Microeletrônica. Aula - 5. Prof. Fernando Massa Fernandes. Sala 5017 E.

Transcrição

1 Microeletrônica Aula - 5 Prof. Fernando Massa Fernandes Sala 5017 E fernando.fernandes@uerj.br (Prof. Germano Maioli Penello)

2 1 Fabricação CMOS Revisão

3 2 Dopagem A dopagem é feita para alterar as propriedades elétricas do semicondutor. Dopante tipo p? B (coluna III da tabela periódica) Dopante tipo n? P (coluna V da tabela periódica) Difusão de átomos doadores (tipo-n) ou aceitadores (tipo-p) no silício (Si).

4 3 Dopagem A dopagem é feita para alterar as propriedades elétricas do semicondutor. Dopante tipo p? B (coluna III da tabela periódica) Dopante tipo n? P (coluna V da tabela periódica) A dopagem aumenta a condutividade porque agora há mais portadores disponíveis para realizar a condução. No semicondutor tipo-n esse excesso é de elétrons. No semicondutor tipo-p esse excesso é de buracos. σ= 1 =e ( μ n n+μ p p ) ρ

5 4 Dopagem A dopagem é feita para alterar as propriedades elétricas do semicondutor. Dopante tipo p? B (coluna III da tabela periódica) Dopante tipo n? P (coluna V da tabela periódica) Energia de Fermi c-si intrínseco (não dopado em 300K) E g ( Si ) = 1,12 ev * Livro - Solar energy: The physics and engineering of photovoltaic conversion, technologies and systems UIT Cambridge (2015)

6 Concentração de portadores Energia de Fermi À temperatura ambiente (~300K) em um Si intrínseco, Só existe um par elétron/buraco a cada ~1012 átomos de Si E g ( Si ) = 1,12 ev No Si intrínseco (não-dopado) a energia de Fermi é no meio do GAP. Vários aplicativos em: 5

7 6 Dopagem A dopagem é feita para alterar as propriedades elétricas do semicondutor. Dopante tipo p? B (coluna III da tabela periódica) Dopante tipo n? P (coluna V da tabela periódica) Energia de Fermi Metal Semicondutor (GAP) 1,12 ev (Si) * Livro - Solar energy: The physics and engineering of photovoltaic conversion, technologies and systems UIT Cambridge (2015)

8 Concentração de portadores Energia de Fermi - Dopagem EFi = Ec - Eg/2 Semicondutor dopado- (não-degenerado) Percebemos com estas equações que a dopagem controla o nível de Fermi! 7

9 Concentração de portadores Energia de Fermi - Dopagem Semicondutor dopado- (não-degenerado) Equação da densidade de portadores na banda de condução (n) e na banda de valência (p) é dada pela Lei de Ação das Massas: Densidade de estados: 8

10 9 Dopagem A dopagem é feita para alterar as propriedades elétricas do semicondutor. Dopante tipo p? B (coluna III da tabela periódica) Dopante tipo n? P (coluna V da tabela periódica) * Note que, se o número de elétrons (buracos) aumenta com a dopagem, o número de buracos (elétrons) no mesmo material diminui => Lei da ação das massas No semicondutor dopado (Nd >> ni) N d >>p ρ= 1 e. μn. N d * Livro - Solar energy: The physics and engineering of photovoltaic conversion, technologies and systems UIT Cambridge (2015)

11 10 Dopagem A dopagem é feita para alterar as propriedades elétricas do semicondutor. Dopante tipo p? B (coluna III da tabela periódica) Dopante tipo n? P (coluna V da tabela periódica) A dopagem aumenta a condutividade porque agora há mais portadores disponíveis para realizar a condução. No semicondutor tipo-n esse excesso é de elétrons. No semicondutor tipo-p esse excesso é de buracos. Quando o número de elétrons aumenta com a dopagem, o número de buracos no mesmo material diminui. Por que? A relação entre elétrons, buracos e número de portadores intrínsecos é governada pela Lei de ação das massas No semicondutor dopado (Nd >> ni) 1 N d >>p ρ= e. μ. N n d

12 11 Tempo de vida do portador Quando a temperatura aumenta, o semicondutor absorve calor. Elétrons na banda de valência ganham energia para serem excitados pra banda de condução. Note a importância de Eg no semicondutor! Esta excitação de elétrons da banda de valência para a banda de condução é chamada de geração. Quando o elétron volta da banda de condução para a banda de valência, isto é chamado de recombinação. O tempo que o elétron passa na banda de condução antes de recombinar (voltar para a banda de valência) é aleatório. Ele é caracterizado pelo tempo de vida do portador tt. (valor rms do tempo que o elétron passa na banda de condução)

13 12 Exemplo Si dopado Pouquíssimos buracos! Note que com ND = 1018, a aproximação de que começa a não ser muito boa. Quando ND ~ NSi, o material é chamado de degenerado. Materiais degenerados não seguem mais a lei de ação das massas.

