lecture11-2009 - ‫הרצאה 11‬ ‫קבל ‪MOS‬‬...

Info iconThis preview shows page 1. Sign up to view the full content.

View Full Document Right Arrow Icon
This is the end of the preview. Sign up to access the rest of the document.

Unformatted text preview: ‫הרצאה 11‬ ‫קבל ‪MOS‬‬ ‫א. מבוא‬ ‫ב. קבל ‪:MOS‬‬ ‫מבנה‬ ‫דיאגרמת פסים‬ ‫התנהגות תחת מתח‬ ‫אופיון הקיבול‬ ‫ג. התקן צימוד המטען )‪(CCD‬‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫1‬ ‫‪D‬‬ ‫א. מבוא‬ ‫‪G‬‬ ‫‪S‬‬ ‫מתכת‬ ‫מבודד‬ ‫+‪n‬‬ ‫‪p‬‬ ‫+‪n‬‬ ‫‪JFET‬‬ ‫‪p‬‬ ‫+‪n‬‬ ‫‪MOSFET‬‬ ‫נשים לב שבטרנזיסטור ‪ JFET‬השער היה מבודד מהתעלה ע"י יצירת‬ ‫צומת בממתח אחורי.‬ ‫בטרנזיסטור ‪ MOSFET‬השער מבודד מהתעלה )מהמל"מ( ע"י‬ ‫הכנסת מבודד )תווך דיאלקטרי( בין השער לתעלה.‬ ‫השער בד"כ בנוי ממתכת או מחומר פוליסיליקון שמזוהם הרבה ולכן‬ ‫יכול להתנהג כמתכת.‬ ‫מבנה של שער מוליך ‪ ,M‬מבודד ‪ ,O‬ומל"מ ‪ ,S‬הוא מבנה של קבל‬ ‫‪ ,MOS‬ולכן לפני שנלמד על טרנזיסטור, נלמד על קבל ‪.MOS‬‬ ‫2‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫1‬ ‫ב. קבל ‪MOS‬‬ ‫ב.1 מבנה‬ ‫מתכת‬ ‫‪o‬‬ ‫‪M‬‬ ‫‪o‬‬ ‫‪d ox ≈ 350 A,100 A‬‬ ‫מבודד‬ ‫2 ‪SiO‬‬ ‫‪O‬‬ ‫‪S Si‬‬ ‫תכונות:‬ ‫המתכת היא מתכת אמיתית )כמו אלומיניום( או פוליסיליקון מנוון.‬ ‫המבודד הוא דו תחמוצת הסיליקון 2‪. SiO‬‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫3‬ ‫אופן ייצור המבודד - 2‪: SiO‬‬ ‫מכניסים את הסיליקון לתנור בחום של כ- ‪ 1100 o C‬ומזרימים לתוכו אדי‬ ‫מים או חמצן, כתוצאה מכך הסיליקון מתחמצן, כלומר השכבה העליונה‬ ‫שלו הופכת ל- 2‪.SiO‬‬ ‫למעשה סיליקון טבעי הוא מחומצן גם ללא תהליך החמצון. לכן לפני‬ ‫החמצון המבוקר, מורידים את שכבת החמצון העצמי.‬ ‫אחרי‬ ‫חמצון‬ ‫2 ‪SiO‬‬ ‫תהליך‬ ‫החמצון‬ ‫‪Si‬‬ ‫4‬ ‫לפני‬ ‫חמצון‬ ‫‪Si‬‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫2‬ ‫ב2. דיאגרמת פסים: 1. טרם החיבור‬ ‫רמת הואקום‬ ‫)2‪χ (SiO‬‬ ‫‪φS‬‬ ‫‪EC‬‬ ‫‪χS‬‬ ‫‪φF‬‬ ‫{‬ ‫)‪Eg(Si‬‬ ‫‪φM‬‬ ‫)2‪Eg(SiO‬‬ ‫‪EV‬‬ ‫מל"מ סוג ‪p‬‬ ‫5‬ ‫מבודד‬ ‫מתכת‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫ב2. דיאגרמת פסים: 2. לאחר חיבור השכבות‬ ‫רמות פרמי נעשות שוות‬ ‫נגדיר:‬ ‫‪φBB‬‬ ‫‪EFM=EFS‬‬ ‫‪ – φBB‬מתח כיפוף הפסים‬ ‫6‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫3‬ ‫ב.3 התנהגות תחת מתח‬ ‫נטפל במצע ‪) p‬ניתן לטפל במצע ‪ n‬באופן דומה(.