presentazione di powerpoint - infn · corso fisica dei dispositivi elettronici leonello servoli 1...
TRANSCRIPT
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1
Dispositivi unipolari
– Il contatto metallo-semiconduttore– Il transistor JFET– Il transistor MESFET– Il diodo MOS– Il transistor MOSFET
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 2
Contatti metallo semiconduttore (1)La deposizione di uno strato metallico è necessariaper poter effettuare i collegamenti tra un dispositivoa semiconduttore ed il resto della circuiteria.
Il metallo che si sceglie tipicamente è l’alluminio.
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 3
Contatti metallo semiconduttore (2)Due tipi di contatti:
•Contatto raddrizzante (effetto Schottky) metallo - n: è come una giunzione brusca p-n, con dalla parte del metallo solo portatori maggioritari (elettroni) e niente lacune; dall’altra ci sono elettroni ad una concentrazione minore, per cui c’è anche in questo caso un gradiente di concentrazione.
•Contatto metallico (tipo ohmico): Si ottiene interponendo tra il semiconduttore drogato n ed il metallo uno strato di semiconduttore n+ con drogaggio intermedio, in modo da creare un gradiente di concentrazione molto più dolce.
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 4
Contatti metallo semiconduttore (3)L’idea di fondo è che gli elettroni diffondono nel semiconduttore mentre le lacune non possono andare nel metallo.Inoltre, poiché in un metallo la struttura a bande è diversa, e l’energia di Fermi coincide col limite superiore della banda di energia consentita, occorre trovare un metodo per comparareI diversi potenziali dalle due parti del contatto.
Per entrambi possiamo definire il lavoro necessario per portare un elettrone dal livello di Fermi al vuoto:
q ϕm per il metallo; qϕs per il semiconduttore;
qχ il lavoro per estrarre un elettrone dal semiconduttore.
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 5
Contatti metallo semiconduttore (4)Bande di energia nonall’equilibrio
Distribuzione Delle cariche
Campo elettrico
Bande di energiaall’equilibrio
n
n
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 6
Bande metallo-semiconduttore
Equilibrio
Polarizzazione diretta
Polarizzazione inversa
n p
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 7
Da notare: l’altezza della barriera alla giunzione non varia in funzione del campo elettrico applicato.
Contatti metallo semiconduttore (5)
E E
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 8
Meccanismo raddrizzante per giunzione metallo (alluminio)-semiconduttore tipo n:c) Nessuna polarizzazione: situazione di equilibriod) Polarizzazione diretta: gli elettroni in n vanno nel metallo ma
NON diventano portatori minoritari perché nel metallo gli elettroni sono già moltissimi
g) Polarizzazione inversa: gli elettroni del metallo non riesconoad andare nel semiconduttore più facilmente che nei casi precedenti mentre il contributo delle lacune dal semiconduttoreè minimo passa poca corrente.
Meccanismo ohmico per una giunzione metallo-semiconduttore tipo n: si crea una regione di drogaggio non omogenea che da intensità molto alte vicino al metallo decresce gradualmente.
Contatti metallo semiconduttore (6)
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 9
Contatti metallo-semiconduttore (7)Quando si adoperano?Quando occorre un diodo a transizione
veloce.Sparisce il tempo dirimozione deiportatori minoritari
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 10
Generatore ideale controllato in Tensione (1)È un dispositivocon tre terminali (1,2,3) che generauna corrente i2
controllata da unatensione v1, isolandola parte in uscita daquella in ingresso. La corrente gmv1 che si ottiene dipende dalparametro gm = transconduttanza
v1 v2
+
-gmv1
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 11
Generatore ideale controllato in Tensione (2)
Segnale di controllo Circuito di output
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 13
JFET (1)JFET = Junction Field Effect Transistor
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 14
JFET (2)•Un canale conduttore tra sorgente (source)
e collettore (drain).•Un elettrodo di controllo (porta o gate)
•In funzionamento normale VD > 0 e VG = 0 o negativa
la giunzione gate-canale conduttore è polarizzata inversa.
fluiscono cariche attraverso il canale, e sono elettroni (semiconduttore di tipo n)
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 15
JFET (3)
La resistenza del canale è data da:
R = ρ L/A = L/(qµnNDA) = L /[qµnNDZ(a-W)]
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 16
JFET (4)
A= area sezione trasversale=2Z(a-W).
W dipende dal valore di VD perchè maggiore è VD e maggiore
è la regione di svuotamento tra porta e canale collettore
la corrente cresce in maniera non lineare fino allo
“strozzamento” del canale quando la corrente sarà stabile
anche al crescere di VD.
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 17
JFET (5)Il principio di funzionamento è paragonabile al caso di un tubo per l'acqua dove fluisce una corrente che possa venire “strozzato” in unpunto da un controllo esterno.
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 19
JFET (7)
Quando W = a si definisce la tensione di saturazione
Vdsat = (q NDa2/2εs)- Vbi per VG = 0
Vbi = caduta di potenziale intrinseco della giunzione di porta.
