MOS no ideal

MOS no ideal Por su sencilla fabricacin y simplicidad de funcionamiento, el capacitor MOS ha sido la estructura de prueba elegida para verificar la existencia de efectos no ideales. Se entiende entonces porqu la mayora de los efectos no ideales se ilustran utilizando la curva C-V. Cualquier desviacin respecto del ideal tiene impacto sobre el Transistor MOS. Estas diferencias respecto del comportamiento ideal afectan fundamentalmente a la tensin de umbral.

1. Diferencia en las funciones trabajo del metal y el semiconductor:

Resulta obvia la aparicin de un potencial de contacto igual a la diferencia de las funciones trabajo ( MS = M - S ) expresada en volt. La condicin de Flat Band (bandas de energa sin curvarse) en un dispositivo ideal ocurre cuando la tensin de polarizacin VG = 0.

En el diagrama anterior se observa que la condicin de Flat Band se alcanza cuando se aplica una VG = MS < 0. Debido a que ambos dispositivos, ideal y no ideal, tendrn en la condicin de banda plana la misma capacidad concluimos que el punto de banda plana para el dispositivo real estar desplazado lateralmente MS volts sobre el eje de tensin.

Como se resume en la siguiente figura toda la curva C-V de un MOS no ideal se desplazar, para el caso de un sustrato tipo P, MS volts en el sentido negativo a lo largo del eje de tensin respecto de la curva del dispositivo ideal.

VG = tensin aplicada al MOS real.

VG = tensin aplicada al MOS ideal

Por lo tanto VG = (VG VG)| para igual C = MS MS depender del material de la compuerta (Al, n+ poli-Si, o silicio policristalino) y el sustrato que puede ser tipo P o N y de su contaminacin.

2. Cargas en el xido : El hecho de una MS distinta de cero representa un apartamiento menor respecto del comportamiento ideal si se lo compara con el efecto producido por las cargas en el xido que pueden significar grandes corrimientos en la tensin e inestabilidades. El corrimiento de tensin debido a MS distinto de cero es pequeo, totalmente predecible e incapaz de causar inestabilidades.

2.1 Iones mviles: Dispositivos fabricados con anterioridad a 1960 exhiban caractersticas C-V que se desplazaban decenas de volts respecto de las tericas y demostraban severas inestabilidades cuando eran sometidas a la temperatura.

Por ejemplo, se produca un desplazamiento negativo en las caractersticas de

decenas de volt luego que el dispositivo era polarizado positivamente y calentado a temperaturas de alrededor de 150 C. Adems estos efectos no resultaban repetitivos y por lo tanto las causas que provocan las inestabilidades y el hecho que se produzcan cambios incontrolados del punto de trabajo en funcin del tiempo tornan al dispositivo inutilizable. Hoy se puede establecer que la causa de estas inestabilidades se deben a la existencia de iones mviles, principalmente de sodio (Na+) dentro del xido.

Suponiendo que ion(x) es la densidad de carga de iones en el xido

QM = ion(x) . dx donde Xo = espesor del xido QM = densidad de carga inica

y aplicando Poisson

VG (iones mviles) = - (1 / Ko . o ) . x . ion(x) . dxVG = - QM / Co Entonces los iones positivos producen VG negativos y viceversa. Dado que la integral depende de x . ion(x), VG depende de la posicin exacta de los iones en el xido.

Por ejemplo

En este caso a igual carga de iones en distinta posicin la distribucin a causa un desplazamiento VG 19 veces superior a la distribucin b. Movimiento y redistribucin de iones positivos al polarizar la compuerta negativamente y calentar la estructura.

Idem si se aplica polarizacin positiva.

Una vez identificado este efecto se intenta por diversos medios (estabilizacin con fsforo o neutralizacin por cloro) eliminar durante el proceso de construccin la contaminacin por lcalis (Na+, Li+ y K+) para lograr una estructura MOS estable.

2.2 Cargas fijas: Eliminadas las perturbaciones provocadas por las cargas mviles y luego de corregir por diferencia entre las funciones trabajo entre el metal y el semiconductor se observ que an las caractersticas C-V se desplazaban negativamente algunos volts. Se descubri que este efecto se deba a la existencia de cargas fijas en el xido cercanas a la interfase con el semiconductor.

