MAX  s s   W C    /ε =   8 #a 'e# MOS6

 MAX  soxox

ox

 MOS 

S 

 MAX 

ox

ox

 MOS    W d C 

W d 

C    )/(

1

ε ε 

ε 

ε ε    +=+=

8/18/2019 mos cmos

9/13

.0 CONDUCTANCIA DE UN CANAL DE INVERSIÓN6 TRANSISTOR ET0MOS

U 'e #s '&s-s&t&,s "2s &"-rtates 'er&,a's 'e #a estr!tra MOS es e# tras&str 'e ee!t 'e !a"- ET0MOS es3e"at&5a' e #as &+ras. S*re sstrat 'e t&- -se +eera 's 5as 'e t&- (#a ete S 8 e# s"&'er D). E e# es-a!& etre a"*as

se 'e-s&ta a !a-a 'e $%&' 8 s*re e##a !ta!t "et2#&! (#a -erta G).

E ase!&a 'e -#ar&5a!&$ 'e #a -erta etre S 8 G #a res&ste!&a es "8 a#ta -r tratarse 'e 's &es -0 e -s&!&$. Ca' G se -#ar&5a ! a tes&$ -s&t&,ase +eera a !a-a 'e &,ers&$ e #a &terase 3e -e e !ta!t e#;!tr&! #a ete 8e# s"&'er ! a !'!ta!&a -r-r!&a# a #a tes&$ 'e -erta. P'e"s!a#!#ar '&!4a !'!ta!&a. S-+a"s 3e #a 5a 'e &,ers&$ t&ee a #+&t' l a a!4ra a 8 +rsr '. La !'!ta!&a ser26

l 

dane

l 

daG   µ σ    ==

C" # 3e !!e"s es #a 'es&'a' 'ee#e!tres -r &'a' 'e s-er&!&ee%-resa"s #a !'!ta!&a e !&$ 'e'&!4as 'es&'a' n s !" )(#&" 9 nd n→ 6

( )   S ox

oxS d    V 

d l 

a

l 

ane

l 

and eG

  ε  µ  µ  µ    ===   →9

La !rr&ete ete s"&'er I SD ser2

 DS 

ox

ox DSD   V V 

ed l aeGV  I    ε  µ ==

La &+ra "estra #a re-reseta!&$ 4a*&ta# 'e #as !ara!ter7st&!as IDS(VSD) -ara'&eretes tes&es 'e -erta =tes e s a-#&!a!&$ !" a"-#&&!a'r 'e a#ta&"-e'a!&a 'e etra'a ('e*&' a# a&s#a"&et e#;!tr&! etre #a -erta 8 #s trster"&a#es).

E# tras&str ET0MOS sa' e r;+&"e 'e satra!&$ !rte es ta"*&; #a *ase 'e#s !&r!&ts *&esta*#es sa's e e#e!tr$&!a '&+&ta# e "e"r&as 8 -r!esa'res.

S

%D

"%=$"D

n n

ID=$

S

%D

"%#$"D

n nanal de in.eri/n n

ID

"D

ID

"%0

"%*

"%1

"%2

8/18/2019 mos cmos

10/13

F.0 TIEMPO DE ALMACENAMIENTO6 DISPOSITIVOS CCD

Ua 'e #as "2s &"-rtates a-#&!a!&es 'e #as estr!tras MOS s #s'&s-s&t&,s CCD ('&s-s&t&,s 'e a!-#a"&et -r !ar+a 'e !ar+as a!-#a'as). La

 *ase !s&ste e 4a!er tra*aar MOS e !'&!&es 'e &,ers&$ e%tre"a fuera de

equilibrio !" 'e-$s&t 'e !ar+as.Ca' MOS se -e e!'&!&es 'e &,ers&$ e%tre"a (a e #a&+ra) se tar'a !&ert t&e"- e a#!a5ar e# e3&*r& (b e #a &+ra). Para !a#!#ar ese t&e"- es e!esar&!s&'erar !"se +eera #s -rta'res 3e ,a ar"ar #a 5a 'e &,ers&$ a -art&r 'ea tra"-a s&ta'a e e# !etr 'e #a

 *a'a -r4&*&'a. S& s-es 3e e#t&e"- 'e !a-tra -ara e#e!tres 8

4e!s -r #a tra"-a es e# "&s" #a,e#!&'a' 'e re!"*&a!&$ ser26

 pnn

n pn 

i

i

C    ++−

=:

1  :

τ 

Ca' e# MOS se -#ar&5a a!&erta tes&$ 'e &,ers&$ #s -rta'ress arrastra's era 'e #a 5a 'e !ar+a'e es-a!& -r # 3e - 8 ser2 "!4"eres 3e &  8 3e'ar2 C in    τ :/−=

# 3e s&+&&!a 3e #a 5a 'e &,ers&$tar'ar2 e !rearse t&e"- 'e# r'e 'e

iC  A AS  n N   N    /:/   τ  τ     ==  .

Para e# s&!& -r ese t&e"- -e'e ##e+ar a ser 'e ,ar&s "&ts -r # 3e 'rate ese t&e"- (t&e"- 'ea#"a!ea"&et) e# MOS -#ar&5a' se!"-rta !" -5 'e -te!&a# ee# 3e -e'e a#"a!earse !at&'a'es'eter"&a'as 'e !ar+a +eera'as -r &8e!!&$ -r "&a!&$. Esta es #a *ase 'e #s'&s-s&t&,s CCD (! e #a &+ra).

