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Sensores Integrados em Silício IE012
Física dos Semicondutores Prof. Fabiano Fruett
UNICAMP – FEEC - DSIFSala 207
www.dsif.fee.unicamp.br/~fabiano
Referências
• A. M. Jorge, “Fisica e modelos decomponents bipolares” Editora da Unicamp, 1999 ISBN 85-268-0467-7
• S.M. Sze, “Physics of semiconductor Devices”
• H. A. Mello e R.S. Biasi, “Introdução àFísica dos semicondutores” MEC1975
Introdução:
Em um sensor microeletrônico a variável de entrada (medida) éconvertida em uma variável elétrica.
Esta conversão de energia é feita através da modulação dos mecanismos de transporte das cargas no semicondutor.
Classificação dos materiais de acordo com sua condutividade:
• Condutores (metais) K = [107 – 106] Sm-1
• Semicondutores K = [10-8 – 106] Sm-1
• Isolantes K = [10-8 – 10-16] Sm-1
Faixa de resistividade típica para sólidos
K
Resistência de um condutor versus temperatura
R0 é a resistência na temperatura T0 eα é o coeficiente de temperatura da resistência. Exemplo: α=0.003 K-1.
( ) [ ][ ]00 1 TTRTR −+= α
2
Resistência de um semicondutor puro versus temperatura
Ea é chamada de energia de ativação ek é a constante de Boltzmann
( )
= kT
ERTR aexp0
Alguns elementos e compostos semicondutores
Cargas móveis em metais e semicondutores
• Metais: Contém um número constante de portadores móveis em todas as temperaturas
• Semicondutor: Os portadores devem ser ativados para que se tornem livres.
Célula unitária do silício
Bandas de energia (modelo simples)Bandas de energia
3
Bandgap e temperatura
( ) ( )β
α+
−=T
TETE gg
2
0
Equação empírica:
Dependência do bandgapcom a temperatura
Silício intrínsecoO Si intrínseco é um semicondutor puro, um cristal abstrato que não conta com nenhum outro tipo de elemento que não seja o principal.
Semicondutor intrínseco
Os elétrons livres encontram-se acima de Ec, e os elétrons de ligação abaixo de Ev. A energia necessária para a formação dos pares elétron-lacuna é Eg=Ec-Ev.
Portadores de carga em um semicondutor
Cristal extrínsecotipo n tipo p
4
Elétrons na faixa de condução Lacunas na faixa de valência
Energia de ionização em elétrons-volt
Fonte: H. A. Mello e R.S. Biasi
Distribuição estatística de Fermi
( )1( )
1 exp /F
f EE E kT
=+ −
Aplicação da distribução de Fermi-Dirac
Intrínseco tipo n tipo p
Para calcular a corrente elétrica em um semicondutor, precisamos:
• Estimar a quantidade de cargas móveis que estão presentes no material.
• Analisar o transporte destas cargas móveis através do cristal.
5
Correntes elétricas nos semicondutores
• Corrente de campo (deriva)
• Corrente de difusão
Corrente de campo (deriva)
Ev pp µ= Ev nn µ−=
Movimento aleatório de um portador em um semicondutor com e sem um campo
elétrico aplicado
A mobilidade diminui com o grau de contaminação do semicondutor e com o aumento da temperatura.
Variação da velocidade de deriva com o campo elétrico
Fonte: H. A. Mello e R.S. Biasi
Valores de mobilidades em função da dopagem
Figura I.9 Martins
Fonte: Martins
Resistividade em função da dopagem
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Mobilidade em função da temperatura e dopagem Resistividade versus temperatura
Silício extrínseco
Efeitos dominantes em cada região
• Na região II a dependência da resistividade com a temperatura é governada pela variação da mobilidade. Nessa região todos átomos doadores estão ionizados. Para um aumento da temperatura a mobilidade diminui econseqüentemente a resistividade aumenta.
• Na região I nem todos os átomos doadores estão ionizados e embora que a mobilidade continue aumentando com a diminuição da temperatura, o decaimento da densidade de portadores com o decaimento da temperatura domina e causa um aumento da resistividade com o decaimento da temperatura.
• Na região III a densidade de elétrons da banda de condução não é apenas governada pela concentração de doadores, mas também pelos elétrons que são termicamente ativados para moverem-se de uma banda de valência para uma banda de condução. Esse número adicional de elétrons aumenta com a temperatura e conseqüentemente a resistividade diminui.
Análise tensorial
3
1i ij j
jJ k E
=
=∑
jj
VEx∂
=∂
Em condições especiais a condutividade não pode mais ser considerada isotrópica. As bandas de energia são deslocadas e deformadas, redistribuindo os elétrons/lacunas livres nos níveis de condução/valência . A curvatura das bandas também modifica a massa efetiva dos portadores. Estes fatores afetam diretamente a mobilidade.
Ej
Corrente de difusão
A Corrente de difusão resulta da diferença de concentração dos portadores de carga e da difusão térmica aleatória.
( )zyxpqDJ ppdif ,,∇−= ( )zyxnqDJ nndif ,,∇=
pn BT
n p
DD k T Vqµ µ
= = =
Junção p-n
2ln D An p T
i
N NV V Vn
+ − Φ = − =
7
Aproximação de depleção
P A N DW N W N=
12
02 Si A DT N P
A D
N NW W Wq N N
ε ε Φ += + =
( ) 2
2
( ) ( )qN x dE x d V xdx dxε
= = −
Limites da região de depleção:
Largura total:
Junção polarizada
( )122 A A D
TA D
V N NWq N N
ε Φ + +=
Reversa
Direta
Transistor bipolar
Fonte: Sedra/Smith
Equação
+
−=
A
CEVv
SC Vv
eII T
BE
11kqTTV =
IC é a corrente de coletorVT a tensão termodinâmica = kT/qk é a constante de Boltzmann, k=1,38062E-23 [J/K]T a temperatura em Kelvinq a carga do elétron 1.60E-19 [C]portanto VT @ temperatura ambiente = 25 mVIS corrente de saturação reversa
Corrente de saturação reversa
BA
niES WN
DnqAI
2
=
Transistor MOS
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Transistor MOSEquações
( ) 212D OX GS t DS DS
Wi C v V v vL
µ = − −
( ) ( )2 12
OXD GS t DS
C Wi v V vL
µ λ= − +
MOS na região linear:
MOS na região de saturação:
W e L são a largura e comprimento do canal µ é a mobilidade de portadores do canal (camada de inversão)
OXC é a capacitância da porta por unidade de área
tV é a tensão de limiar para a formação do canal
Tensão de limiar
SBFOX
bsF
OXmst V
CqN
CQ
V +Φ+Φ+−Φ= 22
2''
'0 ε
diferença entre os potenciais de contato do metal do gate e do substrato
densidade de carga na interface óxido semicondutor
potencial de Fermi
concentração de portadores no substrato
capacitância do óxido por unidade de área
diferença de potencial entre fonte e substrato
coeficiente de efeito de corpo
msΦ
'0Q
FΦ
bN'OXC
SBV
'
2
OX
bs
CqNε