‬ ‫‪ .A‬מצב הצטברות - ‪Accumulation‬‬ ‫0 < ‪VG‬‬ ‫מתח שלילי בשער גורם להופעת מטען שלילי בשער, וזה מאלץ מטען‬ ‫חיובי במצע, זהו מטען של חורים ניידים ולכן תיווצר תעלה של חורים‬ ‫ניידים‬ ‫)לכן זה נקרא מצב הצטברות או אקומולציה כי יש תוספת חורים‬ ‫במשטח הסיליקון )בתעלה((.‬ ‫0 < ‪VG‬‬ ‫__ _ _‬ ‫_‬ ‫תעלה של חורים‬ ‫++ + + + + +‬ ‫‪p‬‬ ‫7‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫דיאגרמת הפים:‬ ‫0 < ‪VG‬‬ ‫__‬ ‫_‬ ‫_‬ ‫_‬ ‫++ + + + + +‬ ‫‪qVG‬‬ ‫חורים‬ ‫‪p‬‬ ‫הצטברות חורים‬ ‫)נושאי רוב(‬ ‫מטען רק על פני השטח של המל"מ‬ ‫מתנהג כמו קבל לוחות רגיל‬ ‫8‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫4‬ ‫קיבול במצב הצטברות:‬ ‫0 < ‪VG‬‬ ‫קבל לוחות רגיל‬ ‫__‬ ‫_‬ ‫_‬ ‫_‬ ‫++ + + + + +‬ ‫חורים‬ ‫‪p‬‬ ‫קיבול הקבל ליחידת שטח:‬ ‫‪εε‬‬ ‫‪F‬‬ ‫) 2 ( ‪C = o ox‬‬ ‫‪d ox‬‬ ‫‪cm‬‬ ‫המקדם הדיאלקטרי של התחמוצת:‬ ‫9.3 = ‪ε ox = ε r‬‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫9‬ ‫1.‪ B‬מצב מיחסור - ‪Depletion‬לל0>‪) VG‬קטן(‬ ‫0 > ‪) V‬קטן(‬ ‫‪G‬‬ ‫++ + + + + +‬ ‫----‬ ‫‪w = xd‬‬ ‫‪p‬‬ ‫מתח חיובי בשער מאלץ מטען חיובי בשער שמאלץ הופעת מטען שלילי‬ ‫בשער‬ ‫בסיליקון )במצע(.‬ ‫כלומר הופעת שכבת מיחסור שמסומנת כ- ‪.xd‬‬ ‫)על עיקרון מצב המיחסור פועל טרנזיסטור ‪ MOSFET‬אופן מיחסור(.‬ ‫01‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫5‬ ‫דיאגרמת הפסים:‬ ‫‪0 < φBB < φF‬‬ ‫0 > ‪VG‬‬ ‫)קטן(‬ ‫++ + + + + +‬ ‫יונים‬ ‫----‬ ‫‪w = xd‬‬ ‫‪p‬‬ ‫)אזור‬ ‫המיחסור(‬ ‫מטען מתפשט לתוך המל"מ‬ ‫כעת שכבת המיחסור במל"מ‬ ‫מתנהגת כקבל נוסף שמקטין הקיבול‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫11‬ ‫קיבול במצב מיחסור )2 קבלים בטור(:‬ ‫0 > ‪VG‬‬ ‫1. קיבול התחמוצת )כמו קודם(‬ ‫2. קיבול שכבת המיחסור‬ ‫)קטן(‬ ‫++ + + + + +‬ ‫---‬‫‪p‬‬ ‫‪ε o ε Si‬‬ ‫‪xd‬‬ ‫‪Cd‬‬ ‫21‬ ‫‪COX‬‬ ‫‪ε o ε ox‬‬ ‫‪d ox‬‬ ‫= ‪C OX‬‬ ‫= ‪Cd‬‬ ‫חבור קבלים בטור:‬ ‫1‬ ‫1‬ ‫1‬ ‫=‬ ‫+‬ ‫‪C C ox C d‬‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫6‬ ‫יישור פסים‬ ‫אין כיפוף פסים:‬ ‫1. מתרחש במעבר בין אקומולציה למיחסור‬ ‫0 = ‪φBB‬‬ ‫2. בקבל אידיאלי הפסים ישרים ב- 0=‪V‬‬ ‫בפועל א. אנרגיית פרמי של המתכת תמיד‬ ‫גבוהה מזו של המל"מ, ב. קיימים מצבי שטח‬ ‫אקומולציה‬ ‫0<‪V‬‬ ‫31‬ ‫מיחסור‬ ‫0>‪V‬‬ ‫יישור פסים‬ ‫‪V=VFB‬‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫רמת הואקום‬ ‫מתח יישור הפסים:‬ ‫]א[ הפרש פונקציות העבודה בין המתכת למל"מ:‬ ‫‪φM − φS‬‬ ‫‪q‬‬ ‫‪F‬‬ ‫⎞‬ ‫⎟2‬ ‫‪⎠ −φ‬‬ ‫‪Eg‬‬ ‫=‬ ‫⎛‬ ‫⎝‬ ‫‪φ MS‬‬ ‫‪q‬‬ ‫+ ‪φM − ⎜ χ S‬‬ ‫‪q‬‬ ‫‪φS‬‬ ‫= ‪VMS‬‬ ‫=‬ ‫]ב[ מתח הנגרם ע"י מטענים פרזיטיים בקבל התחמוצת:‬ ‫בסך הכל נקבל:‬ ‫41‬ ‫‪χS‬‬ ‫‪φF‬‬ ‫{‬ ‫מל"מ סוג ‪p‬‬ ‫נגרמים כתוצאה מגידול לא אידיאלי של התחמוצת‬ ‫וניתנים לחישוב מתוך עקומות קיבול-מתח )‪(CV‬‬ ‫‪QOx‬‬ ‫‪COx‬‬ ‫‪φM‬‬ ‫)‪Eg(Si‬‬ ‫מתכת‬ ‫‪Q‬‬ ‫‪− Ox‬‬ ‫‪COx‬‬ ‫− ‪VFB = VMS‬‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ 7‬ ‫הפרש פונקציות העבודה:‬ ‫]א[ שער מתכתי‬ ‫עבור סיליקון: ‪χ S = 4.15 eV , E g = 1.12 eV‬‬ ‫כמו כן, עבור ⎞ ‪kT ⎛ N A‬‬ ‫⎟‬ ‫⎜‪ln‬‬ ‫‪q ⎜ ni ⎟ p-type Si‬‬ ‫⎠‬ ‫⎝‬ ‫= ‪φF‬‬ ‫]א[ שער פוליסיליקון‬ ‫מגדלים סיליקון רב גבישי עם זיהום מנוון –‬ ‫מעשית, מקבלים הולכה כמו במתכת.‬ ‫עבור סוג ‪ p‬רמת פרמי בפס הערכיות ואילו‬ ‫עבור סוג ‪ n‬רמת פרמי בפס ההולכה‬ ‫‪− φF‬‬ ‫2‬ ‫‪Eg‬‬ ‫± = ‪VMS‬‬ ‫היתרון שמשיגים: הקטנת הפרש פונקציות עבודה‬ ‫יש לשים לב כי עבור סוג ‪:n‬‬ ‫51‬ ‫⎞ ‪kT ⎛ N D‬‬ ‫⎟‬ ‫⎜‪ln‬‬ ‫⎟ ‪q ⎜ ni‬‬ ‫⎝‬ ‫⎠‬ ‫− = ‪φF‬‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫דוגמא:‬ ‫יצרו קבל ‪ MOS‬על מצע סוג ‪ n‬בעל 3− ‪ N D = 1016 cm‬סוג המתכת לא נתון,‬ ‫אבל ידוע כי הפוטנציאל האלקטרוסטטי של מתכת השער ביחס לסיליקון‬ ‫אינטרינזי הוא ‪ 0.3V‬ואין מטענים בתחמוצת. חשב מתח יישור הפסים.‬ ‫פתרון:‬ ‫מן הפוטנציאל האלקטרוסטטי של מתכת השער ביחס לסיליקון אינטרינזי‬ ‫מקבלים הפרש מתח‬ ‫⎞ ‪Eg‬‬ ‫⎛‬ ‫⎟2‬ ‫‪⎠ = −0.3 V‬‬ ‫נחשב‬ ‫⎝‬ ‫‪q‬‬ ‫⎞ 6101 ⎛‬ ‫⎞ ‪kT ⎛ N D‬‬ ‫⎜‪⎟ = −0.026 ln‬‬ ‫⎜‪ln‬‬ ‫‪⎜ 1.45 ⋅ 1010 ⎟ = −0.35 V‬‬ ‫⎟‬ ‫⎟ ‪q ⎜ ni‬‬ ‫⎝‬ ‫⎠‬ ‫⎠‬ ‫⎝‬ ‫ומכאן נקבל‬ ‫61‬ ‫+ ‪φM − ⎜ χ S‬‬ ‫= ‪VMS int‬‬ ‫− = ‪φF‬‬ ‫‪VFB = −0.3 − ( −0.35) = 0.05 V‬‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫8‬ ‫שימושים של מצב