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DIODO
CARATTERISTICHE DEL DIODO A SEMICONDUTTORE
In questo capitolo si dimostra che una giunzione costituita da un semiconduttore di tipo p e un
semiconduttore di tipo n possiede proprietà raddrizzanti; se ne determina la caratteristica
tensione-corrente e si studiano in particolare le correnti dovute agli elettroni e alle lacune. Viene
inoltre calcolata la capacità di giunzione.
TEORIA QUALITATIVA DELLA GIUNZIONE PN
Se in un cristallo di materiale semiconduttore, silicio per esempio, si introducono da una parte
donatori, dall'altra accettori, si forma una giunzione pn, come è mostrato nella figura l a. Gli ioni
degli atomi donatori sono indicati schematicamente con un segno più poiché, dopo aver ceduto un
elettrone, diventano ioni positivi. Gli ioni degli atomi accettori sono indicati con un segno meno
poiché, dopo aver acquistato un elettrone, diventano ioni negativi. Inizialmente a sinistra della
giunzione ci sono in teoria solo portatori di tipo p, a destra solo portatori di tipo n. Poiché attraverso
la giunzione c'è un gradiente di densità, le lacune si diffondono verso destra e gli elettroni verso
sinistra.
In seguito allo spostamento di queste cariche, nasce attraverso la giunzione un campo elettrico. Si
stabilisce l'equilibrio quando il campo diventa tale da impedire il processo di diffusione ( l’energia
potenziale del campo diventa maggiore o uguale all’energia cinetica delle cariche libere ) .
L'andamento generico della distribuzione di carica è illustrata nella figura l b. Le cariche elettriche si
accumulano in prossimità della giunzione e sono costituite da ioni immobili. Le lacune degli atomi
accettori nei pressi della giunzione nel silicio di tipo p scompaiono in seguito alla ricombinazione
con gli elettroni diffusi attraverso la giunzione. Analogamente, gli elettroni degli atomi donatori nel
silicio di tipo n si ricombinano con le lacune diffuse attraverso la giunzione dal materiale di tipo p.
Gli ioni non neutralizzati nei pressi della giunzione sono detti cariche non neutralizzate. Poiché nella
regione di giunzione non vi sono cariche mobili, essa è detta regione di carica spaziale o di
transizione o di svuotamento.
Lo spessore di questa regione è dell'ordine di :
10-4 cm = 10-6 m = 1 micron.
L'intensità di campo elettrico nei pressi della giunzione è indicata nella figura l c. L'andamento
del potenziale elettrostatico nella regione di carica spaziale è mostrato nella figura 1.d . Tale
variazione dà luogo a una barriera di energia potenziale contro l'ulteriore diffusione delle lacune. La
forma della barriera di energia potenziale contro il flusso di elettroni dal lato n attraverso la
giunzione è mostrata nella figura 1. e . Essa è simile a quella mostrata nella figura 1. d , ma capovolta
perché la carica di un elettrone è negativa.
Viene ora mostrata la necessità dell'esistenza di una barriera di potenziale, detta potenziale di
contatto o di diffusione. In condizioni di circuito aperto la corrente totale delle lacune deve essere
nulla. Se ciò non fosse vero, la densità di lacune a un'estremità del semiconduttore continuerebbe a
crescere indefinitamente nel tempo, il che ovviamente è fisicamente impossibile. Poiché la
concentrazione delle lacune è molto più elevata in p che in n, una corrente di diffusione molto grande
tende a fluire attraverso la giunzione dal materiale di tipo p a quello di tipo n. Per tale motivo deve
nascere attraverso la giunzione un campo elettrico in direzione tale da far fluire dal lato n al lato p
una corrente di deriva, in modo da controbilanciare la corrente di diffusione. Questa condizione
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d'equilibrio ci permette di calcolare il valore della barriera di potenziale V0 in funzione delle
concentrazioni dei donatori e degli accettori. Il valore di V0 è dell'ordine di grandezza di pochi
decimi di volt.
LA GIUNZIONE PN COME DIODO
Caratteristica elettrica essenziale di una giunzione pn è quella di costituire un diodo che consente
il passaggio di corrente in una direzione e la ostacola nella direzione opposta. Consideriamone ora,
qualitativamente, il funzionamento.