La s&+&ete &+ra stra a a-#&!a!&$ t7-&!a 'e CCD e #a 3e !&erta !ar+ase tras&ere 'e -5 'e -te!&a# a tr.

a) Esta -arte 'e #a &+ra "estra #a ,ar&a!&$ te"-ra# 'e #as tes&es 3e 4a83e a-#&!ar a #s e#e!tr's A 8 B 's CCDs !t&+as -ara traser&r !&erta !ar+ae#e!tr$&!a 'e# CCD A a# CCD B. O*,&a"ete t's #s t&e"-s 4a 'e ser &er&resa# t&e"- 'e a#"a!ea"&et ates 'e&&'.

 *) Para t@t1 #a !ar+a est2 a!"#a'a e e# CCD A 3e a# estar e &,ers&$ es -5 'e -te!&a# -ara e#e!tres (ta# !" "estra !)

8/18/2019 mos cmos

11/13

') Para t1@ t@t1H τ1 se a-#&!a a tes&$ V1 a *. I&!&a#"ete e# -5 B es "2s -r' 8 #a !ar+a e"-&e5a a ser traser&'a 'e A a B.

e) E# -te!&a# e B e"-&e5a a s*&r a# &r ##e2'se 'e e#e!tres -r # 3e t1H τ1 @t@t1H τ2  se ,a 'es-#ar&5a' e# CCD A -ara ter"&ar #a trasere!&a.

) Para tt1H τ2 #a !ar+a se 4a traser&' !"-#eta"ete 'e A a B.

8/18/2019 mos cmos

12/13

.0 TRANSISTORES MNOS (Meta#/N&trr/Ó%&'/Se"&!'!tr)

La &+ra "estra e# es3e"a 'e a estr!tra MNOS ("eta#/&trr/$%&'/se"&!'!tr) 3e -e'e !&ar !" "e"r&a ,#2t. Se *asa e #a

 -s&*&'a' 'e a#"a!ear !ar+as e #a &terase etre 's !a-as a&s#ates (&trr 'e

s&!&/$%&' 'e s&!&). Ese a#"a!ea"&et es -s&*#e -r3e e #s a&s#ates e#t&e"- 'e re#aa!&$ 'e Ma%Je## es "8 #ar+.

a) Pr!es 'e es!r&tra e a "e"r&aMNOS6 a# a-#&!ar a tes&$ -s&t&,a a#"eta# e#e!tres 'e# se"&!'!tr 

 -asa (-r ee!t t=e#) 'e #a 5a 'ea!"#a!&$ e #a &terase O0S a #astra"-as 'e e#e!tres e #a &terase N0S''e -e'e -er"ae!er 'ratet&e"-s "8 #ar+s (aKs &!#s).

 *) Me"r&a a!t&,a'a6 #s e#e!tres &se #a &terase N0O re-e#e a #se#e!tres 8 atrae a #s 4e!s 'e#se"&!'!tr 'a' #+ar a a 5a'e &,ers&$.

!) Pr!es 'e *rra'6 Ua tes&$e+at&,a a-#&!a'a a# "eta# 4a!e 3e #se#e!tres 'e #as tra"-as seatraser&'s a# se"&!'!tr.

') Me"r&a 'esa!t&,a'a6 a# 'esa-are!er #a !ar+a e+at&,a e #a &terase N0O #se#e!tres ,e#,e a r"ar a 5a 'ea!"#a!&$ e #a &terase O0S.

8/18/2019 mos cmos

13/13

Para !,ert&r este '&s-s&t&, e tras&tr es e!esar& 'tar 'e 's 5as -a# '&s-s&t&, a a"*s #a's 'e# !aa# !'!t ! 's !ta!ts e#;!tr&!ss-#e"etar&s (ete 8 s"&'er) ta# !" "estra #as s&+&ete &+ras.

E #a -r&"era &+ra #a "e"r&a est2 'esa!t&,a'a 8 etre #a ete 8 e# s"&'er -asa !rr&ete (4a8 's &es -0 e -s&!&$).

E #a se+'a #a "e"r&a est2 a!t&,a'a 8 'e*&' a# !aa# 'e &,ers&$ #ares&ste!&a etre #a ete 8 e# s"&'er es "8 -e3eKa.

S& se !e!ta a res&ste!&a "!4 "2s +ra'e 3e #a 'e# !aa# 'e &,ers&$etre #a a#&"eta!&$ 8 e# s"&'er e e# -r&"er !as #a tes&$ VD ser2 #a 'ea#&"eta!&$ (e# tras&str est2 e !rte6 !&r!#a !rr&ete). Pr e# !trar& e #a#se+'a #a tes&$ ser2 -r2!t&!a"ete !er (e# tras&tr est2 e satra!&$ 6 !&r!#a

!rr&ete etre #a ete 8 e# s"&'er). Estas s&ta!&es !rres-'er7a a #s ,a#res1 8 s& ese tras&str se t&5a !" *&t 'e "e"r&a.