Composants Electroniques
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Plan ELE101 composants électroniques ELE101 composants électroniques Jonction Métal-Semiconducteur • T Travail il de d sortie ti – affinité ffi ité électronique él t i Composants Electroniques Travail de sortie : eΦm = NV - EF • • • • • • • • • • • e- libres dans le métal et sur le niveau de Fermi Î peuvent être extraits du métal avec l’apport d’1 E suffisante Introduction Affinité électronique q : eχ χ = NV - EC C Constitution tit ti de d la l matière tiè : de d l’électron l’él t à l’atome, l’ t de d l’atome l’ t au cristal i t l e- libres sur la BC dans SC et isolant Î peuvent être extraits du métal avec l’apport d’1 E suffisante Les matériaux : isolant, conducteur, semiconducteur Barrière de potentiel : EB = eΦm - eχ Semiconducteurs à l’équilibre l équilibre Si Métal et SC suffisamment proches Î Energie nécessaire pour que les e- passent du métal au SC Dynamique des électrons : Semiconducteurs hors équilibre Î Idem si 2 SC différents sont proches : EB = qeχ1 – eχ2 Dispositifs élémentaires : jonctions pn, pin et hétérojonction Dispositifs élémentaires : transistor bipolaire Métal Niveaux vides id BC Di Dispositifs itif élé élémentaires t i : transistor t i t à effet ff t de d champ h eΦm SC2 NV Futur : nanoélectronique q 147 C A eχ2 EC EB Niveaux pleins BC Jonction Métal-Semiconducteur SC1 eχ EFm Dispositifs optoélectroniques • SC NV Dispositifs élémentaires : jonctions MS et MIS EC2 eχ1 EB EC1 EV 148 C A ELE101 composants électroniques ELE101 composants électroniques Jonction Métal-Semiconducteur • T Travail il de d sortie ti – affinité ffi ité électronique él t i : quelques l matériaux té i I té êt : di Intérêt diode d Schottky S h ttk ou contact t t ohmique h i SC Métaux Métal eΦm(eV) Li 2.3 Simple IV Na 23 2.3 K 2.2 faible travail Rb 2.2 de sortie Cs 18 1.8 Fr 1.8 Cr 4.6 Fe 4.4 Ni 4.5 Composés III-V Al 4.3 fort travail Cu 4.4 de sortie Ag 4.3 Au 4.8 Pt 5.3 Composés II-VI eΦm varie i de d 1.8 18à5 5.3eV 3 V eχ varie de 3.5 à 4.95eV C A SC Si Ge AIP AlAs AlSb GaP GaAs GaSb InP InAs InSb ZnS ZnSe ZnTe CdS CdSe CdT CdTe SiO2 eχ(eV) χ( ) 4.01 4.13 3.44 3.5 3.6 4.3 4 07 4.07 4.06 4.38 4.9 4.59 3.9 4.09 3.5 4.5 4.95 4 28 4.28 1.1 Dépôt d’1 couche métallique sur 1 couche de SC Î contact pour récupérer le courant issu d’1 jonction eΦSC((eV)) 5.13 4.79 5.89 5.66 5.2 6.55 55 5.5 4.74 5.65 5.26 4.66 7.48 6.76 5.76 6.92 6.65 5 73 5.73 149 À la base de 2 dispositifs élémentaires : Contact ohmique : contact sur 1 SC Diode schottky : dispositif unipolaire Î 1 seul type de porteurs Î Pas de minoritaires en excès stockés Î Pas de capa de diffusion Î Commutation + rapide que diode PN Jonction Schottky : ¾ Dopage du semiconducteur < 1017 cm- 3 ¾ Structure du type « rectifiante » ¾ Comparaison avec une jonction PN C A I I Diode Schottky Contact ohmique Diode PN V V Contact ohmique : ¾ Dopage p g du semiconducteur > 1018 cm- 3 ¾ Caractéristique linéaire ¾ Résistance de contact 150 ELE101 composants électroniques Jonction Métal-Semiconducteur • ELE101 composants électroniques