Travaux pratiques de salles blanches

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Travaux pratiques de salles blanches

  1. 1. COMPTE RENDU DES TRAVAUX PRATIQUES DANS LA SALLE BLANCHE DU CIME-nanotech Test électrique de la Jonction PN et de la capacité MOSMASTER 2 EEATS: Nanoélectronique et NanotechnologiesPréparé par: SERHAN Ayssar MERSNI hichem 1
  2. 2. ObjectifLe but de ce travail est donc de caractériser la jonction PN et la capaciteMOS et de comparer les résultats obtenus lors de ce test avec la théorieet puis dévaluer et préciser les différents paramètres qui influent lescaractéristiques de la diode et la capacité MOS.SommaireA - Test électrique de la jonction PNI – Diode en polarisation Directe I.1 Estimation de la valeur de tension de seuil I.2 Calcule de la densité de courant, effet de lumière .II - Diode en inverse II.1 Polarisation en inverse II.2 Mesure de la tension claquage (Break down Voltage) II.3 Calcule de champ davalancheB -Test électrique de la capacité MOS I - la caracteristique C(Vg) I.1 - Explication de lallure de la caracteristique C(Vg) I.2 - Le Balayage de la tension (inversion- accumulation) I.3 - Le régime déplétion profonde I.4 - Calcule de lépaisseur doxyde de grille I.5 - caractéristique Mott-SchottkyRéférences bibliographiques 2
  3. 3. A - Test électrique de la jonction PNPour tester la jonction PN on utilise un analyseur de semi-conducteur quipermet d`effectuer des mesures du courant et de tension, la premièreétape est de définir les positions des contacts de lanalyseur, dans notrecas la branche " 3 " de lanalyseur est connecté par default sur la régionN tandis que la région P est connecté à la masse comme lindique lafigure suivante. Schéma de connexionsLe réglage de la position a été effectué à laide dun microscope où on aplace le wafer et on met en contact la branche "3" avec laluminiumdéposé au dessus de la région N comme lindique la figure de masqueniveau 6 qui est la masque de la couche daluminium. Point de contact Branche3 MASQUE NIV 6 (masque des contacts) 3
  4. 4. Ensuite, il suffit de compléter toutes les configurations de lanalyseurnécessaires pour dessiner la courbe I=f(v), on définit donc les branches enprécisant la fonction de chacune delles et on demande un balayage detension de -5v à 5v avec un pas de 100mV et une limite de courant100mA (pour éviter la destruction de la jonction), ensuite la courbe seraaffichée juste en appuyant sur le bouton GRAPHIC/LIST, une remarquetrès importante est quà léchelle semi-log et pour des valeurs de courantsnégative nous somme obligés de régler lanalyseur de façon à calculer lalogarithmique de la valeur absolue du courant. Analyseur de semi-conducteur et microscope (Laboratoire CIME)I-Diode en polarisation DirecteI.1 Estimation de la valeur de tension de seuil Puisque les connections ont été misent en inverse (contact P à la masse et le contact N à Vcc), donc une valeur de tension négative correspondra à une différence de potentiel positive, ce qui explique lallure de la courbe I=f(v) de la figure suivante : 4
  5. 5. Courbe caractéristique de I=-f(- )Daprès le graphe on estime la valeur de la tension de seuil à 0.6 V, Endessous du seuil le courant est très faible. Au-delà, le courant dans ladiode est lié au courant de saturation par = ( − 1) où q est lacharge délectron, v est la tension appliquée, K est la constante deBoltzmann, T est la température ambiant et m est le facteur didéalité quivarie entre 1 et 2, Le courant est appelé courant inverse, car si la diodeest polarisée en inverse on obtient . Ce courant résulte du débit descharges (trous thermo générés et électrons) qui traversent la jonction sousl’effet du champ électrique.I.2 Calcule de la densité de courant, effet de lumière sur le courantminoritaire.Dans la figure ci dessous on remarque une différence entre la valeur ducourant minoritaire (courant en régime de saturation) obtenu en présencede la lumière et celui obtenu en absence de lumière, cet écart est lié auphénomène de diffusion qui engendre le courant minoritaire, la valeurobtenue en absence de la lumière est plus proche de la valeur théorique.Le courant majoritaire nest pas influencé par la lumière ou toutsimplement linfluence de la lumière est très limitée car le courant dans lerégime ohmique dépend de la résistance Rs suivant léquation suivante[1]: Vd= Vj +RS*Id(V) 5
