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第6章 072 太陽電池はダイオードの一種 太陽電池のための半導体デバイス入門 上級編 ダイオードは二極菅という真空管だった 図1 ダイオードの起源は二極菅という真空管 プレート アノード ダイオードは もともと図1に示す 二極菅 と呼ばれる真空管のことを指しました この二極菅の特許も かのエジソン

2018/6/12 表面の電子状態 表面に局在する電子状態 表面電子状態表面準位 1. ショックレー状態 ( 準位 ) 2. タム状態 ( 準位 ) 3. 鏡像状態 ( 準位 ) 4. 表面バンドのナローイング 5. 吸着子の状態密度 鏡像力によるポテンシャル 表面からzの位置の電子に働く力とポテン

第6章 072 太陽電池はダイオードの一種 太陽電池のための半導体デバイス入門 上級編 ダイオードは二極菅という真空管だった 図1 ダイオードの起源は二極菅という真空管 プレート アノード ダイオードは もともと図1に示す 二極菅 と呼ばれる真空管のことを指しました この二極菅の特許も かのエジソン

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3.5 トランジスタ基本増幅回路 ベース接地基本増幅回路 C 1 C n n 2 R E p v V 2 v R E p 1 v EE 0 VCC 結合コンデンサ ベース接地基本増幅回路 V EE =0, V CC =0として交流分の回路 (C 1, C 2 により短絡 ) トランジスタ

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Taro-F25理論 印刷原稿

名称 型名 SiC ゲートドライバー SDM1810 仕様書 適用 本仕様書は SiC-MOSFET 一体取付形 2 回路ゲートドライバー SDM1810 について適用いたします 2. 概要本ドライバーは ROHM 社製 2ch 入り 180A/1200V クラス SiC-MOSFET

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物性物理学 I( 平山 ) 補足資料 No.6 ( 量子ポイントコンタクト ) 右図のように 2つ物質が非常に小さな接点を介して接触している状況を考えましょう 物質中の電子の平均自由行程に比べて 接点のサイズが非常に小さな場合 この接点を量子ポイントコンタクトと呼ぶことがあります この系で左右の2つ

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完全空乏型SOI-MOSFET

目次 概要... 1 目次 電気的特性 静的特性 動的特性 静電容量特性 実効容量 ( エネルギー換算 ) スイッチング特性 dv/dt 耐量...

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(3) E-I 特性の傾きが出力コンダクタンス である 添え字 は utput( 出力 ) を意味する (4) E-BE 特性の傾きが電圧帰還率 r である 添え字 r は rrs( 逆 ) を表す 定数の値は, トランジスタの種類によって異なるばかりでなく, 同一のトランジスタでも,I, E, 周

(4.15a) Hurwitz (4.15a) {a j } (s ) {a j } n n Hurwitz a n 1 a n 3 a n 5 a n a n 2 a n 4 a n 1 a n 3 H = a n a n 2. (4.16)..... a Hurwitz H i H i i H

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D = [a, b] [c, d] D ij P ij (ξ ij, η ij ) f S(f,, {P ij }) S(f,, {P ij }) = = k m i=1 j=1 m n f(ξ ij, η ij )(x i x i 1 )(y j y j 1 ) = i=1 j

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第 5 章復調回路 古橋武 5.1 組み立て 5.2 理論 ダイオードの特性と復調波形 バイアス回路と復調波形 復調回路 (II) 5.3 倍電圧検波回路 倍電圧検波回路 (I) バイアス回路付き倍電圧検波回路 本稿の Web ページ ht

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スピントランジスタの基本技術を開発   ― 高速・低消費電力、メモリにもなる次世代半導体 ―

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F 1 2 dc dz ( V V V sin t 2 S DC AC ) 1 2 dc dc 1 dc {( VS VDC ) VAC} ( VS VDC ) VAC sin t VAC cos 2 t (3.2.2) 2 dz 2 dz 4 dz 静電気力には (3.2.2) 式の右

Transcription:

半導体電子工学 II 神戸大学工学部 電気電子工学科 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 1

全体の内容 日付内容 ( 予定 ) 備考 1 10 月 6 日半導体電子工学 I の基礎 ( 復習 ) 11/24/'10 2 10 月 13 日 pn 接合ダイオード (1) 3 10 月 20 日 4 10 月 27 日 5 11 月 10 日 pn 接合ダイオード (2) pn 接合ダイオード (3) pn 接合ダイオード (4) MOS 構造 (1) 6 11 月 17 日 MOS 構造 (2) 7 11 月 24 日 MOS 構造 (3) 8 12 月 01 日 MOS 構造 (4) 9 12 月 08 日 MOSFET(1),MOSIC(1) 10 12 月 15 日 MOSFET(2) 11 12 月 22 日講演会 (LR501) 理解度チェックテスト に変更予定 12 1 月 12 日 MOSFET(3) 13 1 月 19 日 MOSIC(1の続き ) Bipolar Device 14 1 月 26 日 期末試験直前対策? 2

