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MOS no ideal Por su sencilla fabricación y simplicidad de funcionamiento, el capacitor MOS ha sido la estructura de prueba elegida para verificar la existencia de efectos “no ideales”. Se entiende entonces porqué la mayoría de los efectos no ideales se ilustran utilizando la curva C-V. Cualquier desviación respecto del ideal tiene impacto sobre el Transistor MOS. Estas diferencias respecto del comportamiento ideal afectan fundamentalmente a la tensión de umbral. 1. Diferencia en las funciones trabajo del metal y el semiconductor:

Resulta obvia la aparición de un potencial de contacto igual a la diferencia de las funciones trabajo ( φ MS = φ M - φ S ) expresada en volt. La condición de “Flat Band” (bandas de energía sin curvarse) en un dispositivo ideal ocurre cuando la tensión de polarización VG = 0. En el diagrama anterior se observa que la condición de Flat Band se alcanza cuando se aplica una VG = φ MS < 0. Debido a que ambos dispositivos, ideal y no ideal, tendrán en la condición de “banda plana” la misma capacidad concluimos que el punto de banda plana para el dispositivo real estará desplazado lateralmente φ MS volts sobre el eje de tensión. Como se resume en la siguiente figura toda la curva C-V de un MOS no ideal se desplazará, para el caso de un sustrato tipo P, φ MS volts en el sentido negativo a lo largo del eje de tensión respecto de la curva del dispositivo ideal.

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VG = tensión aplicada al MOS real. VG’ = tensión aplicada al MOS ideal Por lo tanto ∆VG = (VG – VG’)| para igual C = φ

φ

MS

dependerá del material de la compuerta (Al, n+ poli-Si, o silicio policristalino) y el sustrato que puede ser tipo P o N y de su contaminación. MS

2. Cargas en el óxido : El hecho de una φ MS distinta de cero representa un apartamiento menor respecto del comportamiento ideal si se lo compara con el efecto producido por las cargas en el óxido que pueden significar grandes corrimientos en la tensión e inestabilidades. El corrimiento de tensión debido a φ MS distinto de cero es pequeño, totalmente predecible e incapaz de causar inestabilidades.

2.1 Iones móviles: Dispositivos fabricados con anterioridad a 1960 exhibían características C-V que se desplazaban decenas de volts respecto de las teóricas y demostraban severas inestabilidades cuando eran sometidas a la temperatura. Por ejemplo, se producía un desplazamiento negativo en las características de decenas de volt luego que el dispositivo era polarizado positivamente y calentado a temperaturas de alrededor de 150 °C. Además estos efectos no resultaban repetitivos y por lo tanto las causas que provocan las inestabilidades y el hecho que se

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produzcan cambios incontrolados del punto de trabajo en función del tiempo tornan al dispositivo inutilizable. Hoy se puede establecer que la causa de estas inestabilidades se deben a la existencia de iones móviles, principalmente de sodio (Na+) dentro del óxido. Suponiendo que “ρ ion(x)” es la densidad de carga de iones en el óxido QM =

∫

X0

0

ρion(x) . dx

donde Xo = espesor del óxido QM = densidad de carga iónica

y aplicando Poisson

∫

∆VG (iones móviles) = - (1 / Ko . εo ) .

X0

0

x . ρion(x) . dx

∆VG = - QM / Co Entonces los iones positivos producen ∆VG negativos y viceversa. Dado que la integral depende de “x . ρion(x)”, ∆VG depende de la posición exacta de los iones en el óxido. Por ejemplo

En este caso a igual carga de iones en distinta posición la distribución “a” causa un desplazamiento ∆VG 19 veces superior a la distribución “b”.

Movimiento y redistribución de iones positivos al polarizar la compuerta negativamente y calentar la estructura.