In questo caso i due contatti (source e Drain) sono separati da una regione svuotata attraverso cui fluisce una corrente Idsat detta corrente di saturazione.
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 20
JFET (8)
Tensione di rottura VB = VD + VG
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 21
MESFET (1)Il MESFET (Metal SEmiconductor FET) è un
dispositivo simile al JFET, solo che al posto della
giunzione p-n di porta c’è una giunzione raddrizzante
metallo-semiconduttore di tipo Schottky.
Sono usati per applicazioni in cui è richiesta una alta
mobilità dei portatori e una alta velocità di saturazione
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 22
MESFET (2)Normalmente aperto Normalmente chiuso
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 23
MESFET (3)
• Un MESFET a canale normalmente chiuso ha una corrente ID = 0 per VG = 0;
• la forma della caratteristica ID/VG è la stessa;
• la tensione di soglia tra MESFET a canale aperto e a canale chiuso viene traslata;
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 24
Diodo MOS (1)
Il diodo MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) è un dispositivo fondamentale per la maggior parte delle applicazioni VLSI.
Si ottiene interponendo uno strato di ossido isolantetra il metallo ed il semiconduttore.
Per un diodo ideale i livelli di Fermi sono gli stessitra metallo e semiconduttore.
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 25
Diodo MOSIl diodo MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) è un dispositivo fondamentale per la maggior parte delle applicazioni VLSI.
Si ottiene interponendo uno strato di ossido isolante (Si02) tra il semiconduttore ed il metallo
Il semiconduttore può esseredrogato tipo p (a) o n (b).
Per un diodo ideale i livelli di Fermi sono gli stessi tra metallo e semiconduttore.
n-
p+
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 26
Diodo MOS ideale (1)
φm = φs
•le bande di energia sono piatte;•la resistività dell’ossidoè infinita (isolante);
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 27
Diodo MOS ideale (2)
Accumulo(lacune)
Svuotamento
Inversione(elettroni)
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 28
Capacità di un diodo MOS (1)La tensione applicata tra metallo e semiconduttoresi distribuisce anche all’interno dello strato di ossido
V0 = differenza di potenziale ai capi dell’ossido = |E|•d = Qs/C0
dove C0 = capacità per unità di area dell’ossido e Qs è la carica per unità di area nel semiconduttore.
La capacità totale del diodo è data dalla combinazionein serie delle capacità C0 dell’ossido e Cj dello strato di svuotamento del semiconduttore:
C = (C0Cj )/(C0 + Cj)
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 29
Capacità di un diodo MOS (2)
Tensione di soglia
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 30
Capacità di un diodo MOS (3) 1) Se la tensione applicata è negativa, non c’è una regione
svuotata nel semiconduttore, ma un accumulo di lacunealla superficie C ≅ C0 ;
2) Se la tensione applicata è positiva e cresce si tende alla situazione di inversione la regione di svuotamentoesiste e contribuisce con la sua capacità a quella totale la capacità totale diminuisce.
3) Se infine la tensione è molto elevata, siamo in regime di inversione e la regione di svuotamento non aumenta più
di spessore Cj = costante e quindi anche C = Cmin = costante
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 31
Esempio di cella di memoria EPROM (1)
Applicando una tensione elevata tra G e D (~25 V), si ha unelevato campo elettrico nella regione di svuotamento pn Elettroni veloci penetrano e giungono al gate fluttuante.
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 32
Esempio di cella di memoria EPROM (2)Allora il gate fluttuante si carica negativamente.Quando si rimuove la polarizzazione le cariche rimangonointrappolate perché l’ossido è un isolante
Se si applica a G una tensione di 5 V, la carica presente sul gate fluttuante controbilancia il campo, che il canaletra source e drain rimane chiuso ho sempre lo stesso stato
Cioè ho memorizzato un bit di informazione.
Il 70% della carica si mantiene anche per 10 anni.Può essere cancellata se esposta per breve periodo a luce UV.
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 33
Componenti integrati (1)
Schema di resistenza integrata
R = 20 Ω – 30 kΩ
Si usa la resistenza di volume del silicio drogato
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 34
Componenti integrati (2)
(a)Modello di Capacità integrata(b)Circuito equivalente
J2 = giunzione polarizzata inversa da cui si ricava la capacità C2
Cmax = 4x10-4pF/µm2
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 36
Transistor MOSFET (2)
1) Se si applica un differenza di potenziale tra Source e Drain non scorre corrente tra le regioni di tipo n perché il potenziale del substrato p viene reso negativo due giunzioni n-p polarizzate inversamente.
2) Se si applica una tensione positiva al gate metallico gli elettroni delle regioni n saranno attirati nella regione sottostante che diventerà anche essa di tipo n si crea un canale di tipo n tra Source e Drain passa una corrente.
Questa tecnica si chiama FET ad arricchimento
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 38
A che serve un MOSFET?
• Amplificatore;• Condensatore;• Resistenza;• Interruttore
un circuito integrato complesso può essere realizzato quasi soltanto con
MOSFET!