Chapitre 7. Transistor MOS. Transistor MESFET Jonction métal-semiconducteur Diode Schottky MESFET Transistor MODFET/HEMT Transistor «Quantique»

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1 Transistor MOS Chapitre 7 Introduction Jonction Métal/Oxyde/Semiconducteur Diode MOS idéale Diode MOS réelle MOSFET principe MOSFET courant drain Effets d une grille courte MOS ultime Transistor MESFET Jonction métal-semiconducteur Diode Schottky MESFET Transistor MODFET/HEMT Transistor «Quantique» Science et génie des matériaux, Romuald Houdré /2007 1

2 Plan du cours 1/3 bases 1/3 transport 1/3 optique 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 2

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 la variation de tension anode provoquée par la variation de la tension grille, c'est ce qui explique les facultés amplificatrice de la triode. 3

4 Transistor filière matériau 4

5 Transistor filière matériau 5

6 Le transistor MOS TRANSISTOR UNIPOLAIRE Comment faire varier la résistivité du matériau par une action extérieure? 6

7 Le transistor Semiconduc MOS R = l s R s R 7

8 Transistor MOS Jonction Métal/Oxyde/Semiconducteur Diode MOS: q m,s : q : travail de sortie du métal ou du semiconducteur affinité électronique du semiconducteur cas idéal m - s = q m - (-q +E g /2+q B ) = 0 8

9 Jonction Métal/Oxyde/Semiconducteur Diode MOS: effet d une polarisation Type p 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 i -E F ) Déplétion des porteurs majoritaires Q S = -qn A W avec W la largeur de la zone déplétée 9

10 Jonction Métal/Oxyde/Semiconducteur Diode MOS: effet d une polarisation Type p 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) 10

11 Jonction Métal/Oxyde/Semiconducteur 11

12 Jonction Métal/Oxyde/Semiconducteur Aperçu Equation de Poisson avec etc... 12

13 Jonction Métal/Oxyde/Semiconducteur Diode MOS idéale Structure de bande Distribution des charges 13

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 14

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 15

16 Jonction Métal/Oxyde/Semiconducteur Diode MOS réelle: SiO 2 -Si 0. 8 Evolution de la différence de travail de sortie pour l aluminium et le polysilicium en fonctoin du dopage du semiconducteur 0. 4 m - s (V)

17 Transistor MOS (MOSFET) 1 er MOSFET: O m de grille (L) 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) 17

18 Transistor MOS (MOSFET) Principe de fonctionnement G S D n + Zone d isolation Silicium P n + 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 18

19 Caractéristiques Le transistor électriques MOS Source V. Grille > V. Seuil Drain La tension de la grille contrôle le courant entre source et drain 19

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) Admettre Quand la tension V D est supérieure à V D (sat) et pour des longueurs de grille importantes, le courant est constant. 20

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 21

22 Transistor MOS (MOSFET) Différents types de MOSFET 22

23 Le transistor MOS Objectif: réduire la taille 23

24 Silicon Nanowire Transistors Institute of Standards and Technology (NIST), USA 12/

25 25

26 MOS à grille courte Percement (Drain induced barrier lowering- DIBL) 26

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 27

28 Actualité: le SOI se développe 2006: SOITEC (Benin-Grenoble) signe un contrat de 150 millions de dollars avec AMD - Meilleures performances - Plus grande intégration 28

29 Transistor MOS à double grille 29

30 Transistor MOS ultime 30

31 Transistor MESFET Jonction métal-semiconducteur Type n Avant mise en contact Après mise en contact q Bn = q( m - ) hauteur de barrière à l interface métal-sc 31

32 Jonction métal-semiconducteur Cas où m > S q Bn = q( m - ) V bi = Bn - V n avec V n = E C -E F Etats de surface 32

33 Jonction métal-semiconducteur V = 0 V > 0 V < 0 33

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 Charge Q SC = qn D W = [2q N D (V bi V] 1/2 34

35 Jonction métal-semiconducteur Diode Schottky Bn Bn V = 0 V > 0 Nb électrons pouvant franchir la barrière Bn n = N C exp(-q Bn /kt) Si V>0, le courant est J = J S exp(qv/kt -1) 35

36 Jonction métal-semiconducteur Diode Schottky V = 0 V > 0 V < 0 Note: contact ohmique la hauteur de barrière est faible 36

37 Jonction métal-semiconducteur Diode Schottky Contact ohmique Barrière élevée Barrière faible 37

38 Jonction métal-semiconducteur Transistor MESFET (metal semiconductor field effect transistor) 38

39 Transistor MESFET 39

40 Transistor MESFET Caractéristiques statiques Courant drain I Sat = (Z e /2aL)(V G -V T ) 2 40

41 Transistor MESFET transistors normalement «On» et «Off» 41

42 Transistor MESFET Fonctionnement en fréquence Fréquence de coupure f t = v s /2 L où v s est la vitesse de saturation 1/temps passé sous la grille 42

43 Transistor MODFET/HEMT Hétérojonctions et Gaz bi-dimensionnel d électrons - Jonction entre deux semiconducteurs différents - Semblable à une jonction p-n mais apparition de discontinuité de bandes due à la différence de bande interdite - Pour de faibles dopages ou à très petite échelle, la discontinuité est le phénomène le plus important (=> notion de puits quantique) BC Eg1 Eg2 BV 43

44 Transistor MODFET/HEMT Hétérojonctions et Gaz bi-dimensionnel d électrons ND + n But: obtenir une grande conductivité = nqμ En gardant n grand et grand Comment: - en dopant fortement pour avoir un grand n - en séparant spatialement impuretés ionisées et porteurs 44

45 Transistor MODFET/HEMT Gaz bi-dimensionnel d électrons Densité surfacique du gaz d électrons: cm -2 pour GaAs cm -2 pour GaN ND + n 45

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) 46

47 Transistor MODFET/HEMT Fréquence de coupure plus élevée dans un HEMT que dans un MOS ou un MESFET 47

48 Transistor «Quantique» Diode à double barrière tunnel résonnant 48

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 49

50 Transistor à 1 électron 50

51 Fin de la partie composants électroniques suite: composants optoélectroniques 51