מיחסור: מצלמה‬ ‫התקן צמוד מטען - ‪.CCD - Charge Couple Device‬‬ ‫משמש כרגיסטר הזזה )‪ (Shift Register‬במחשבים‬ ‫ידוע יותר כחיישן התמונה )‪ (Image Sensor‬במצלמות וידאו‬ ‫71‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫מבנה ה- ‪:CCD - Charge Coupled Device‬‬ ‫3‪G‬‬ ‫2‪G‬‬ ‫1‪G‬‬ ‫בציור מתואר מערך של שלושה תאים, כאשר ניתן להזיז את המטען מתא‬ ‫לתא ע"י פולסי מתח )שעון( בשער, וכך מקבלים ‪.Shift Register‬‬ ‫כדי לקבל מצלמה בונים מטריצה של תאים כאלה.‬ ‫כל תא ניקרא "תא תמונה" או ”‪ “picture cell‬בקיצור ‪Pixel‬‬ ‫אם מאירים על ההתקן, יהיה ייצור אופטי של חורים וכתוצאה מכך ריכוז‬ ‫החורים יעלה.‬ ‫אם נמדוד את עוצמת זרם החורים, ניתן לדעת את עוצמת האור בכל תא.‬ ‫81‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫9‬ ‫2.‪ B‬מצב היפוך - ‪Inversion‬לללל0>‪VG‬‬ ‫0‬ ‫‪V‬‬ ‫‪G‬‬ ‫+++++‬ ‫אקספטורים מיוננים‬ ‫_‬ ‫‪Na‬‬ ‫−‬ ‫_‪_ e‬‬ ‫−‬ ‫‪_e‬‬ ‫‪w max‬‬ ‫מצע ‪p , Si‬‬ ‫כאשר נמשיך להגדיל את מתח השער, שכבת המיחסור תגדל עד שהיא‬ ‫תגיע לרוחב מקסימלי. המשך הגדלת המתח יגרום להופעת אלקטרונים‬ ‫בשכבת המיחסור )שכבת המיחסור לא גדלה יותר(. האלקטרונים כעת‬ ‫מקזזים את המטען החיובי בשער )ולא יונים בהגדלת שכבת המיחסור(.‬ ‫מצב זה הוא היפוך כי במצע ה- ‪ Si‬יש אלקטרונים ולא חורים, כלומר‬ ‫החומר הוא סוג ‪" n‬מלאכותי".‬ ‫91‬ ‫דיאגרמת הפסים:‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫‪φF < φBB < 2φF‬‬ ‫0‬ ‫אלקטרונים‬ ‫‪V‬‬ ‫‪G‬‬ ‫+++++‬ ‫אלקטרונים‬ ‫_‬ ‫‪Na‬‬ ‫אקספטורים‬ ‫מיוננים‬ ‫רוחב‬ ‫מקסימלי‬ ‫−‬ ‫_‪_ e‬‬ ‫−‬ ‫‪_e‬‬ ‫‪w max‬‬ ‫מצע ‪p , Si‬‬ ‫ברגע ש- ‪ Ei‬בפני השטח חוצה את‬ ‫רמת פרמי ריכוז האלקטרונים‬ ‫עולה על ריכוז החורים )=היפוך(‬ ‫סוג ‪ p‬הופך לסוג ‪n‬‬ ‫שכבת המיחסור אינה גדלה עוד‬ ‫02‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫01‬ ‫3.‪ B‬היפוך חזק - ‪Strong Inversion‬‬ ‫‪VG ≥ VT‬‬ ‫‪VG ≥ VT‬‬ ‫בהיפוך חזק נוצרת תעלה של‬ ‫אלקטרונים בריכוז שהוא לפחות‬ ‫בגודלו כמו ריכוז החורים במצע,‬ ‫כלומר נקבל תעלה מסוג ‪ n‬כמו‬ ‫שבמקור קיבלנו תעלה מסוג ‪.p‬‬ ‫+‬ ‫‪wmax‬‬ ‫++‬ ‫-‪e‬‬ ‫‪e‬‬‫_‬ ‫++‬ ‫-‪e‬‬ ‫_‬ ‫-‪e‬‬ ‫→ תעלה סוג ‪n‬‬ ‫_‬ ‫מצע ‪p , Si‬‬ ‫)על עיקרון פעולה של היפוך חזק‬ ‫פועל ‪ MOSFET‬מסוג העשרה(‬ ‫הערות:‬ ‫1. תעלת האלקטרונים שנוצרה תהיה מוליכה רק אם ריכוז האלקטרונים יהיה‬ ‫גדול מספיק, אחרת ההולכה שלה גרועה. נמצא כי ברגע שריכוז האלקטרונים‬ ‫שווה )או גדול( מריכוז החורים במצע, התעלה מוליכה.