14 13 Energia de Fermi (Junção pn) Ao criar uma junção pn, como fica a estrutura de banda da junção? (NA) Junção pn (ND)

15 (Junção pn) Elétrons livres do lado n e buracos livres do lado p se recombinam na junção. Essa região livre de elétrons livres e buracos livres é chamada de região de depleção. 14

16 15 Diodo As características DC de um diodo são dadas pela equação de Shockley do diodo education/pn/iv/index.html

17 16 Diodo As características DC de um diodo são dadas pela equação de Shockley do diodo ID corrente no diodo IS Corrente de saturação Vd Tensão no diodo VT Tensão térmica 300K) n coeficiente de emissão (relacionado com o perfil de dopagem)

18 17 Fabricação de dispositivos Resistores Capacitores MOSFET Sobre processo de fabricação CMOS:

19 2 Resistor (poço-n) Além de ser usado como o corpo do PMOS, o poço pode ser usado como um resistor. Se as tensões nos terminais do resistor forem maiores que a tensão do substrato, podemos evitar que o diodo parasítico seja polarizado diretamente.

20 3 Resistor (poço-n) - Difusão Difusão de átomos doadores (tipo-n). Elemento da coluna V da tabela periódica P - Fósforo. Note que a difusão ocorre também embaixo do fotorresiste protetor

21 13 Resistência Além de servir como base para o transistor PMOS, o poço-n também é utilizado para criar resistores. Lembrando: ρ resistividade 1 σ= ρ condutividade A resistência de um material depende de propriedades intrínsecas do material e da sua geometria. Propriedade do mateiral: Resistividade Geometria: Comprimento e área de seção reta

22 17 Resistência Além de servir como base para o transistor PMOS, o poço-n também é utilizado para criar resistores. Lembrando: ** Lei da ação das massas np=ni pi No poço dopado (ND >> ni) 1 N D p ρ= e. μ. N n D 1 σ= ρ =e ( μ n n+μ p p ) 2 μ p ( Si ) =500 cm / ( V. s ) 2 μn ( Si ) =1450 cm / ( V. s ) N D ou N A, tipicamente ~ cm 3

23 19 Resistência Além de servir como base para o transistor PMOS, o poço-n também é utilizado para criar resistores. A espessura t de um processo CMOS é normalmente fixa, mas o comprimento L e a largura W são determinados pela máscara do leiaute. Podemos controlar L e W, e com isso fabricar um resistor com o valor desejado.

24 20 Resistência Além de servir como base para o transistor PMOS, o poço-n também é utilizado para criar resistores. A espessura t de um processo CMOS é normalmente fixa, mas o comprimento L e a largura W são determinados pela máscara do leiaute. Podemos controlar L e W, e com isso fabricar um resistor com o valor desejado. E o fator de escala?

25 21 Resistência Além de servir como base para o transistor PMOS, o poço-n também é utilizado para criar resistores. A espessura t de um processo CMOS é normalmente fixa, mas o comprimento L e a largura W são determinados pela máscara do leiaute. Podemos controlar L e W, e com isso fabricar um resistor com o valor desejado. E o fator de escala? O valor projetado não é alterado pelo fator de escala!

26 22 Resistência de folha Uma grandeza comum é a resistência de folha de um material. Ela é utilizada em sistemas de filmes finos e implica que o fluxo de corrente se dá ao longo do plano da folha, e não perpendicular a ela. Unidade de Rs : /sq ou / Esta unidade serve para evitar a confusão entre a resistência de folha e a resistência Exemplo: Um quadrado com Rs = 100 /sq tem resistência de 100. Um retângulo de lado 1 e comprimento 3 do mesmo material tem resistência de 300

27 27 Resistor de poço-n Detalhe do Layout Esta é a seção reta de um resistor de poço-n após as divesas etapas de processamento.

28 28 Exercício -1 No processo de fabricação CMOS da empresa ON Semiconductors, com tecnologia C5 (de 0,5 microns), a resistencia quadrada de um poço-n vale cerca de Rs = 855 /sq. Estime o valor da dopagem (ND) considerando que a espessura efetiva do poço seja tipicamente de t = ~0,5 micron.