Estructura MOS

Estructura Metal-óxido-semiconductor construida con un sustrato de silicio tipo p (estructura PMOS).

Una estructura MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) es un dispositivo electrónico formado por un sustrato de silicio dopado, sobre el cual se hace crecer una capa de óxido ( SiO2). Los elementos se contactan con dos terminales metálicas llamadas sustrato y compuerta. La estructura se compara con un condensador de placas paralelas, en donde se reemplaza una de las placas por el silicio semiconductor del sustrato, y la otra por un metal, aunque en la práctica se usa polisilicio, es decir, un policristal de silicio.

Funcionamiento

La estructura NMOS está formada por un sustrato de silicio dopado con huecos. Al aplicar un potencial de compuerta positivo, los electrones presentes en el sustrato (portadores minoritarios) son atraídos hacia la capa de óxido de compuerta. Al mismo tiempo, los huecos son repelidos de la capa de óxido de compuerta debido a que el potencial positivo los aleja. Esto ocasiona una acumulación de electrones en la cercanía del óxido, en donde el silicio presenta un exceso de electrones y por lo tanto es de tipo n. La inversión del dopado en el silicio (que antes era de tipo p) es lo que le da origen al nombre de esta región. También se produce una región de agotamiento de portadores en las cercanías del óxido, debido a que los huecos del sustrato se recombinan con los electrones atraídos.

De manera análoga, una estructura PMOS está formada por un sustrato de silicio dopado con electrones. Al aplicar un potencial de compuerta negativo, los huecos presentes en el sustrato (portadores minoritarios) son atraídos hacia la capa de óxido de compuerta. Los electrones son repelidos del óxido de compuerta debido a que el potencial negativo los aleja. Los huecos se acumulan en la cercanía del óxido, en donde el silicio acumula un exceso de huecos y por lo tanto se comporta como un material de tipo p. La recombinación de huecos y electrones produce una región de agotamiento.

La tensión positiva aplicada en la compuerta de una estructura PMOS se distribuye a través de las capas de materiales de acuerdo con la siguiente ecuación[1]

En donde
es la tensión de compuerta,
es la diferencia de las funciones de trabajo entre el metal y el semiconductor: ,
es la caída de tensión en el óxido,
es la caída de tensión en el semiconductor
Capacitancia normalizada de la estructura MOS en función de la tensión de compuerta.[2]

En ambos tipos de estructuras se acumulan cargas eléctricas en el óxido y en el semiconductor, de modo que el dispositivo se comporta como un condensador eléctrico. Se distinguen tres regiones de funcionamiento, dependiendo del nivel de tensión que se aplica en la terminal de la compuerta.

Acumulación

En la etapa de acumulación las cargas se almacenan en el óxido por el mismo principio de operación de un condensador, en donde el dieléctrico se polariza de forma proporcional al campo eléctrico aplicado.

Realmente lo que ocurre es lo siguiente:

Caso pMOS:

Aplicamos un potencial negativo en la compuerta. Esto induce electrones, atrayendo huecos a la interfase y creando un campo eléctrico. De ahí el nombre de acumulación.

Caso nMOS:

Aplicamos un potencial positivo en la compuerta. Esto induce huecos, atrayendo electrones a la interfase y creando un campo eléctrico.

Recordemos que el campo eléctrico va siempre de carga positiva a carga negativa

Agotamiento

Al incrementar el potencial de compuerta, los electrones y los huecos se comienzan a recombinar en el semiconductor para formar la región de agotamiento.

Caso pMOS:

Aplicamos potencial positivo a la puerta, con lo que se acumula carga positiva en el metal. El Semiconductor es tipo N, con lo que se atraen electrones a la interfase y se apartan los huecos que había antes en la interfase. Se produce un campo eléctrico en el sentido contrario al caso de Acumulación, en este caso desde el metal al semiconductor. Como consecuencia, hay una recombinación de electrones y huecos que produce el agotamiento del canal.

Caso nMOS:

Aplicamos potencial negativo a la puerta. Como consecuencia se atraen huecos a la interfase y se crea un campo eléctrico. Del Semiconductor al metal. Electrones y huecos se recombinan

Inversión

Si se continúa aumentando la tensión de compuerta, se logra la inversión del tipo de dopado del semiconductor.

Caso pMOS:

En este caso inducimos una tensión muy positiva, lo que induce muchos huecos en el metal. Como el semiconductor es tipo N, lo que se consigue es un campo eléctrico grande que va del metal al semiconductor, y por tanto una Intensidad grande, debido a los electrones que se acercan a la interfase atraído por el exceso de huecos del metal

Caso nMOS:

Aplicamos una tensión muy negativa que hace que el metal se llene de electrones. Como consecuencia, los huecos del semiconductor, se ven atraídos hacia la interfase creándose un campo eléctrico del semiconductor al metal.

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