Jonction Métal-Semiconducteur • J Jonction ti SC-Métal SC Mét l : avantt contact t t Mi en contact Mise t t SC-Métal SC Mét l : cas Φm = ΦSC à l’é l’équilibre ilib Barrière de potentiel : EB = eΦm - qχ Î Structure des bandes au voisinage de l’interface dépend de la différence entre Φm et ΦSC 3 cas : • • • Φm = ΦSC Métal Alignement des niveaux de Fermi Diagramme des bandes identique si SC dopé N ou P SC NV nm=1022 à 1023 cm-3 eχ EFm dans la BC eΦSC Mise en contact sans échange d’e- entre SC et M eΦm EFSC dépend du dopage EB EFm EC EG EFSC Î Régime de bandes plates EV Métal SC NV Métal Φm > ΦSC SC NV eχ eΦm EFm Métal EC EFSC EG eΦm eχ SC NV eχ eΦSC EB Φm < ΦSC EFm eΦm eΦSC EB EFm EB eΦSC EG EC EV EG EC EFSC EV EFSC EV 151 C A ELE101 composants électroniques Jonction Métal-Semiconducteur • 152 C A Jonction Métal-Semiconducteur Mise en contact SC-Métal SC Métal : cas Φm > ΦSC à l’équilibre l équilibre • Mise en contact SC-Métal SC Métal : cas Φm > ΦSC à l’équilibre l équilibre • SC ttype P : ELE101 composants électroniques Alignement des niveaux de Fermi Î courbure des bandes à l’interface vers le haut Diagramme g des bandes différent selon dopage p g du SC Mise en contact avec passage d’e- du SC vers M Î accumulation d’e- dans le Métal, à l’interface • Apparition d’1 ZCE au voisinage de la jonction : diffusion des e- vers le Métal SC type N : Accumulation de t libres à l’interface l interface dans le SC Î charge d’espace d espace > 0 à l’interface l interface dans le SC Apparition d’1 zone déplétée au voisinage de la jonction : les e- qui ont atteint le Métal laissent une charge > 0 (Nd-) dans cette zone Dans cette ZCE : champ électrique et potentiel de diffusion VD à l’équilibre p électrique q et potentiel p de diffusion VD à l’équilibre q Dans cette ZD : champ Charge d’espace d espace relativement étalée à l’intérieur l intérieur du SC Î courbure des bandes NM >> NDSC Î Charge d’espace relativement étalée à l’intérieur du SC Î courbure des bandes ZCE : régime d’accumulation (de charges libres t à l’interface dans le SC) ZD : régime de déplétion (absence de charges libres, présence d’ ions > 0 à l’interface dans le SC) Métal SC Métal eχ eΦm EFm eΦSC EB eχ EC EFSC EG EB EFm NV eΦm eΦSC EC EFSC EFm NM C A et NDSC ≈1016 à EB eΦSC eVD EC EFSC eΦm EG EV SC ZCE EFm eχ eΦSC NV EC EG EFSC EV EV ≈1022cm-3 Métal NV eΦF EV SC eχ eVD eΦ’F eΦ eΦm Métal SC ZD NV 1018cm-3 153 C A 154 ELE101 composants électroniques Jonction Métal-Semiconducteur • ELE101 composants électroniques Jonction Métal-Semiconducteur • Mise en contact SC-Métal SC Métal : cas Φm < ΦSC à l’équilibre l équilibre Diagramme g des bandes différent selon dopage p g du SC • SC type P : Mise en contact avec passage d’e- du M vers SC Î déficit d’e- dans le Métal, à l’interface Apparition d’1 ZD au voisinage de la jonction : recombinaison des e- venant du Métal avec les t • Déplétion de t libres à l’interface dans le SC Î charge d’espace < 0 (Na-) à l’interface dans le SC Mise en contact SC-Métal SC Métal : cas Φm < ΦSC à l’équilibre l équilibre Alignement des niveaux de Fermi Î courbure des