出てきた用語 内容 ( 説明できますか?) 真空準位, 仕事関数, 電子親和力 酸化膜 反転 空乏 蓄積 表面電位 φ 基板のフェルミ電位 表面電位と表面電荷密度との関係 表面電位がのときは何が起きる? 表面電位が 2φ f のときは? ゲート電圧と表面電位との関係は? 閾値電圧とは? S φ f φ f どうやって求める? どうやって求める? 何が基本? 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 3

本日の内容 MOSFET 構造 応用 弱反転状態 強反転状態 線型領域, ピンチオフ, 飽和領域 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 4

12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 5

MOS トランジスタ p.163~ 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 6

動作の概略 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 7

キャリア ( 電子 ) の様子 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 8

ドレインに正電圧印加 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 9

ゲートに小さい正電圧印加 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 10

さらに高いゲート電圧印加 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 11

動作状態の MOSFET の内部 バイアス条件 V DS =4 V, V GS =4 V, V BS =0 V I DS -V DS 特性 I DS -V GS 特性 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 12

MOSFET の種類 E/D 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 13

記 号 n-mosfet p-mosfet - - + + - p p + n 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 14

応用 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 15

CMOS インバータ N ウェル pmos p + pmos V out p + V in ゲートメタル contact hole nmos n + n + nmos 12/08/'10 SiO 2 半導体電子工学 Ⅱ psub. 16

応用 1 MOS メモリ (DRAM) 書き込み Y1 Y2 X1 X2 X3 on on on T 11 T 21 Q C 11 + - C 21 (1,1) (2,1) ビット線 T 21 T 22 ワード線 Y3 C 21 C 22 (2,1) (2,2) DRAM セル 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 17

MOSFET 内部では 何がどうなっている? 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 18

チャネル内の電位分布 (1) ソース ドレイン P 型基板 x-y 平面断面図 E-x 平面断面図 E ドレイン E-y 平面断面図 x 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 19

チャネル内の電位分布 (2) ソース P 型基板 ドレイン 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 20

弱反転条件でのポテンシャル 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 21

弱反転条件でのポテンシャルと電子の様子 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 22

弱反転条件でのソース - ドレイン電流 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 23

弱反転条件でのソース - ドレイン電流の計算 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 24

弱反転領域での電気特性のまとめ 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 25

強反転条件でのポテンシャル 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 26

ポテンシャル形状 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 27

チャネル内の電位分布 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 28

線型領域と飽和領域 ドレイン ソース 濃い青の部分がチャネル ( 電子がたくさんいる ) ドレイン ソース 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 29

線型領域でのポテンシャル 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 30

線型領域でのソース ドレイン電流 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 31

線型領域の簡単な理解 ( ) ( ) ( ) D D T G ox D T G ox T G ox D V V V V C L W E V V V C V V C W I = + = 2 1 2 μ μ (5.31b) ( ソース端の反転電子密度 ) ( ドレイン端の反転電子密度 ) ( チャネル内の平均反転電子密度 ) 12/08/'10 32 半導体電子工学 Ⅱ

一般式 ( 線型領域 ) 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 33

MOSFET の動作の基本モデル (1) Q I (y) = ( ゲート電圧が誘起する全電荷量 ) ー ox ( シリコン界面付近の空乏層固定電荷量 ) [ V V φ V ( y) ] + ε qn [ V ( y) + φ ] = C 2 (5.24) G FB s Si A s 反転が生じるときの表面電位 φ = 2φ s f ( y) VD 0 V 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 34

MOSFET の動作の基本モデル (2) 整理すると I = Wμ D n Q I = C ox Q I ( y)( dv dy) [ ( )] V V 2φ V y G FB f (5.27) + 2 ε Si qn A [ ( ) ] V y + 2φ f (5.24) ドリフト電流のみ考えている 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 35

MOSFET の動作の基本モデル (3) チャネル中の電流は連続 I D は一定値 積分を実行して I D = I Ddy = I DL = 0 L ( W L) C {( ) oxμn VG VFB 2φ f VD / 2 VD ( 3 2) ( 2 SiqN )( V 2 ) 3 2 ε + φ ( 2φf ) A 0 L [ 3/ ]/ C } 2 D Wμ n f Q I ( y)( dv dy)dy ox (5.28) チャネル電流ドレイン電圧ゲート電圧 ドリフト電流反転層電子密度 (5.29) 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 36