‬ ‫2. רוחב התעלה המלאכותית ‪ n‬קטן בהרבה מרוחב שכבת המיחסור.‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫12‬ ‫סף ההיפוך החזק‬ ‫3. היפוך חזק מתחיל כאשר כיפוף הפסים במל"מ שווה לפעמיים המרחק בין‬ ‫רמת פרמי לבין מרכז הפס‬ ‫‪φBB = 2φF‬‬ ‫המתח המינימלי הנדרש כדי להגיע להיפוך חזק נקרא "סף ההיפוך החזק".‬ ‫= מתח יישור הפסים + מתח כיפוף‬ ‫הפסים המינימלי להיפוך חזק + המתח‬ ‫שמשרה מטען שכבת המיחסור בשכבת‬ ‫התחמוצת‬ ‫⎞ ‪kT ⎛ N A‬‬ ‫⎟‬ ‫⎜‪ln‬‬ ‫⎟ ‪q ⎜ ni‬‬ ‫⎠‬ ‫⎝‬ ‫= ‪φF‬‬ ‫=‬ ‫‪Qdep‬‬ ‫‪COx‬‬ ‫+ ‪VT = VFB + φBB‬‬ ‫‪QOx‬‬ ‫‪qN AWmax‬‬ ‫+ ‪+ φBB‬‬ ‫=‬ ‫‪COx‬‬ ‫‪COx‬‬ ‫− ‪= VMS‬‬ ‫‪2ε 0ε S qN AφBB‬‬ ‫‪QOx‬‬ ‫+ ‪+ φBB‬‬ ‫=‬ ‫‪COx‬‬ ‫‪COx‬‬ ‫− ‪= VMS‬‬ ‫‪2ε 0ε S qN A 2φF‬‬ ‫‪QOx‬‬ ‫+ ‪+ 2φF‬‬ ‫‪COx‬‬ ‫‪COx‬‬ ‫− ‪= VMS‬‬ ‫מטען התחמוצת נובע מחוסר אידאליות של התחמוצת‬ ‫22‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫11‬ ‫עבור סוג ‪p‬‬ ‫מצב‬ ‫ממתח‬ ‫כיפוף פסים‬ ‫אקומולציה‬ ‫0 < ‪VG‬‬ ‫0 < ‪φBB‬‬ ‫‪QOX‬‬ ‫‪COX‬‬ ‫יישור פסים‬ ‫− ‪VFB = VMS‬‬ ‫0 = ‪φBB‬‬ ‫‪VFB < VG < VFB + φF‬‬ ‫‪0 < φBB < φF‬‬ ‫סף היפוך חלש‬ ‫‪VG = VFB + φF‬‬ ‫‪φBB = φF‬‬ ‫היפוך חלש‬ ‫‪VFB + φ F < VG < VFB + 2φF‬‬ ‫‪φF < φBB < 2φF‬‬ ‫סף היפוך חזק‬ ‫‪VG = VFB + 2φF‬ ‫‪φBB = 2φF‬‬ ‫היפוך חזק‬ ‫‪VFB + 2φF < VG‬‬ ‫‪φF < φBB‬‬ ‫מיחסור‬ ‫32‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫משוואות שימושיות:‬ ‫המרחק בין רמת פרמי למרכז הפס האסור )מתח(:‬ ‫רוחב אזור המיחסור:‬ ‫‪2ε 0ε Sφ BB‬‬ ‫‪4ε 0ε Sφ F‬‬ ‫= ‪Wmax‬‬ ‫‪qN A‬‬ ‫‪qN A‬‬ ‫‪QOx‬‬ ‫‪COx‬‬ ‫מתח יישור הפסים:‬ ‫‪d Ox‬‬ ‫‪ε 0ε Si‬‬ ‫קיבול שכבת המיחסור:‬ ‫=‪W‬‬ ‫− ‪VFB = VMS‬‬ ‫‪ε 0ε Ox‬‬ ‫קיבול התחמוצת:‬ ‫42‬ ‫⎞ ‪kT ⎛ N A‬‬ ‫⎟‬ ‫⎜‪ln‬‬ ‫⎟ ‪q ⎜ ni‬‬ ‫⎠‬ ‫⎝‬ ‫= ‪φF‬‬ ‫‪W‬‬ ‫= ‪COx‬‬ ‫= ‪C Dep‬‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫21‬ ‫הפרש פונקציות העבודה: ‪2 − φ‬‬ ‫‪F‬‬ ‫מתח סף ההיפוך:‬ ‫52‬ ‫‪Eg‬‬ ‫− ‪φM − χ S‬‬ ‫‪q‬‬ ‫=‬ ‫‪φM − φS‬‬ ‫‪q‬‬ ‫=‬ ‫‪2ε 0ε S qN A 2φ F‬‬ ‫‪QOx‬‬ ‫+ ‪+ 2φ F‬‬ ‫‪COx‬‬ ‫‪COx‬‬ ‫‪φ MS‬‬ ‫‪q‬‬ ‫= ‪VMS‬‬ ‫− ‪VT = VMS‬‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫‪ .C‬קבל ‪ -- MOS‬אופיון הקיבול‬ ‫לצורך המדידה מספקים את מתח‬ ‫השער ‪ VDC‬בתוספת אות קטן ‪VAC‬‬ ‫כשנכנסים למצב מיחסור הקיבול‬ ‫מתחיל לקטון‬ ‫1−‬ ‫1⎛‬ ‫⎞‬ ‫1‬ ‫⎜‬ ‫⎟‬ ‫+‬ ‫‪⎜C‬‬ ‫⎟‬ ‫⎠ ) ‪⎝ OX C Dep (max‬‬ ‫‪COx‬‬ ‫כשנכנסים למצב היפוך חלש‬ ‫הקיבול גדל חזרה ובהיפוך חזק‬ ‫מתבטלת לחלוטין השפעת המחסור‬ ‫אבל:‬ ‫בתדר גבוה )גבוה מ- 001 הרץ( התעלה לא מצליחה לעקוב אחרי האות‬ ‫הקטן ולכן לא ניתן למדוד את השפעתה על הקיבול.‬ ‫הסיבה היא שהתעלה נוצרת ע"י דיפוזיה של נושאי מיעוט מהמצע או גנרציה‬ ‫תרמית של זוגות באזור המיחסור ותהליכים אלה הם איטיים.‬ ‫62‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫31‬ ‫דוגמא 1:‬ ‫)לנתונים שאפשר להפיק מאופיין ‪(CV‬‬ ‫]‬ ‫נתון גרף ‪) CV‬בתדר גבוה( של קבל ‪MOS‬‬ ‫עשוי סיליקון. נרצה לדעת רוחבה המקסימלי‬ ‫של שכבת המיחסור ועובי התחמוצת‬ ‫1−‬ ‫[‬ ‫2‪C nF cm‬‬ ‫6‬ ‫‪COX‬‬ ‫1⎛‬ ‫⎞‬ ‫1‬ ‫⎜‬ ‫⎟‬ ‫+‬ ‫‪⎜C‬‬ ‫⎟ ) ‪C Dep (max‬‬ ‫‪⎝ OX‬‬ ‫⎠‬ ‫2‬ ‫]‪V[V‬‬ ‫1−‬ ‫עובי המיחסור:‬ ‫2 ‪= 3 nF cm‬‬ ‫]‪8.85 ⋅ 10 −14 × 11.8 [F cm‬‬ ‫‪= 3.48 ⋅ 10 − 4 cm = 3.48 µm‬‬ ‫2 ‪3 nF cm‬‬ ‫]‬ ‫עובי תחמוצת:‬ ‫[‬ ‫⎞1 1⎛‬ ‫⎟ − ⎜ = ) ‪C Dep (max‬‬ ‫⎠6 2⎝‬ ‫=‬ ‫‪ε‬‬ ‫) ‪C Dep (max‬‬ ‫]‪8.85 ⋅10 −14 × 3.9 [F cm‬‬ ‫‪= 5.75 ⋅10 −5 cm = 0.58 µm‬‬ ‫2 ‪6 nF cm‬‬ ‫72‬ ‫[‬ ‫]‬ ‫=‬ ‫= ‪Wmax‬‬ ‫‪ε‬‬ ‫‪COX‬‬ ‫= ‪d OX‬‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫דוגמא 2:‬ ‫)לנתונים שאפשר להפיק מאופיין ‪(CV‬‬ ‫לקחנו פרוסת סיליקון סוג ‪ p‬עם ריכוז סיגים לא ידוע וגידלנו תחמוצת ועליה , בתור מתכת,‬ ‫גידלנו פוליסיליקון סוג ‪ .p‬על מנת לדעת את מתח הסף ביקשנו שידדו עבורנו את הקיבול‬ ‫כפונקציה של המתח )בתדר נמוך( וקבלנו את הגרף הבא:‬ ‫0.01‬ ‫2‬ ‫] ‪Capacitance [nF/cm‬‬ ‫המודד לא עשה עבודה יסודית – הוא לא‬ ‫מדד ממתחים מספיק שליליים כדי להתחיל‬ ‫ממקום שאין בו שיפוע. אבל מכיוון שמדד‬ ‫בתדר נמוך, ניתן לקבל את קיבול התחמוצת‬ ‫בצד השני של הגרף.