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
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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
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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