飽和領域でのポテンシャル 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 37

ピンチオフ条件 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 38

飽和領域での電流 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 39

強反転でのまとめ (1) 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 40

MOSFET の動作の基本モデル (2) V D 2φ f 線形領域 D ( W L) C [( V V V / ) V ] I = μ 2 ox n G th D D (5.31b) 飽和領域 I D V ( W L) C ( V V ) 2 = μ D = V 2 ox n G th Dsat V = V th G V f th = 2 φ + V + FB 2ε Si qn C ox (5.33) A ( 2φ ) f (4.57) 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 41

強反転でのまとめ (3) 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 42

相互コンダクタンス (g m ), ドレインコンダクタンス (g d ) 動作性能 g g m d = = I V I V D G D D 入力側から見た MOSFET の増幅能力 高速動作の目安 出力側から見たアドミタンス g m = ( W L) C μ V ox n D (5.38) g d ( W L) C ( V V V ) = μ ox n G th D 最も簡単な等価回路 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 43

復習第 4 章 MOS 構造 p.57-- 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 44

12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 45

バンド図 ( 理想 MOS 構造 )= 再掲 vacuum level qχ ox E cox qφ m qχ E g 2 qφ f E C E i E F t ox E V Metal Oxide p-semiconductor 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 46

MOS 構造中の電荷 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 47

古典的デバイスシミュレーションの基本方程式 ( ) ( ) ε ρ φ x dx x d = 2 2 = T k n n B i F i ε ε exp = T k n p B F i i ε ε exp n ed E en J n n n + = μ p ed E ep J p p p = μ ( ) ( ) ( ) ( ) t x R t x G t x J x e t t x n n n n,,, 1, + = ( ) ( ) ( ) ( ) t x R t x G t x J x e t t x p p p p,,, 1, + = 48 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ

反転閾値電圧 Threshold Voltage 物理的意味 反転 空乏層電荷 V th ( φ S = f 2φ ) し始めるときのゲート電圧 Q B = 2ε qn 2 Si A ( φ ) f 閾値電圧 V th = f V th 2 φ + V + FB 2ε Si qn C ox A ( 2φ ) f 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 49

電荷分布 ポテンシャル分布 電界分布 2 d φ 2 dx ( x) ρ( x) = ε Si ( 1.119) φ qn x = D 2 ε Si ld 2φ = S x 1 ld ld A 2 ( x) l 1 ( 4.5) E ( x) ( 4.7) 2 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 半導体電子工学 II 50

出てきた用語 pn 接合内の拡散電流 少数キャリア注入 発生電流 順バイアス, 逆バイアス時の電流メカニズムの違いは? 印加電圧依存性は?(logプロットした時の傾きは?) 何が拡散? ドリフト電流が無いのはなぜ 少数キャリアとは? 注入されたキャリアはどうなる? どこで何がどのように発生? 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 51

値を覚えて量の感覚を身につけよう! k B e ε 0 k BT / e 他にも必要なものがあったら自分のノートに表を作ってみよう * ) ( 期末試験対策や他の科目の受講の時に役に立つ ) Planck 定数は? 光速は? Si や Ge や GaAs の物性定数は? * ) 表を書くのが面倒だって? それなら適当な文献からコピーして貼り付けておいたら? 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 52

基本方程式 ( ) ( ) ε ρ φ x dx x d = 2 2 = T k E E n n B i F i exp = T k E E n p B F i i exp n ed E en J n n n + = μ p ed E ep J p p p = μ ( ) ( ) ( ) ( ) t x R t x G t x J x e t t x n n n n,,, 1, + = ( ) ( ) ( ) ( ) t x R t x G t x J x e t t x p p p p,,, 1, + = 12/08/'10 53 半導体電子工学 Ⅱ

出てきた用語 半導体 伝導帯 価電子帯 バンドギャップ 真性半導体 外因性半導体 中性半導体 電荷中性条件 キャリア密度の式 フェルミレベル ( フェルミ準位 ) pn 積 ポアソン方程式 ドリフト電流 拡散電流 電流密度の式 移動度 アインシュタインの式 フォノン散乱 イオン化不純物散乱 連続の式 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 54

自己チェック (1) フェルミ準位とキャリア密度との関係は? 電荷中性条件とは? 外因性半導体の中性領域 ( 中性半導体 ) でのフェルミレベルは計算できる? キャリア密度の式 (Boltzmann 近似 ) の導出は? Boltzmann 近似ってなんだっけ? pn 積一定の法則 12/08/'10 半導体電子工学 Ⅱ 55

( 付 ) キャリア密度の厳密な計算 n = + E c g C ( E) f ( ) FD E de 相馬 p.84 = = E N + c C 1 2 2π F 1/ 2 ( ) η 2m h * n 2 3/ 2 E E C 1 E ε F 1+ exp kbt de ~3k B T Boltzmann 近似が成立しない領域 状態密度 = 座席の数 Boltzmann 近似が成立する領域 分布関数 = 席の占有割合 T=300K 12/08/'10 半導体電子工学 ⅡII 56