Elektronika Ciała Stałego

Laboratorium. Ćwiczenie M. Oddziaływania polowe w strukturze MOS.

1.

Co to jest kondensator MOS?
Kondensator MOS składa się z bramki z metalu (lub polikrystalicznego krzemu), izolatora
(tlenku krzemu) i podłoża z półprzewodnika.

2.

Wyjaśnić pojęcie napięcia kontaktowego.
Φ

[MS] - różnica prac wyjścia z metalu i półprzewodnika.

3.

Wyjaśnić pojęcie napięcia płaskich pasm.
Napięcie płaskich pasm U[FB] to napięcie, które należy przyłożyć do bramki, aby pasma
w obszarze półprzewodnika się wyprostowały. W rzeczywistym kondensatorze MOS we
wzorze na napięcie płaskich pasm trzeba także dodać poprawkę na napięcie, wynikające z
istnienia ładunku efektywnego.

4.

Wyjaśnić pojęcie napięcia progowego.
U[T] - napięcie pomiędzy bramką a podłożem, przy którym koncentracja nośników
mniejszościowych przy powierzchni półprzewodnika jest równa koncentracji nośników
większościowych w jego objętości.

5.

Omówić stany, w jakich może znajdować się przypowierzchniowy obszar półprzewodnika
przy różnych napięciach przyłożonych do bramki.
U[G]- napięcie bramka - podłoże dla U[G] < U[FB] ładunek zgromadzony na bramce nie
wystarcza do wytworzenia stanu płaskich pasm. Powoduje to gromadzenie się nośników
większościowych (tu akurat dziur) w wąskiej, powierzchniowej warstwie półprzewodnika.
W związku z tym pasma energetyczne w tej części półprzewodnika zaginają się do góry
(rys. 6). Stan ten jest określany mianem akumulacji. dla U[FB] < U[G] < U[T] ładunek jest
większy, niż potrzebny do uzyskania stanu płaskich pasm, ale jest on za niski, żeby
osiągnąć zagięcie pasm Φ[S]=2 Φ[F]. Rozpatrujemy wtedy 2 przypadki:

•

- dla 0 < Φ[S] < Φ[F] ładunek zgromadzony na bramce jest większy pęd ładunku
potrzebnego do uzyskania stanu płaskich pasm i powoduje on odpłynięcie dziur od
przypowierzchniowego obszaru półprzewodnika (rys. 7)

•

- dla Φ[F] < Φ[S] < 2Φ[F] ładunek zgromadzony na bramce jest większy od ładunku
w poprzednim przypadku i powoduje odpycha nie nośników większościowych (dziur),
ale także przyciąga nośniki mniejszościowe (elektrony). Mimo to koncentracja
elektronów w obszarze przypowierzchniowym jest niewielka i mniejsza, niż
koncentracja dziur w głębi półprzewodnika. Stan ten jest nazywany stanem słabej
inwersji.

•

- dla U[T] < U[G] ładunek zgromadzony w bramce jest tak duży, że powoduje
zagięcie pasm Φ[S] > 2Φ[F] wskutek czego koncentracja nośników mniejszościowych
na powierzchni półprzewodnika jest większa niż koncentracja nośników
mniejszościowych w jego objętości. Jest to stan silnej inwersji.

6.

Wyjaśnić pojęcie przybliżenia zubożenia. Dlaczego w obszarze zubożonym gęstość ładunku
jest stała, niezależna od położenia i potencjału powierzchniowego?
Przybliżenie zubożenia to założenie, że w pewnym obszarze do xd od powierzchni
półprzewodnika wszystkie domieszki są nieskompensowane, natomiast dalej już wszystkie
skompensowane przez nośniki większościowe.

7.

Dlaczego można przyjąć, że w stanie silnej inwersji potencjał powierzchniowy przestaje
rosnąć wraz ze wzrostem napięcia bramki?
W stanie silnej inwersji potencjał powierzchniowy Φ[S] przyjmuje maksymalną wartość
2Φ[F], gdyż niewielki wzrost Φ[S] powoduje duży wzrost koncentracji nośników
większościowych, a co za tym idzie, w półprzewodniku i dielektryku tworzy się pole
elektryczne, zatrzymujące spadek napięcia na półprzewodniku.

8.

Jak jest zdefiniowana pojemność kondensatora MOS?

9.

Omówić zależność pojemności kondensatora MOS od napięcia bramki. Jaka jest
przyczyna różnicy przebiegu tej zależności dla małych i dużych częstotliwości sygnału
pomiarowego?
Na rysunku 11. widać, że dla wysokich częstotliwości szybkość generacji-rekombinacji
nośników mniejszościowych (czas życia nośników mniejszościowych) robi się zbyt mała,
aby nadążyć za zmianami napięcia. Nie następuje generacja - nie zmienia się ładunek
nośników.

10.

W jaki sposób na podstawie zależności C-U można wyznaczyć podstawowe parametry
kondensatora MOS?