Se puede establecer que

VG(cargas fijas) = - QF / Co siendo QF = carga fija por unidad

de rea de compuerta Se pueden resumir algunas caractersticas de la carga fija:

Es independiente del espesor del xido, del tipo de semiconductor y de su contaminacin.

Depende del plano cristalogrfico.

Es funcin de las condiciones de oxidacin y de la temperatura de

procesamiento de la pastilla.

Se postula que estas cargas fijas se deben a exceso de silicio ionizado que espera reaccionar en la vecindad de la interfase Si-SiO2 cuando el proceso de oxidacin finaliza abruptamente. En otras palabras es Si que qued ionizado en el proceso de formacin de la capa de xido.

2.3 Estados superficiales o trampas interfasiales: Es al causa ms importante del apartamiento del comportamiento ideal de las estructuras MIS.

Los estados superficiales representan estados de energa permitidos en la superficie de un material y que agregan estados permitidos en la banda prohibida. En nuestro caso aparecen estados permitidos en la banda prohibida de la interfase Si-SiO2. Estos estados pueden aparecer tambin dentro de las bandas pero quedan enmascarados dentro de la gran cantidad e estados permitidos.

Supongamos un sustrato tipo N polarizado en el modo de inversin. El Nivel de Fermi en la superficie aparece coincidente con Ev. En estas condiciones los estados superficiales estarn mayoritariamente vacos ya que en primera aproximacin los estados debajo del Nivel de Fermi estn ocupados y los que estn por encima estn vacos. Estos estados superficiales pueden ser de naturaleza aceptora (neutros cuando estn vacos y negativos cuando estn ocupados) o donora (cargados positivamente cuando estn vacos y neutros cuando estn ocupados). Supongamos que en nuestro caso los estados son de este ltimo tipo. Como se observa los estados superficiales se cargan y descargan en funcin de la polarizacin afectando la distribucin de carga dentro del dispositivo y por lo tanto sus caractersticas.

Dado que estas cargas al igual que las fijas se alojan en la interfase Si-SiO2 se pueden expresar anlogamente y su efecto ser VG(Estados superficiales) = - QIT(s) / Co siendo QIT = carga por estados superficiales

por unidad de rea de compuerta La diferencia es que QIT(ses funcin de la tensin aplicada al semiconductor y QF es una constante independiente de la misma.

En los dispositivos actuales se supone que los la densidad de estados superficiales es mas o menos constante en el centro de la banda prohibida y crece a medida que nos acercamos a las bandas de conduccin y de valencia y tienen una naturaleza aceptora y donora respectivamente.

Aunque no se ha aclarado suficientemente el origen fsico de estos estados la evidencia experimental indica que se deben a enlaces incompletos en la superficie del semiconductor producidos por uno de los cuatro enlaces que queda libre cuando la superficie del silicio finaliza de manera abrupta.

2.4 Cargas inducidas por radiacin: La radiacin en forma de rayos X, protones, electrones y partculas ionizadas provoca el aumento de la carga fija en el xido as como el aumento de las cargas superficiales.

El efecto primario de la radiacin ionizante es la generacin de pares electrn-laguna dentro del xido. Cierto porcentaje de estos portadores se recombina de inmediato. El campo elctrico en el xido acelera a los electrones que poseen mayor movilidad que las lagunas y son evacuados con rapidez del xido mientras que los huecos tienden a quedar atrapados en su lugar de origen y con el tiempo emigran hacia la interfase Si-SiO2 donde se recombinan con electrones del silicio o quedan atrapados en niveles profundos. Una vez en la cercana de la interfase los huecos imitan en efecto a la carga fija (QF).

Algunos estados superficiales se crean de manera inmediata con la aplicacin de radiacin ionizante, el resto lo hace en proporcin a los huecos que alcanzan la interfase en un mecanismo todava no bien conocido.

Durante un perodo que va de das a aos la carga de huecos atrapados tiende a reducirse por la captura de electrones inyectados desde el metal o el silicio.

La reduccin del espesor del xido que acompaa la reduccin en tamao de los dispositivos hace al xido menos sensible a la radiacin ionizante. La captura de huecos y la creacin de estados superficiales podran desaparecer cuando el espesor del xido llegara a 100 Amstrong.

Los electrones del metal y del semiconductor podran, en este caso, por efecto tnel llegar a todas las partes del xido muy delgado y recombinar con rapidez los huecos atrapados. PAGE 5

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