Polarizzazione inversa. Come è mostrato nella figura 2 , ai morsetti di una giunzione pn è
connessa una batteria. Il morsetto negativo della batteria è connesso al lato p della giunzione, quello
positivo al lato n. La polarità della connessione è tale da allontanare dalla giunzione sia le lacune in p
sia gli elettroni in n. In seguito a ciò, la regione di densità di carica negativa si estende a sinistra della
giunzione, quella di carica positiva a destra. Questo processo comunque non può continuare
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indefinitamente, perché per avere un flusso costante di lacune verso sinistra, tali lacune devono
essere fornite attraverso la giunzione dal silicio di tipo n, dove ce ne sono pochissime. Quindi, in
teoria, la corrente è nulla. In realtà fluisce una piccola corrente, perché a causa dell'agitazione
termica si generano nel cristallo alcune coppie lacuna-elettrone. Le lacune generate in tal modo nel
silicio di tipo n migrano verso la giunzione. Analoghe considerazioni valgono per gli elettroni
generati termicamente nel silicio di tipo p. Questa piccola corrente è la corrente inversa di
saturazione del diodo, e la si indica con I0. Essa cresce all'aumentare della temperatura e quindi la
resistenza inversa di un diodo a semiconduttore diminuisce all'aumentare della temperatura.
Il meccanismo secondo cui avviene la conduzione inversa può essere descritto in alternativa nel
seguente modo: quando non si applica tensione al diodo pn, la barriera di potenziale attraverso la
giunzione è come in figura l d. Quando si applica al diodo una tensione V nella direzione mostrata in
figura 2 , la barriera di potenziale aumenta della quantità eel•V. Tale aumento serve a ridurre il flusso
dei portatori di maggioranza (cioè lacune in p e elettroni in n) , mentre i portatori di minoranza (cioè
elettroni in p e lacune in n) , dal momento che occupano livelli di energia più elevati, non ne
subiscono l'influenza. La tensione applicata nella direzione indicata in figura 2 è detta polarizzazione
inversa o di blocco.
Polarizzazione diretta. Una tensione applicata dall'esterno con la polarità mostrata in figura 3
(opposta a quella di figura 2 ) è detta polarizzazione diretta. Un diodo pn ideale presenta una caduta
ohmica nulla all'interno del cristallo. Per tale diodo il valore del potenziale di contatto alla giunzione
viene ridotto del valore della tensione V applicata direttamente. L'equilibrio stabilito inizialmente tra
le forze che tendono a produrre la diffusione dei portatori di maggioranza e quelle contrarie dovute
alla barriera di potenziale è turbato, e dunque le lacune attraversano la giunzione da p a n, gli
elettroni in direzione opposta. Questi portatori di maggioranza possono viaggiare lungo il circuito e
quindi fluisce una corrente relativamente grande.
LA CARATTERISTICA TENSIONE-CORRENTE
Dalla discussione dei precedente paragrafo si ha che, per una giunzione pn, la corrente I è
espressa in funzione della tensione V dall'equazione
I = I0 • (eV/hVT - 1) .
Un valore positivo di I significa che la corrente fluisce da p a n. Il diodo è polarizzato
direttamente se V è positiva, e cioè se la porzione p della giunzione è positiva rispetto alla porzione
n. Il simbolo h vale uno per il germanio e approssimativamente due per il silicio.
Il simbolo VT, sta per l'equivalente in volt della temperatura, ed è dato dalla
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VT = ___T____
11600
A temperatura ambiente (T = 300 °K), VT = 0,026 V = 26 mV.
L'andamento della caratteristica tensione-corrente è mostrato in figura 4a. Quando la tensione V
è positiva e pari a diverse volte VT, l'unità nelle parentesi può essere trascurata. Di conseguenza,
tranne che per un piccolo campo di valori prossimi all'origine, la corrente aumenta
esponenzialmente con la tensione. Quando il diodo è polarizzato inversamente e |V| è pari a diverse
volte VT , I ~ I0 . Perciò la corrente inversa è costante, indipendente dalla polarizzazione inversa
applicata. Di conseguenza, I0 è detta corrente inversa di saturazione.
Per chiarezza, la corrente I0, in figura 4. a , è stata esagerata in grandezza. Di solito, il campo
delle correnti dirette in cui il diodo funziona è di molti ordini dì grandezza più grande della corrente
di saturazione inversa. Allo scopo di rappresentare in modo conveniente le caratteristiche diretta e
inversa, è necessario, come in figura 4. b , usare due scale di corrente differenti. La caratteristica
tensione-corrente, mostrata in quella figura, ha per le correnti dirette una scala in mA e per quelle
inverse una scala in mA.
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La porzione tratteggiata della curva di figura 4. b indica che, per una tensione di polarizzazione
inversa VZ, la caratteristica del diodo si discosta bruscamente e in modo marcato . A questa tensione
critica si ha una forte corrente inversa e si dice che il diodo è nella regione di scarica distruttiva
(breakdown), di cui si parla in seguito.