bandes à l’interface vers le bas SC type N : Apparition d’1 ZCE au voisinage de la jonction : les e- qui ont quitté le Métal s’accumulent dans cette zone Dans cette ZCE : champ électrique et potentiel de diffusion VD à l’équilibre Charge d’espace relativement étalée à l’intérieur du SC Î courbure des bandes p électrique q et potentiel p de diffusion VD à l’équilibre q Dans cette ZCE : champ ZD : régime de déplétion (absence de charges libres, présence d’ions < 0 à l’interface dans le SC) Charge d’espace relativement peu étalée à l’intérieur du SC Î courbure des bandes Métal ZCE : régime d’accumulation (charges libres e- à l’interface dans le SC) Métal SC Métal ZCE eχ eVD EB EFm EG eχ NV eΦSC EC EFSCEFm eχ Métal ZD SC NV NV eΦm SC SC eΦm eΦSC EG EV eΦSC eVD EB EFm eΦm NV eχ eΦSC EC eΦm EG EC EFSC EG EFSC EFm EV EC EFSC EFSC EV EV NM ≈1022cm-3 et NDSC≈1016 à 1018cm-3 155 C A 156 C A I = 0 ELE101 composants électroniques ELE101 composants électroniques Jonction Métal-Semiconducteur • Mise en contact SC-Métal SC Métal : cas Φm > ΦSC polarisée • Mise en contact SC-Métal SC Métal : cas Φm > ΦSC polarisée • SC type N : • SC type P : Barrière de potentiel M-SC constante qq soit la polarisation Tension SC-M < 0 : polarisation directe Zone isolante (vide de porteurs) à l’interface : tension localisée dans la ZCE Tension SC-M > 0 : polarisation inverse Tension SC-M < 0 : polarisation directe Pas de zone isolante (vide de porteurs) à l’interface : tension distribuée dans tout le SC abaissement de la barrière de potentiel SC-M Î les e- diffusent vers M Î création d’1 courant MÎSC A l’interface, l’arrivée ou le départ d’1 t dans le SC est tt de suite compensé par celui d’1 e- dans le métal Î le courant circule librement dans les 2 sens au contact Î utilisation pour contacter les couches de type P d’1 dispositif Tension SC-M > 0 : polarisation inverse augmentation de la barrière de potentiel SC-M Î pas de diffusion des e- Î pas de courant Métal Contact redresseur : diode schottky I SC -eV V eVD e(VD-V) Métal I I=0 eVD eV -V = VSC – VM < 0 eV -eV e(VD+V +V)+) EC(0) EFm SC Métal SC EC(-V) EFSC EC(0) EFm C A Contact ohmique Métal SC +eV EFm EC(V) EFSC EV(0) V = VSC – VM > 0 -V = VSC – VM < 0 157 I EFSC EV(-V) EFm C A EV(0) EFSC EV(+V) ( V) V = VSC – VM > 0 158 Jonction Métal-Semiconducteur ELE101 composants électroniques ELE101 composants électroniques Jonction Métal-Semiconducteur • Mise en contact SC-Métal SC Métal : cas Φm < ΦSC polarisée • Mise en contact SC-Métal SC Métal : cas Φm < ΦSC polarisée • SC type N : • SC type P : Tension SC-M < 0 : polarisation directe Zone isolante (vide de porteurs) à l’interface : tension localisée dans la ZCE Tension SC-M > 0 : polarisation inverse Tension SC-M < 0 : polarisation directe Pas de zone isolante (vide de porteurs) à l’interface : tension distribuée dans tout le SC augmentation de la barrière de potentiel SC-M Î pas de diffusion des t Î pas de courant Tension SC-M > 0 : polarisation inverse A l’interface, tout e- passe librement du SC au Métal, ou du Métal au SC Î le courant circule librement dans les 2 