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Idem si se aplica polarización positiva. Una vez identificado este efecto se intenta por diversos medios (estabilización con fósforo o neutralización por cloro) eliminar durante el proceso de construcción la contaminación por álcalis (Na+, Li+ y K+) para lograr una estructura MOS estable. 2.2 Cargas fijas: Eliminadas las perturbaciones provocadas por las cargas móviles y luego de corregir por diferencia entre las funciones trabajo entre el metal y el semiconductor se observó que aún las características C-V se desplazaban negativamente algunos volts. Se descubrió que este efecto se debía a la existencia de cargas fijas en el óxido cercanas a la interfase con el semiconductor. Se puede establecer que ∆VG(cargas fijas) = - QF / Co

siendo QF = carga fija por unidad de área de compuerta

Se pueden resumir algunas características de la carga fija: •

Es independiente del espesor del óxido, del tipo de semiconductor y de su contaminación. • Depende del plano cristalográfico. • Es función de las condiciones de oxidación y de la temperatura de procesamiento de la pastilla. Se postula que estas cargas fijas se deben a exceso de silicio ionizado que espera reaccionar en la vecindad de la interfase Si-SiO2 cuando el proceso de oxidación finaliza abruptamente. En otras palabras es Si que quedó ionizado en el proceso de formación de la capa de óxido. 2.3 Estados superficiales o trampas “interfasiales”: Es al causa más importante del apartamiento del comportamiento ideal de las estructuras MIS. Los estados superficiales representan estados de energía permitidos en la superficie de un material y que agregan estados permitidos en la banda prohibida. En nuestro caso aparecen estados permitidos en la banda prohibida de la interfase Si-SiO2. Estos estados pueden aparecer también dentro de las bandas pero quedan enmascarados dentro de la gran cantidad e estados permitidos.

Supongamos un sustrato tipo P polarizado en el modo de inversión. El Nivel de Fermi en la superficie aparece coincidente con Ec. En estas condiciones los estados superficiales estarán mayoritariamente ocupados ya que en primera aproximación los

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estados debajo del Nivel de Fermi están ocupados y los que están por encima están vacíos.

Como se observa los estados superficiales se cargan y descargan en función de la polarización afectando la distribución de carga dentro del dispositivo y por lo tanto sus características. Dado que estas cargas al igual que las fijas se alojan en la interfase Si-SiO2 se pueden expresar análogamente. ∆VG(Estados superficiales) = - QIT(ϕ s) / Co

siendo QIT = carga por estados superficiales por unidad de área de compuerta

La diferencia es que QIT(ϕ s) es función de la tensión aplicada al semiconductor y QF es una constante independiente de la misma. En los dispositivos actuales se supone que los estados superficiales en la mitad superior de la banda prohibida son de naturaleza aceptora (neutras cuando la banda esta vacía y negativas cuando están ocupadas por electrones). Entonces, al alcanzar la banda plana QIT pasa por cero y se hace crecientemente negativa a medida que más estados de la banda prohibida se llenan de electrones. Aunque no se ha aclarado suficientemente el origen físico de estos estados la evidencia experimental indica que se deben a enlaces incompletos en la superficie del semiconductor producidos por uno de los cuatro enlaces que queda libre cuando la superficie del silicio finaliza de manera abrupta. La densidad de estados superficiales es mas o menos constante en el centro de la banda prohibida y crece a medida que nos acercamos a las bandas de conducción y de valencia y tienen una naturaleza aceptora y donora respectivamente. 2.4 Cargas inducidas por radiación: La radiación en forma de rayos X, protones, electrones y partículas ionizadas provoca el aumento de la carga fija en el óxido así como el aumento de las cargas superficiales. El efecto primario de la radiación ionizante es la generación de pares electrón-laguna dentro del óxido. Cierto porcentaje de estos portadores se recombina de inmediato. El campo eléctrico en el óxido acelera a los electrones que poseen mayor movilidad que las lagunas y son evacuados con rapidez del óxido mientras que los huecos tienden a quedar atrapados en su lugar de origen y con el tiempo emigran hacia la interfase Si-SiO2 donde se recombinan con electrones del silicio o quedan atrapados en niveles profundos. Una vez en la cercanía de la interfase los huecos imitan en efecto a la carga fija (QF). Algunos estados superficiales se crean de manera inmediata con la aplicación de radiación ionizante, el resto lo hace en proporción a los huecos que alcanzan la interfase en un mecanismo todavía no bien conocido.

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Durante un período que va de días a años la carga de huecos atrapados tiende a reducirse por la captura de electrones inyectados desde el metal o el silicio. La reducción del espesor del óxido que acompaña la reducción en tamaño de los dispositivos hace al óxido menos sensible a la radiación ionizante. La captura de huecos y la creación de estados superficiales podrían desaparecer cuando el espesor del óxido llegara a 100 Amstrong. Los electrones del metal y del semiconductor podrían, en este caso, por efecto túnel llegar a todas las partes del óxido muy delgado y recombinar con rapidez los huecos atrapados.

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