Puolijohdekomponenttien perusteet A Ratkaisut 6, Kevät 2016

Transkriptio

1 OY/PJKOMP R6 016 Puolijohekoponenttien peruteet 51071A Rtkiut 6, Kevät MOS-konenttori (Metl-Oxie-Seiconuctor) kootuu nienä ukieti etlliet hilt, okii-eriteetä j ouptut puolijohteet (Kuv 1). Ielieti hillle etettu jännite G tippuu okiikerroke jännitteen verrn j puolijohteen tyhjennyluee jännitteen ψ verrn. G SiO p Si Kuv 1. Peritekuv MOS-konenttorit, jonk erite on piiokii j puolijohe p- tyypin piitä. () Hiljännitteen kve p-tyypin puolijohteen okiin puoleinen pint lk tyhjentyä ukoit j pinnn läheiyyeä energikitt Ec, Ev j Ei tipuvt pikn x funktion. yt tyhjennylue on levinnyt puolijohteen pinnt etäiyyelle W=650 n. yhjennylueen levey n ll kvll kuin ikiein pn-liitoken tpuke, kun oletettiin että lue leviää vin heikkoin oupttuun puolijohteeeen. W c W 1, , c 11,9 8,85410 F/ 0,31...V 0,3 V (b) Okiin puolijohteen puoleie tyhjennyluee on oupputoej tiheyellä, joten lueen iältää vrutihey pint-l kohti on W. Okiin yliolev jännite n jkll konenttorin vru (pint-l kohti) en kpitnill (pint-l kohti) eli 1,6010 n 19 0, V 0,15V. j W Wt , ,9 8,85410 F/ 9 1

2 OY/PJKOMP R6 016 Okiin yli vikuttv ähkökenttä E n jännitten vull E t 0,15 V V/ 3 MV/. (c) Vtv hiljännite on okiin yliolevn jännitteen j puolijohteen pintpotentilin u eli G 0,15 V 0,3 V 0,47 V Jännitteen j ähkökentän rvot pikn funktion (etäiyy hilelektroit) on eitetty eierkkinä kuv. Sähkökenttä j potentili voin uoot luonnollieti Guin lin vull, kuten tehtiin ikiein pn-liitoken kohll. Kuv. ehtävän MOS-konenttorin ähkökenttä E j potentili ψ SiO-hileriteeä j puolijohteen tyhjennyluee pikn (etäiyy hilelektroit) funktion. () Jott puolijohe enii vhvn inverioon, hillle täytyy tuo kynnyjännitteen uuruinen jännite t x j W t t

3 OY/PJKOMP R , ,9 8,85410 F/ 0,98 V ,9 8,85410 F/ 0,05V 0,596 V 0,8 V. 9 0,98 V Puolijohteen pinnnpotentili on ii inverio ψ, jo ψ on Feri-energioien erotu uoo Ei EF. q Kuten eellietä kurit uitetn (ktotn), niin p-tyypin puolijohteelle energierotu Ei EF n kvll p E E n exp i F 0 i, jolloin ψ n p-tyypin puolijohteelle uotoon k Ei EF k ln. q q ni 3

4 OY/PJKOMP R6 016 Puolijohekoponenttien peruteet 51071A Rtkiut 6, Kevät 016. ehtävää toellinen MOS-rkenne tehään nyt n-tyypin ubtrtille, jolloin inverio eriteen j puolijohteen väliin yntyy ukoit kootuv p-knv. ään vuoki itä kututn yö p-mos:ki. Molepien (n- j p-mos) tpuki kynnyjännite n ll relien rkenteen kvll 1.53 F j, i j iä F on ieliuuet poikkevuutt kuvv flt bn jännite, ϕ on etllin j puolijohteen työfunktioien erotu (ϕ ϕ), j on tyhjennylueen kiivru pint-l kohti, i on eritekerroken reuoitu vru pint-l kohti, on okiikerroken kpitni pint-l kohti j ψ=(ei EF)/q on inverion iknieki trvittv potentili puolijohteen pinnll. Kun hillle tuon kynnyjännitteen uuruinen jännite, n rjpintn ikieki johtv knv (joko p- ti n-tyyppinen). p-mos:n tpuke ubtrtti on n-tyyppinen, jolloin e on oupttu onoreill. yhjennylueen uootue poitiiviet onorit jäävät tyhjennylueeeen, joten tyhjennylueen kiivru j on poitiivinen. Suure ψ=(ei EF)/q on puoletn negtiivinen, kok onoriouppu iheutt Feri-ton nouun. n-mos:n tpuke erkit ovt toiinpäin (kto lpuolinen tulukko). Oiniuu MOS-rkenteen tyyppi n-mos p-mos Knvn tyyppi inverio n p Subtrtin puolijohteen tyyppi p n ψ=(ei EF)/q + yhjennylueen kiivru pintl kohti, j + () Lketn enin p-mos:n flt bn jännite F i t , i ( 4,8 4,51) V 1-1 3,9 8,85410 F (b) 1,60... V 1,6 V Kok kyeeä on n-tyypin puolijohe, niin Feri-tojen välinen erotu n nyt EF Ei kvt n 0 ni exp : k E i E q F k ln q n i ,059 V ln 0,358 V

5 OY/PJKOMP R6 016 Kynnyjännite on F F F t t j j t j F F W F 7 1,5 10 1,6 V 1 3,9 8, F/ 0,358 V t 1,6 V,137 V 0,358 V 1, ,4687 V 4,5 V 11,9 8, F/ 0,358 V Kynnyjännite on p-mos:lle ii negtiivinen. Yleenä vutyyppiiä rkentei trvittv kynnyjännite on p-mos:lle negtiivinen j n-mos:lle poitiivinen. Kun flt bn jännite on elväti negtiivinen, niin n-mos:n knv uootuu iln ulkoit jännitettä j rkenne on ulkutyyppinen. Kun flt bn jännite on poitiivinen, niin n-mos:n knvn uootieki trvitn ulkoit jännitettä j rkenne on vutyyppinen. p-mos-rkenteelle pätee, utt vtkkiill flt bn jännitteillä. (c) Konenttorin -pretri kuv hiln kontrolli inveriot. MOS-rkenteen -pretri n kynnyjännitteen (iln flt bn jännitettä) j puolijohteen pintpotentilin (vhv inverio) uhteen eli,137 V ( 0,358 V) 3, ( 0,358 V) 5