sens au contact Î utilisation pour contacter les couches de type N d’1 dispositif abaissement de la barrière de potentiel SC-M Î les t diffusent vers M Î création d’1 courant SCÎM Contact redresseur : diode schottky q Contact ohmique EC(-V) I EFSC Métal eV -eV I Métal +eV -V = VSC – VM < 0 Jonction Métal-Semiconducteur Jonction SC SC-Métal Métal : • Contact ohmique : EC(+V) EFSC V = VSC – VM > 0 159 EV(0) EFSC EV(0) EV(+V) V = VSC – VM > 0 160 ELE101 composants électroniques ELE101 composants électroniques Jonction Métal-Semiconducteur • Contact schottky : Φm < ΦSC : Métal – SC type P Contact schottky : champ et potentiel électriques dans la ZCE Φm > ΦSC : Métal – SC type N • Equation de poisson : Modèle unidimensionnel EFm 0<x<W : ρ(x) = eND SC ZCE eVD eχ eΦm ZCE vide de porteurs libres NV eΦSC EB EC EFSC X>W : ρ(x) = 0 et E(x) = 0 dx 2 Prise en compte d’états d’interface : Métal À l’équilibre l équilibre thermodynamique d 2 V(x) Φm > ΦSC : Métal – SC type N =- eN D εSC V(x) = - Si ces états ont des niveaux d’énergie situés dans le gap du SC Î Ils participent à l’échange de porteurs entre M et SC à l’interface E(x) = - EV ρ(x) dV(x) dx =- eN D (x - W) ε SC ⎞ eN D ⎛ x 2 ⎜ - Wx⎟ εSC ⎝ 2 ⎠ 0 V(x) VD W x x eN D 2 VD = V(W) - V(0) = W 2εSC Î Hauteur de la barrière de schottky dépend de la densité de ces états d’interface W= C A -eV EV(-V) C A Φm > ΦSC : Métal – SC type P • SC EFm -V = VSC – VM < 0 Φm < ΦSC : Métal – SC type N • Métal -eV EFm SC • EFSC EFm SC C A SC EC(0) EC(0) EFm I I=0 Métal 161 C A 2ε SC VD = eN ND 2ε SC (Φ M − Φ SC ) eN ND E(x) x EM EM = - eN D W ε SC 162 ELE101 composants électroniques Jonction Métal-Semiconducteur • • Contact schottky : capacité Jonction polarisée positivement : VM – VSC > 0 Barrière de potentiel = VD - V Largeur de la ZCE : W= 2ε SC (VD -V) eN D Contact schottky : courant à travers la jonction à l’équilibre l équilibre Φm > ΦSC : Métal – SC type N Courant du aux porteurs majoritaires : à l’interface l interface : émission thermoélectronique par dessus la barrière de potentiel et dans la ZCE : diffusion Î courant conservatif (ils sont identiques) Métal Charge dans la ZT : QSC = eN D WA = A 2eεSC N D ( VD -V ) J M → S C = A* T 2 e dQ (car <0) dV C=A où eεSC 1 ND 2 ( VD -V ) ⇔ Capa plan de surface A et d’épaisseur w : eχ EFm kT NV eΦSC EB ε A C = SC W (V) EC EFSC EV NV eχ EB EFm Courant d’émission thermoélectronique jonction polarisée : e VD ⎛ - e(VD - V) = A * T 2 ⎜e k T - e kT ⎜ ⎝ eV eVD VM - VSC=V>0 eΦ’b VM - VSC=V>0 eΦ’b EC(V) EFSC EC(0) EV(V) EV(0) 164 • Φm > ΦSC : Métal – SC type N eΦm EFm ELE101 composants électroniques Jonction Métal-Semiconducteur Contact schottky : courant à travers la jonction polarisée Barrière de potentiel M Î SC inchangée EB eVD C A ELE101 composants électroniques Abaissement de la barrière de potentiel SC Î M : VD – V eΦm Î eVD = eΦm - e ΦSC 163 Jonction polarisée positivement : VM – VSC > 0 NV h3 A* = constante de Richardson T = T° en K VD = potentiel de diffusion = barrière de potentiel côté SC C A Jonction Métal-Semiconducteur A* = 4 π e mn k 2 eχ Î Fonctionnement hautes