  6. 6. Courbe caractéristique log (|I|)=f(-v)La valeur de la densité de courant est calculée en utilisant la relation = avec I la valeur de courant et S la surface de la diode(200 200 ), la valeur maximal extraite de lanalyseur égale à , . 614.4pA donc J= = , . . . .La valeur théorique de J est égale à 10 . , en comparant a cellequi est obtenue par mesure, on remarque que <à cause de la lumière ambiante, la valeur théorique aussi obtenue danslobscurité.La deuxième étape à réaliser est la mesure de la pente inversée et lacomparaison du résultat avec la valeur théorie (pente = 60mv/currentdécade).A partir de la courbe ci-dessus, on extrait la valeur de la pente qui égale a(12.54 décade/v), la pente inversée est égale à (1/pente) obtenue a partirde la pente (79,74 mV/décade), cette valeur est plus grande que la valeurthéorique car la température de fonctionnement est un paramètrefondamental dans la détermination du fonctionnement des dispositifs àsemi-conducteurs.Dans le cas de la jonction PN le courant de saturation est essentiellementdû aux porteurs minoritaires générés par agitation thermique. Ce courantde saturation sera donc particulièrement sensible à la température. Leffetde la température sur la caractéristique directe est déterminé par larelation suivante : 6
  7. 7. Avec :Ce qui explique la relation entre la valeur de la température ambiante etla valeur de courant dans touts les régimes de fonctionnements de ladiode.II-Diode en polarisation inverseII.1 Polarisation en inversePour polariser une diode en inverse, on change les configurations delanalyseur en faisant balayé la valeur de tension de -2V à 20V ce quicorrespond a des valeurs de différence de potentiel de 2V à -20V auxbornes de la diode, pour plus de précision on choisi un pas de 200 mV eten passe à léchelle semi-log, on obtenu donc la figure si dessous. s Effet avalanche log (|I|)=f(-v)II.2 Mesure de la tension claquage (Break down Voltage)Par définition la tension claquage (Break down Voltage) est la valeur detension électrique à partir de quelle la diode devient passante lors dunepolarisation inverse, la figure ainsi obtenue permet de déterminer lavaleur de cette tension qui est à peut prés 19 V, En dessous de cette 7
  8. 8. valeur (tension entre 0V et -19V) le courant est très faible on lappellecourant de porteurs minoritaires ou courant de diffusion il est toujoursaffecté par la présence de la lumière c.-à-d dans le cas où on dépose lewafer sous la lumière la valeur de ce courant sera plus grand que celledans le cas dobscurité . autrement lorsque la tension dépasse 19V lavaleur de courant augmente de façon très rapide ce qui dit à unphénomène davalanche où le courant augmente sous leffet de champélectrique intense au borne de la zone de charge despace ZCE qui fini enionisant les atomes de Si et en libérant des électrons qui seront accéléréespar le champ E ce qui augment le nombre des électrons libère et celatraduit par une forte augmentation de courant inverse ( cest ce quonappelle effet avalanche).II.3 Calcule de champ davalancheEn partant de la relation = avec est le champ davalanche, la tension davalanche et est la largeur de la zone de chargedespace qui est par donnée égale à 1 , donc avec = 19 onobtient = 1,9. 10 . .En théorie la valeur de doit être 3. 10 . , donc en comparantles deux valeurs on remarque que la valeur obtenue dans lexpérience estplus petite quen théorie et ceci à cause de leffet thermique c.-à-d. ladifférence entre la valeur de température dans la salle où on est effectuélexpérience et celle qui est en théorie. 8
  9. 9. B -Test électrique de la capacité MOSI - la caracteristique C(Vg) Le test de la capacite est realise a laide de loutil (LCR meter) encommunication avec un ordinateur.Les donnees extraitent seront transferer dans un logiciel qui nous permetde dessiner le graphe de C en fonctiom de la tension V: Allure de la caracteristique C(Vg)I.1 - Explication de lallure de la caracteristique C(Vg)La capacité MOS est équivalente à deux capacités en série : la capacité del’oxyde (Cox) et la capacité du semi-conducteur (CSC)La capacité totale équivalente (par unité de surface) s’écrit : = + 9