‬ ‫5.9‬ ‫9.9 = ‪C OX‬‬ ‫0.9‬ ‫5.8‬ ‫54.9 = ‪C FB‬‬ ‫הקיבול במתח אפס נקרא קיבול יישור הפסים‬ ‫0.8‬ ‫5.7‬ ‫01‬ ‫8‬ ‫4‬ ‫6‬ ‫2‬ ‫0‬ ‫2-‬ ‫0.7‬ ‫]‪Voltage [V‬‬ ‫1‬ ‫1‬ ‫‪L‬‬ ‫=‬ ‫‪+D‬‬ ‫‪C FB COX ε S‬‬ ‫82‬ ‫כאשר‬ ‫‪ε SVt‬‬ ‫‪qN A‬‬ ‫= 2‪L‬‬ ‫‪D‬‬ ‫‪Vt‬‬ ‫2‬ ‫⎞‬ ‫⎟‬ ‫⎟‬ ‫⎠‬ ‫1⎛‬ ‫1‬ ‫⎜ ‪qε S‬‬ ‫‪⎜C − C‬‬ ‫‪OX‬‬ ‫‪⎝ FB‬‬ ‫= ‪NA‬‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫41‬ ‫3 − ‪= 6.73 ⋅ 1015 cm‬‬ ‫620.0‬ ‫2‬ ‫⎞1‬ ‫1⎛‬ ‫⎜ 01 ×‬ ‫−‬ ‫⎟‬ ‫⎠ 9.9 54.9 ⎝‬ ‫81‬ ‫41−‬ ‫=‬ ‫01 ⋅ 58.8 × 8.11 ×‬ ‫91 −‬ ‫01 ⋅ 6.1‬ ‫‪Vt‬‬ ‫2‬ ‫⎞‬ ‫⎟‬ ‫⎟‬ ‫⎠‬ ‫1⎛‬ ‫1‬ ‫⎜ ‪qε S‬‬ ‫‪⎜C −C‬‬ ‫‪OX‬‬ ‫‪⎝ FB‬‬ ‫= ‪NA‬‬ ‫כעת, בהזנחת מטעני התחמוצת נקבל:‬ ‫⎞ ‪kT ⎛ N A‬‬ ‫‪⎟ = 0.328 V‬‬ ‫⎜‪ln‬‬ ‫⎟ ‪q ⎜ ni‬‬ ‫⎝‬ ‫⎠‬ ‫0.01‬ ‫2‬ ‫] ‪Capacitance [nF/cm‬‬ ‫5.9‬ ‫0.9‬ ‫5.8‬ ‫0.8‬ ‫‪2ε 0ε S qN A 2φ F‬‬ ‫‪C Ox‬‬ ‫01‬ ‫8‬ ‫6‬ ‫4‬ ‫2‬ ‫0‬ ‫‪Eg‬‬ ‫+ ‪− φ F + 2φ F‬‬ ‫2‬ ‫− = ‪VT‬‬ ‫‪= 3 .7 V‬‬ ‫5.7‬ ‫2-‬ ‫= ‪φF‬‬ ‫0.7‬ ‫]‪Voltage [V‬‬ ‫92‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫מה עובי התחמוצת במקרה שלנו?‬ ‫41− 01 ⋅ 58.8 × 9.3‬ ‫‪= 350 nm‬‬ ‫9 − 01 ⋅ 9.9‬ ‫‪ε 0ε OX‬‬ ‫=‬ ‫‪C OX‬‬ ‫=‪d‬‬ ‫עובי התחמוצת שגדלנו הוא עבה מאד ביחס לעובי האופייני.‬ ‫נרצה לחשב איזה מתח סף היינו מקבלים עם אותו מצע )אותו‬ ‫ריכוז זיהום( ועובי תחמוצת של ‪) 50 nm‬קטן פי 7(?‬ ‫41− 01⋅ 58.8 × 9.3‬ ‫2 ‪= 69 nF‬‬ ‫‪cm‬‬ ‫9− 01⋅ 05‬ ‫=‬ ‫‪ε 0ε OX‬‬ ‫‪d‬‬ ‫= ‪COX‬‬ ‫רואים שמתח הסף יקטן )פי 11(:‬ ‫‪= 0.35 V‬‬ ‫03‬ ‫‪2ε 0ε S qN A 2φ F‬‬ ‫‪C Ox‬‬ ‫+ ‪− φ F + 2φ F‬‬ ‫‪Eg‬‬ ‫2‬ ‫− = ‪VT‬‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫51‬ ‫ג. התקן צימוד המטען )‪(CCD‬‬ ‫=המצלמה הדיגיטלית של ימינו‬ ‫3‪G‬‬ ‫2‪G‬‬ ‫1‪G‬‬ ‫יישום המשתמש בקבל ‪ MOS‬במצב מיחסור‬ ‫זהו מעין קבל ‪ MOS‬בעל סדרה של שערים‬ ‫הומצא ב- 9691 ע"י ‪ Boyle‬ו- ‪ Smith‬מחברת הטלפונים ‪Bell‬‬ ‫מתחת לכל שער נוצר אזור מיחסור הנשלט בלעדית ע"י אותו השער‬ ‫השערים קרובים זה לזה – נוצר צימוד בין איזורי מיחסור סמוכים‬ ‫עומק אזור המיחסור תלוי ישירות במתח השער‬ ‫13‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫ממציאי ה- ‪ :CCD‬בויל וסמית, 9691‬ ‫6002 – פרס ע"ש צרלס סטארק דרייפר‬ של האקדמיה הלאומית להנדסה בארה"ב‬ ‫23‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫61‬ ‫אור‬ ‫עקרון פעולה:‬ ‫א. אחסון