fréquences : diodes détectrices ou mélangeuses de signaux J = J S C → M - J M →S C e VD Avec JMÎSC = JSCÎM Absence de charges stockées par les minoritaires dans la ZCE Î pas de capacité de diffusion - SC eVD V=0 Capacité de transition (dynamique) : • ZCE Courant d’émission thermoélectronique à l’équilibre : eΦ m Q M + QSC = 0 dQ C=dV ELE101 composants électroniques Jonction Métal-Semiconducteur EC(V) EFSC EC(0) Contact schottky : courant à travers la jonction polarisée : théorie de la diffusion Φm > ΦSC : Métal – SC type N Jonction polarisée positivement : VM – VSC > 0 Résolution de l’équation de diffusion dans la ZCE (présence de gradient de concentration + champ électrique) jn = e µ n n(x)E(x) + e Dn EV(V) EV(0) dn dx Î Courant de diffusion de la forme : ⎛ eV ⎞ J = J S d ⎜e k T - 1⎟ ⎝ ⎠ e VD ⎞ eV ⎟ = A* T2 e k T ⎛⎜e k T - 1⎞⎟ ⎟ ⎝ ⎠ ⎠ ⎛ ⎞ J = J S ⎜e k T - 1⎟ ⎝ ⎠ a v e c JS d ∝ e - e VD kT Expression identique à celle de la théorie d’émission thermoélectronique Courant conservatif Î courant diffusion = courant thermoélectronique AN : Métal/Si : e Φm - e ΦSC ≈ 0.6eV T = 300K ; A* A = 120 A.cm-2.K-2 ; ND = 1017 cm-3 Î JS = 4.10-4 A.cm-2 et W = 89nm On les considère en série et égaux : à ll’interface interface c’est c est le courant thermoélectronique et dans la ZCE c’est le courant de diffusion Jonction PN Si Î JS = 10-11 A.cm-2 et W > 100nm ¾ On devra appliquer une polarisation plus faible a courant constant ¾ Courant de fuite inverse plus élevé que pour une jonction PN C A 165 C A 166 ELE101 composants électroniques Jonction Métal-Semiconducteur • Jonction Métal-Semiconducteur • Contact schottky : courant du à l’effet l effet tunnel Si SC fortement dopé (ND > 1018cm-3) Î réduction de W et forte courbure des bandes à l’interface ⊕ W= 2εSC (VD -V) eN D Passage des e- dans les 2 sens par effet tunnel Contact ohmique : Contact à résistance très faible Î p déposée p sur le dispositif p ¾ Couche spéciale ¾ Surdopée N++ (a) ou P++ (b) selon le type de la couche sous-jacente ¾ Le courant tunnel est favorisé par rapport au courant thermoélectronique ¾ La résistance spécifique RC (en Ω cm2) est très faible. ¾ La résistance R du contact est inversement proportionnelle à la surface S de la métallisation Δx EF ELE101 composants électroniques qV ------- E C EFSC M R= EV 167 C A Jonction Métal-Semiconducteur • C A 168 C A ELE101 composants électroniques Jonction Métal-Isolant-Semiconducteur Contact ohmique : résistance spécifique sur Si-N Si N Valeurs expérimentales de RC ¾ Contacts PtSi – Si ¾ et Al – Si Valeurs de dopage ¾ Entre 1018 et 1020 cm-3. ¾ Semiconducteur dégénéré 169 RC S C A ELE101 composants électroniques • Structure Métal-Vide-Semiconducteur Métal Vide Semiconducteur Métal et SC-N reliés et connectés entre eux (vide entre les 2) Î niveaux de fermi s’alignent Apparition d’un potentiel de contact : VD = Φm - ΦSC Î champ p électrique q associé et ZCE Amplitude de ce champ et densité de charge d’espace grands si : VD élevé et distance entre M et SC faible Si distance entre M et SC diminue Î apparition de charges à la surface côté métal et côté