  10. 10. Avec : = , = avec est la permittivité diélectriquedans loxyde, est lépaisseur doxyde, est lépaisseur de zone dedéplétion et S est la surface doxyde.Les valeurs des capacites varient en fonction de la tension appliquee sur le cotemetal, on distingue trois regimes de fonctionnement pour la capacite MOS : leRégime d’accumulation, le Régime de déplétion, Régime dinversion. Ces troisregimes expliquent lallure de C(v) car dans le regime accumulation < 0 il ya une accumulation de porteurs majoritaires à la surface du silicium donc lacapacite du semiconducteur tend vers linfini.On a = dans ce cas la capacite est maximal , dans le deuxieme regime(regime de depletion > 0), la valeur de la capacite commence a diminuerdonc en remarque lattenuation de la valeur de la capacite totale en fonction de ( −→ ) et par concequence la capacite totalediminue car dans ce regime = .si , par contre pour une grande valeur de ≫ 0 la capacite atteint sa valeur minimale dans le cas du regimedinverstion, par consequent la capacite atteint sa valeur minimale quicorrespondant a une extension maximum de la zone désertée par les charges + (trous). Les régimes de fonctionnementI.2 - Le Balayage de la tension dans les sens inversion-accumulationLe but du balayage de la tension dans les deux sens ( inversion –accumulation) est de connaitre la nature du substrat sur le quelle la capacité aété fabriquée , donc on fait balayer la tension dans les deux sens et en suit lavariation des valeurs du maximum au minimum de la capacité en fonction dela tension , a partir de ces deux valeurs on peut connaitre la nature dusubstrat car pour les substrats de type P : est minimale pour Vg>>0 et 10
  11. 11. est maximale pour Vg<0 , mais par contre pour les substrat de type N : estminimale pour Vg<0 et est maximale pour Vg>>0 . Cas du substrat de type P Cas du substrat de type PDans notre cas et comme nous montre la figure de C=f(Vg) : est minimalepour Vg>>0 et est maximale pour Vg<0 et d’où un substrat de type P.Pour être sur que le SC est à léquilibre thermodynamique il faut quon réalisela mesure à lobscurité.I.3 - Le régime déplétion profondeLa longueur de la zone de déplétion dépend évidemment des champs appliquéset de la dose de dopage du substrat et donc de la concentration des porteursmajoritaires dans le substrat, lorsque vg devient plus grand que Vfb, le champ àl’interface Si/SiO2 va diminuer localement la concentration en trous etaugmenter celle d’électrons, les porteurs majoritaires sont repoussés en 11
  12. 12. profondeur et donc la zone de déplétion devient profonde et la capacité atteint sa valeur minimal.I.4 - Calcule de lépaisseur doxyde de grilleLa capacité doxyde est donnée par = = avecpermittivité diélectrique dans loxyde, est lépaisseur doxyde et S est lasurface doxyde, donc on peut calculer la valeur de car on sait que ( )est constante et = . et = . , la valeur de lépaisseurest = = 0.490389 très proche de la valeur obtenue parprofilometrie.I.5 - La caractéristique Mott-SchottkyDans le régime de déplétion, la capacité mesurée est modélise par ( )léquation suivante = + , pour tracer la caractéristique C(vg) il faut quon dérive léquation de par rapport a parce quon abesoin de connaitre la pente de la droite caractéristique: = = Caractéristique MOTT-SCHOTTKYOn trace la droite avec un point particulier ( = )→( = ) et unepente = , et puisque nous connaissons la valeur de , on 12
  13. 13. détermine la valeur de à partir de la figure de Caractéristique MOTT-SCHOTTKY.Application numérique : =( ) = 8.941 10 . Cfb=39.2 10 = 39.2 = −2.75 (|Vbp|>|∅ |)∆ = −1.93 = 4.62 × 1.93 = 8.91 × 10 /ConclusionLa caractérisation dun composant électrique nous permet de préciserles sources qui influes la performance du composant et par suitedaméliorer et minimiser leffet de ces sources tel que la lumière et latempératures pour que la caractéristique réel de du composant soitproche la plus possible de sa caractéristique en théorie, en généralela lumière et la température et lhumidité sont les trois principauxfacteurs qui influent la performance donc il faut toujours isoler lecircuit et cette isolation peut être par la mise en place de circuitintégré dans une boitier ou bien par changement de type dumatériaux utilisés dans la conception selon lapplication.Références bibliographiques[1] "ETUDE DE LA JONCTION PN D’UN SEMI-CONDUCTEUR AL’EQUILIBRE THERMODYNAMIQUE" Journal of Electron Devices, Vol. 5,2007, pp. 122-126[2] http://www.cime.inpg.fr/images/caracterisation/ , " Caractérisation desComposants Elaborés". 13

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