המטען‬ ‫האור יוצר זוגות אלקטרון-חור‬ ‫השדה מפריד אותם‬ ‫אלקטרונים מצטברים ליד פני השטח‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫33‬ ‫בצורה יותר מדויקת:‬ ‫כשמטען האות מאוחסן – מתח‬ ‫כיפוף הפסים קטן בהתאם‬ ‫במיחסור עמוק מתקיים:‬ ‫‪VG − VFB = VOX + VBB‬‬ ‫2 ‪qN AW‬‬ ‫‪2ε 0ε Si‬‬ ‫= ‪VBB‬‬ ‫‪qN AW‬‬ ‫‪COX‬‬ ‫= ‪VOX‬‬ ‫) ‪2ε 0ε Si qN AVBB = f (VBB , d , N A‬‬ ‫43‬ ‫‪d‬‬ ‫‪ε 0ε OX‬‬ ‫+ ‪VG = VFB + VBB‬‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫71‬ ‫‪2ε 0ε Si qN AVBB‬‬ ‫‪d‬‬ ‫‪ε 0ε OX‬‬ ‫+ ‪VG − VFB = VBB‬‬ ‫עומק הבור )גודל המחסן(, המתקבל עבור מתח שער מסוים,‬ ‫תלוי בעובי התחמוצת וברמת הזיהום‬ ‫נרצה להקטין את עובי התחמוצת ורמת הזיהום כדי לקבל יותר‬ ‫איחסון בפחות מתח שער‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫53‬ ‫ב. הזזת המידע בין תאים שכנים‬ ‫)‪ (a‬תא שמאלי פתוח. תא ימני סגור.‬ ‫)‪ (b‬שני התאים פתוחים. המטען מתפלג שווה בשניהם.‬ ‫)‪ (c‬תא שמאלי נסגר והמטען שבו זורם לימני.‬ ‫הסיבות להזזה:‬ ‫63‬ ‫דיפוזיה תרמית )בכמויות מטען קטנות(,‬ ‫סחיפה בהשראה עצמית )כוחות דחייה(,‬ ‫סחיפה בשדה חשמלי בין מגעים שכנים‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫81‬ ‫ע"י סדרה של מתחי שער כל‬ ‫עמודה עוברת למקום של שכנתה‬ ‫עד קצה המטריצה‬ ‫בקצה המטריצה יש רגיסטר הזזה,‬ ‫שהוא מעין ‪ CCD‬חד מימדי‬ ‫והסיגנל הופך לסיגנל טורי.‬ ‫73‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫אנלוגיה: ‪ CCD‬לאיסוף מי גשם‬ ‫83‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ ‫91‬ ?CCD ‫כיצד נראה שבב של‬ ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ 39 ‫סיכום‬ zxivi xyt`n MOS law ly dpand dcy i"r (mipexhwl` e` mixeg) dlrz (gzn) mi`zn MOS ilaw ly dxcq xviil ozip xiardl xyt`nd ,dffd xhqibx xevile cg` law ly xeqgn xef`n miprhn epky ly dfl leki MOS ilaw ly ivixhn dpan (CCD) dnlvn zxivil ynyl ‫מבוא להתקני מל"מ - ד"ר אילן שליש‬ 20 40 ...
View Full Document

This note was uploaded on 01/14/2012 for the course ELECTRICAL 361.1.2171 taught by Professor Prof.shlomohava during the Winter '10 term at Ben-Gurion University.

Ask a homework question - tutors are online