La tensione di soglia Vg. In commercio si trovano diodi al silicio e al germanio, che per il
progetto di circuiti presentano una serie di caratteristiche diverse. La differenza delle caratteristiche
tensione-corrente è messa in rilievo in figura 5 . Ivi sono disegnate le caratteristiche dirette a
temperatura ambiente di un diodo per commutazione al germanio e al silicio per usi generali,
rispettivamente l'1N270 e l'1N3605. I diodi hanno limiti d'impiego di corrente comparabili. Una
caratteristica notevole visibile in figura 5 è che esiste una tensione Vg di soglia al di sotto della quale
la corrente è molto piccola (minore dell'1 per cento del valore massimo assunto). Per valori maggiori
di Vg la corrente aumenta molto rapidamente. Dalla figura 5 si vede che Vg vale
approssimativamente 0,2 V per il germanio e 0,6 V per il silicio.
Si noti che il ginocchio nella caratteristica del diodo al silicio, è circa 0,4 V superiore a quello del
diodo al germanio. La ragione di tale differenza si trova, in parte, nel fatto che la corrente inversa di
saturazione in un diodo al germanio è normalmente più grande di quella di un diodo al silicio di pari
limiti d'impiego per un fattore di circa 1000. Perciò se I0 è dell'ordine di alcuni mA per un diodo al
germanio, sarà dell'ordine dei nA per un diodo al silicio.
Poiché nel silicio h = 2 per piccole correnti, la corrente aumenta come eV/2VT per diversi decimi di
volt e aumenta come eV/VT solo a tensioni più alte. Questa minore dipendenza iniziale dalla corrente
della tensione dà ragione dell'ulteriore ritardo nella salita della caratteristica del silicio.
CAPACITA' CT DI TRANSIZIONE O DELLA REGIONE DI CARICA SPAZIALE
Una polarizzazione inversa fa sì che i portatori di maggioranza si allontanino dalla giunzione,
producendo un aumento di carica spaziale. Perciò lo spessore dello strato di carica spaziale alla
giunzione aumenta con la tensione inversa. Questo aumento di cariche scoperte con la tensione
applicata può essere considerato un effetto capacitivo. Si può definire una capacità incrementale
dalla relazione
CT = |dQ / dV |
dove dQ è l'aumento di carica dovuta alla variazione dV di tensione. Segue da questa definizione che
una variazione dV di tensione in un tempo dt darà luogo a una corrente i=dQldt, data da
i = CT dV/dt
Considerando quindi un diodo come elemento circuitale è importante la conoscenza di C T. La
quantità CT è detta capacità della regione di transizione, di carica spaziale, o di barriera.
Consideriamo ora quantitativamente CT. Si può dimostrare che questa capacità non è una costante
ma dipende dal valore della tensione inversa. É per questa ragione che CT è definita dall'equazione
precedente piuttosto che come rapporto Q/V.
Giunzione per lega. Si consideri una giunzione in cui ci sia un brusco passaggio da ioni accettori
da una parte a ioni donatori dall'altra. Tale giunzione si forma sperimentalmente, ad esempio, unendo
indio, che è trivalente, al silicio di tipo n e riscaldando a temperatura elevata per breve tempo. Parte
dell'indio si diffonde nel silicio, trasformando il silicio da n a p alla giunzione. Non è necessario che
la concentrazione NA degli ioni accettori sia uguale alla concentrazione ND delle impurità donatrici,
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ma è un dato di fatto che spesso è vantaggioso avere una giunzione asimmetrica. La figura 70.1
mostra la densità di carica in funzione della distanza da una giunzione per lega in cui la densità degli
accettori è molto minore della concentrazione dei donatori. Poiché la carica totale deve essere nulla,
allora
eel •NA• Wp = eel • ND • Wn
Wn = Wp • (NA / ND)
Se NA « ND, allora Wp » Wn. Per semplicità, trascuriamo Wn e supponiamo che l'intero
potenziale di barriera VB sia applicato agli ioni accettori non neutralizzati.
W = Wp + Wn = Wp + Wp • (NA / ND) = Wp • [ ( ND + NA ) / ND ] ~ Wp
Le linee elettriche di campo partono dagli ioni donatori positivi e terminano sugli ioni accettori
negativi. Perciò non ci sono linee di flusso a sinistra del contorno x = 0 in figura 6 , E = - dV/dx in x
= 0. Dunque, poiché lo zero del potenziale è arbitrario, scegliamo V= 0 in x = 0.