SC Î condensateur plan Courbure des bandes et nature de charge d’espace varient selon type de SC et différence entre Φm et ΦSC 170 Jonction Métal-Isolant-Semiconducteur • ELE101 composants électroniques Jonction Métal-Isolant-Semiconducteur Structure Métal-Vide-Semiconducteur Métal Vide Semiconducteur Métal vide ZCE SC NV eVD ΦM < ΦSC eχ eΦm EFm NV EC EFm eχ EV ΦM = ΦSC VD = 0 : aucune charge Î régime de bandes plates Métal SC eV VD vide eΦm EC EFSC ΦM > ΦSC Structure Métal-Isolant-Semiconducteur Métal Isolant Semiconducteur On remplace le vide par un isolant : sur Si, le seul isolant possible est le SiO2 Î MOS L’isolant (supposé parfait) est défini par son gap et son affinité électronique Î diagramme des bandes identiques à celui de la structure M-V-SC Hauteur de la barrière de potentiel à l’équilibre : VD = Φm - ΦSC Si introduction d’une polarisation VG, VD = Φm - ΦSC - VG Isolant parfait : pas de charge Î variation linéaire de V et des bandes Si VG = 0 Î on retrouve les diagrammes des bandes M-V-SC Si Φm = ΦSC Î la polarisation VG va faire évoluer la structure d’un régime d’accumulation à un régime d’inversion d inversion Si Φm = ΦSC Î le régime de bande plate obtenu pour VG = 0 Si Φm ≠ ΦSC Î le régime de bande plate obtenu pour VG = Φm - ΦSC = VFB (=tension bande plate) NV eχ eΦSC EC EFSC EFm EV VD > 0 : charge h SC >0 0 ett charge h M <0 0 (accumulation d’e-) Î régime de déplétion SC eV VD NV eΦSC EFm • EFSC VD < 0 : charge SC <0 et charge M >0 (fuite d’e-) Î régime d’accumulation eΦm eΦ ΦSC eΦm EV vide SC eχ EC EFSC Métal vide Métal eΦSC EV ΦM >> ΦSC VD >> 0 : charge SC >>0 et charge M <0 (accumulation d’e-) Î régime d’inversion 171 C A Jonction Métal-Isolant-Semiconducteur 172 C A ELE101 composants électroniques Jonction Métal-Isolant-Semiconducteur ELE101 composants électroniques • Structure Métal-Isolant-Semiconducteur Métal Isolant Semiconducteur : tension VG appliquée sur M (ΦM = ΦSC) • Structure Métal-Isolant-Semiconducteur Métal Isolant Semiconducteur : tension VG appliquée sur M (ΦM = ΦSC) SC type N SC type P isolant Métal EFm SC-N EC EFSC eVG Métal isolant isolant SC-N Métal EC EFSC EFm EV isolant EFm eVG EFSC VG < 0 : régime d’accumulation EFm EC EFSC EFm EC EFSC VG = 0 : régime de bandes plates EC Métal EFSC EV eVG SC-P isolant EV VG < 0 : régime de déplétion EFSC EV EC SC N SC-N eVG eV VG EC EFm Métal SC-N SC-P EV isolant Métal isolant EC EFm VG = 0 : régime de bandes plates Métal Métal SC-P EV VG > 0 : régime d’accumulation C A ELE101 composants électroniques EFm EFSC EV eVG SC-P isolant EV VG > 0 : régime de déplétion VG << 0 : régime d’inversion 173 C A VG >> 0 : régime d’inversion 174 ELE101 composants électroniques Jonction Métal-Isolant-Semiconducteur • • St Structure t Mét Métal-Isolant-Semiconducteur lI l tS i d t idéale idé l : charge h d’espace d’ ett capacité ité Application d’un signal alternatif de faible amplitude sur VG : QM charge côté Métal et QSC charge côté SC Régime d’inversion : Régime d’accumulation : = e- libres attirés sous la surface + ions accepteurs St Structure t Mét Métal-Isolant-Semiconducteur