[fep] Introducao
- From: Leonardo Motta <lmotta@xxxxxxxxxxxxxxxxxx>
- To: fep@xxxxxxxxxxxxx
- Date: Mon, 1 Dec 2003 19:32:30 -0200
Em anexo envio a introducao que escrevi para o relatorio.
Quem tiver interesse em corrigir e acrescentar, seria bom.
(em formato codigo-fonte LaTeX; pessoas que nao usam Latex: apenas ignorem
tudo que tem \ na frente e leiam o texto puro.)
[]'s
-Leo
\section{Introdução}
\subsection{Capacitores metal-óxido-semicondutor
(MOS) $^\text{\cite{apostila-unicamp}, \cite{apostila-mit}}$}
\par Capacitores de metal-óxido-semicondutor (MOS) são construídos
intercalando uma interface de metal (condutor) com semicondutor, um
óxido e outro metal, Fig. \ref{fig:dia-mos}. Neste caso, o capacitor é
considerado ideal se não há presença de cargas no óxido e na interface
Si/SiO$_2$, as funções trabalho do semicondutor e do metal são
idênticas e a distribuição de dopantes no substrato (semicondutor) é
homogênea. Os primeiros estudos sobre estes dispositivos foram
desenvolvidos por J. E. Lilenfeld em 1926-1928, seguido então por O.
Heil (1935) e W. B. Shockley e G. L. Pearson (1945). Em 1957 e 1960,
G. J. Frosch, L. Derrick e J. A. Hoerni introduziram a tecnologia de
fabricação destes dispostivos com filmes finos de dióxido de silício
(SiO$_2$). Atualmente, a tecnologia MOS é utilizada na fabricação de
dispostivos de alta qualidade em microeletrônica com baixo custo de
potência, e a pesquisa nessa linha vem aumentando o uso de outros
filmes dielétricos como o nitreto de silício (Si$_3$Ni$_4$), a alumina
(Al$_2$O$_3$), o oxinitreto de silício (SiON) ou a intercalação de
camadas dielétricas (Si$_3$N$_4$/SiO$_2$ ou
SiO$_2$/Si$_3$N$_4$/SiO$_2$).
\begin{figure}[h]
\includegraphics{capacitor-mos}
\caption{\label{fig:dia-mos} Diagrama de um capacitor MOS.}
\end{figure}
\begin{figure}[h]
\includegraphics[scale=0.7]{cv-mos}
\caption{\label{fig:cv-mos} Curva da capacitância $C$
pela voltagem $V$ no capacitor MOS.}
\end{figure}
\par A operação dos dispostivos MOS depende da tensão aplicada na
superfície do semicondutor, e sua capacitância varia conforme esta
tensão, qualitativamente como a curva na Fig. \ref{fig:cv-mos}. É
possível distinguir três regiões definidas por duas voltagens, que
são:
\paragraph{\bf Acumulação.} Ao aplicar uma tensão tal que cargas
de mesmo sinal que os portadores majoritários do semicondutor estão na
base, os portadores, repelidos, acumulam-se na interface com o óxido.
A camada de acumulação, para uma concentração alta de portadores
majoritários, é equivalente a um segundo eletrodo num capacitor de
placas paralelas (o primeiro sendo o eletrodo superior), resultando em
um campo elétrico $E = -V_\mathrm{sup}/d_\mathrm{ox}$ no óxido, onde
$V_\mathrm{sup}$ é a tensão no eletrodo superior e $d_\mathrm{ox}$ é a
espessura da camada de óxido (aproximação de capacitor ideal de placas
paralelas). Quando a superfície do semicondutor está saturada e desde
que haja um contato ôhmico direto entre o substrato de Si e a região
de acumulação das lacunas, a capacitância da estrutura MOS é máxima e
aproximadamente igual a capacitância no óxido, que é:
\[ C_\mathrm{max} = C_\mathrm{ox} = \epsilon_0 \epsilon_\mathrm{ox} S
/d_\mathrm{ox} \]
para a área $S$ do eletrodo superior.
\paragraph{\bf Depleção.} Neste intervalo de tensão há um deslocamento
dos portadores majoritários da superfície do substrato, expondo
possíveis impurezas aceitadoras, formando uma região de depleção de
portadores na superfície, constituida por íons aceitadores. Esta
região atua compensando o campo elétrico aplicado.
\paragraph{\bf Inversão.} Nesta região o semicondutor inverte seu
papel (p.e.g. de tipo-n para tipo-p). Isso ocorre pois portadores
majoritários são retirados da interface Si/SiO$_2$, expondo p.e.g.
carga positiva se o semicondutor é do tipo-n. Segundo a lei de
Boltzmann, a densidade de portadores decresce exponencialmente ao se
distanciar da interface, crescendo em direção ao eletrodo da base. O
número de portadores majoritários na interface descresce com a
voltagem aplicada. Correspondentemente, o número de portadores
minoritários cresce até tornar-se maioria, invertendo assim o papel do
semicondutor.
\subsubsection{Ruptura no SiO$_2$}
\par Um campo elétrico muito intenso ($> 1$ MV/cm), maior que um certo
valor crítico, provoca a ruptura do óxido, que deixa de ser isolante.
A ruptura do dielétrico ocorre por um processo de avalanche de
elétrons de energia alta o suficiente a penetrar a faixa proibida do
óxido. Os elétrons injetados interagem com os demais elétrons na rede,
nocauteando-os e assim gerando elétrons e lacunas livres que
passam a nocautear mais elétrons e lacunas: um processo de
multiplicação de portadores livres no dielétrico.
\par Lacunas ou elétrons liberados podem também ocupar algumas
``armadilhas": impurezas e ligações atômicas quebradas (provocadas por
tensões e defeitos) presentes no corpo do óxido. Estas armadilhas,
normalmente neutras, quando carregadas pelo excesso de elétrons ou
lacunas, são denominadas de cargas capturadas no óxido e localizam-se
por todo o volume do filme de SiO$_2$, contribuindo para a corrente no
óxido. Com isso, a ruptura do óxido pode ocorrer pela aplicação de
campos menos intensos.
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