Se A è l'area della giunzione, la carica che copre la distanza W è
Q = eel•NA •W•A.
E = VB/W
•NA •W
D = Q
D= e• E
= eel •NA •W
e• E= eel
A
dove e è la permittività del semiconduttore. Se er è la costante dielettrica (relativa) ed e0 la
permittività dello spazio libero , e=e0 • er dall'ultima relazione si ottiene :
e• E= eel •NA •W
e dalla relazione
E= eel •NA •W / e
E = VB/W risulta :
VB/W= eel •NA •W / e
VB= eel •NA •W2 / e
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Se ora riserviamo il simbolo V alla polarizzazione applicata, allora VB = Vo - V dove V è un
numero negativo per una polarizzazione inversa e V. è il potenziale di contatto (fig. l d). Questa
equazione conferma la conclusione qualitativa che lo spessore della regione di transizione aumenta
con la tensione inversa.
La capacità di transizione CT data dall'equazione
CT = Q / V = [ eel•NA •W•A / ( eel •NA •W2 / e ) ] = e • ( A / W )
interessante notare che questa formula è esattamente l'espressione ottenuta per un condensatore a
facce piane e parallele di area A (metri quadrati) a distanza W (metri) contenente un materiale di
costante dielettrica e. Se non si trascura la concentrazione ND i precedenti risultati sono modificati di
poco. Nell'equazione W rappresenta la larghezza totale della zona di carica spaziale, e 1/NA viene
sostituito con 1/NA + 1/ND. L'equazione resta valida.
Diodi varactor. Si vede dalle precedenti equazioni che la capacità della barriera non è costante
ma varia con la tensione applicata. Più grande è la tensione inversa, più grande è la larghezza W
della regione di carica spaziale e quindi minore è la capacità. La variazione è illustrata, per due diodi
tipici, in figura 7 . Analogamente, per un aumento della polarizzazione diretta (V positiva), W
diminuisce e CT aumenta.
La capacità di una giunzione pn polarizzata inversamente, variabile con la tensione, è utile per
numerosi circuiti. Una di queste applicazioni è l'accordo di un circuito risonante LC. Altre
applicazioni riguardano circuiti a ponte autobilancianti e speciali tipi di amplificatori, detti
amplificatori parametrici.
Diodi realizzati per applicazioni basate sulla capacità variabile con la tensione sono detti
varactor. Un modello circuitale per un diodo varactor in condizioni di polarizzazione inversa è
mostrato in figura 70.4. La resistenza Rs rappresenta la resistenza elettrica del materiale in serie.
Valori tipici di CT e Rs sono 20 pF e 8,5 W rispettivamente, per una polarizzazione inversa di 4 V. La
resistenza inversa del diodo Rr in parallelo alla capacità CT è grande (> 1 MW), e quindi viene di
solito trascurata.
Nei circuiti per l'utilizzazione di forme d'onda veloci o ad alta frequenza, si richiede che la
capacità di transizione sia la più piccola possibile per la seguente ragione: un diodo viene polarizzato
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inversamente quando si desidera impedire la trasmissione di un segnale. Ma se la capacità C T è
abbastanza grande, la corrente che è limitata dalla bassa conduttanza del diodo polarizzato
inversamente, scorre attraverso il condensatore (fig. 8).
CAPACITA' DI DIFFUSIONE
Per una polarizzazione diretta entra in gioco una capacità molto più grande di quella considerata
nel precedente paragrafo. Si discute ora l'origine di queste capacità. Se la polarizzazione è diretta, la
barriera di potenziale alla giunzione viene abbassata ed entrano lacune da p in n. Analogamente
elettroni si spostano da n in p. Questo processo di iniezione di portatori minoritari determina una
diminuzione esponenziale con la distanza della densità dei portatori di carica . É conveniente
introdurre una capacità incrementale, definita dal rapporto della variazione di carica iniettata con la
tensione applicata. Questa capacità CD è detta capacità di diffusione o d'immagazzinamento.
DIODI A BREAKDOWN
La caratteristica di tensione inversa di un diodo a semiconduttore, che comprende la regione di
breakdown, è disegnata in figura 9 a. Diodi che vengono progettati con caratteristiche di dissipazione
di potenza adeguate per lavorare in tale regione, possono essere utilizzati come riferimento di
tensione o come dispositivi a tensione costante. Essi sono noti come diodi a valanga, a breakdown o
diodi Zener. Un loro impiego tipico è mostrato in figura 9. b. L'alimentazione V e il resistore R
vengono scelti in modo che, inizialmente, il diodo lavori nella regione di breakdown. Ivi la tensione
del diodo, che è dunque la tensione ai capi del carico RL, è VZ, come in figura 9a, e la corrente del
diodo è Iz. Il diodo regolerà ora la tensione del carico contro le variazioni di corrente nel carico e
contro le variazioni della tensione di alimentazione perché, nella regione sopraddetta, forti variazioni
di corrente nel diodo producono solo piccole variazioni di tensione.