lI l tS i d t idéale idé l : charge h d’espace d’ ett capacité ité Q Métal Oxyde SC-P ΔQSC x0 QSC Accumulation de t côté SC : QSC > 0 Accumulation d’ed e côté M : QM < 0 ΔQM = -ΔQSC et QM = -QSC COx Capacité plan : Ch Charge côté ôté SC : QSC (= ( Qn + qN NAxdm ) < 0 A basse fréquence q (T ( élevée)) Î les e- minoritaires du SC-P p peuvent atteindre la couche d’inversion et la quitter suivant le signal : ΔQM = -ΔQn C =C BF x ε = ox xo QM indépendante de VG Régime de déplétion ou désertion : Cdm = QSC = qNAxd = COxVOx Capacité zone de déplétion : Cd = VG = VOx + VSC = ε SC xd Q totale : QSC QSC ε ⇒ xd = - SC + + COx Cd COx 1 1 =+ Cd COx 1 1 1 = + Ct COx Cd 2 ε SC 2 Ox C + 2VG Métal ΔQM Oxyde x0 QM ε SC Q xdm SC-P xd COx 2VG 1 + 2 qN A ε SC COx 175 Jonction Métal-Isolant-Semiconducteur • St Structure t Mét Métal-Isolant-Semiconducteur lI l tS i d t idéale idé l : tension t i de d seuil il VT Tension de bandes plates : À l’é l’équilibre ilib : courbure b des d bandes b d à l’interface l’i t f pour égaliser é li les l niveaux i de d fermi f i ΦM < χ accumulation eV Vox eVsinv eχ eΦm 0 VG AN : M-SiO2-Si (xOx = 250Å ; NA = C A 0 VG Canal P 1016 cm-3 ; εrSiO2 = 3.9) ε = ox = 1.38 10-7 F/cm 2 xo 177 C A NV eχ χ eΦm EFm EC EFSC EV Inversion HF Canal N COx EFm désertion Inversion HF Cd ELE101 composants électroniques NV désertion x 176 ELE101 composants électroniques Inversion BF Qd C A C/COx Inversion BF xdm COx St Structure t Mét Métal-Isolant-Semiconducteur lI l tS i d t idéale idé l : capacité ité accumulation SC-P x0 QSC ΔQSC Cd C A C/COx Oxyde CBF = COx Qn ΔQn x qN A Métal ΔQM QM 1 1 1 = + CHF COx Cdm ε SC Jonction Métal-Isolant-Semiconducteur Ox A haute fréquence (T faible) Î les e- minoritaires du SC-P ne peuvent pas suivre, seuls les majoritaires j it i (t) suivent i t le l signal i l : ΔQM = -ΔQ ΔQd COx ΔQM t repoussés à l‘interface côté SC : QSC < 0 • ELE101 composants électroniques Jonction Métal-Isolant-Semiconducteur eVFB EC EFSC EV Tension de bande plate = tension VFB à appliquer sur le métal pour redresser les bandes à l’horizontale : eVFB = eΦm – eΧ – EG + (EFSC – EV) Courbure des bandes Î translation de la caractéristique C(VG) par rapport à l’idéale Tension de seuil : VT = Vox + Vsinv + VFB 178 Jonction Métal-Isolant-Semiconducteur • St Structure t MOS : application li ti CCD Charge Coupled Devices : circuits à transfert de charges ELE101 composants électroniques 1969 Î utilisé tili é en ttraitement it t du d signal i l ett imagerie i i Basé sur le temps de stockage d’1 capacité MOS Temps de stockage d’1 d 1 capacité MOS : À t < 0 : structure en régime de bandes plates ou d’accumulation A t = 0 : on applique VG > VT Î régime de déplétion (constante de temps de l’ordre de 10-12s) t > 0 : génération thermique de paires e-/t et la couche d’inversion d inversion s’affaiblit s affaiblit À t = τ s : couche d’inversion, régime stationnaire Î τ s est le temps de stockage τs = 2N aτ m ni avec τ m = durée de vie des porteurs Temps de stockage ↑ si durée de vie ↑ et dopage ↑ Î τ s de 1s à 1mn en fonction de la qualité du si C A 179