Inoltre, come variano la corrente nel carico o la tensione d'alimentazione, la corrente del diodo
varierà in modo da mantenere sul carico una tensione quasi costante. Il diodo continuerà a regolare,
fino a che il funzionamento del circuito non imponga che la corrente del diodo scenda a IZK, in
prossimità del ginocchio della curva tensione-corrente del diodo. Il limite superiore di corrente del
diodo è determinato dai limiti d'impiego per dissipazione di potenza.
Si conoscono due meccanismi che danno luogo al fenomeno di breakdown di un diodo,
all'aumentare della tensione inversa. In uno, gli elettroni e le lacune, generati termicamente
acquistano energia cinetica sufficiente dal potenziale applicato per produrre per collisione nuovi
portatori, rimuovendo dai loro legami elettroni di valenza. Questi nuovi portatori, a loro volta,
producono per collisione altri portatori tramite un processo di rottura di legami. Questo fenomeno
cumulativo viene detto moltiplicazione a valanga. Esso dà luogo al flusso di forti correnti inverse, e
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il diodo si trova nella regione di breakdown a valanga.
Nell'altro , anche se i portatori disponibili inizialmente non acquistano energia cinetica
sufficiente a rompere legami per collisione, è possibile iniziare il fenomeno tramite la rottura diretta
dei legami per effetto di un forte campo elettrico. In queste condizioni si parla di breakdown Zener.
Per ora si sa che l'effetto Zener ha una funzione importante solo nei diodi con tensioni inferiori a
circa 6 V. Tuttavia, il termine Zener è comunemente usato anche per i diodi a valanga con tensioni
più elevate. Si trovano diodi al silicio che lavorano in condizioni di breakdown a valanga,
mantenendo tensioni da parecchi volt fino ad alcune centinaia di volt e con limiti di potenza fino a 50
W.
Si dà ora una spiegazione qualitativa del segno (positivo o negativo) del coefficiente di
temperatura di VZ. Una giunzione avente una regione di carica spaziale stretta e perciò un'elevata
intensità di campo (~106 V/cm anche per basse tensioni) dà luogo a breakdown con meccanismo
Zener. Un aumento di temperatura fa aumentare l'energia degli elettroni di valenza e quindi rende ad
essi più facile l'allontanamento dai legami covalenti. É quindi necessaria una tensione applicata
minore per estrarre gli elettroni dalle loro posizioni nel cristallo e convertirli in elettroni di
conduzione. Allora la tensione di breakdown Zener diminuisce con la temperatura.
Una giunzione con una regione di carica spaziale estesa e quindi un'intensità di campo debole è
soggetta a breakdown mediante meccanismo a valanga. In questo caso sono i portatori di tipo
intrinseco, che vanno ad urtare gli elettroni di valenza e danno luogo alla moltiplicazione a valanga.
Come aumenta la temperatura, le vibrazioni degli atomi nel cristallo aumentano. Tale movimento
aumenta la probabilità di collisioni con gli atomi del reticolo delle particelle intrinseche, come queste
attraverso la regione di carica spaziale. Le lacune e gli elettroni hanno allora minor probabilità di
guadagnare energia sufficiente, tra una collisione e l'altra, per far partire il processo a valanga.
Quindi il valore della tensione di valanga deve aumentare all'aumentare della temperatura.
Resistenza dinamica e capacità. Una questione importante, relativa ai diodi Zener, è la pendenza
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della curva tensione-corrente di un diodo nella regione di funzionamento. Se si indica con r il
reciproco della pendenza, DVZ/DIZ, detto resistenza dinamica, allora una variazione DIZ, nella
corrente di lavoro del diodo produce una variazione DVz = r•DIZ nella tensione di lavoro. Idealmente
r = 0 per una curva tensione-corrente che nella regione di breakdown sia esattamente verticale. La
variazione di r per diversi valori di corrente, per una serie di diodi a valanga di dati limiti di
dissipazione di potenza e tensioni differenti, è mostrato in figura 11 . Si noti il minimo piuttosto
esteso che si ha tra 6 e 10 V e si noti che, per grandi V Z e piccole IZ, la resistenza dinamica r può
diventare abbastanza grande. Così si trova che un diodo Zener da 200 V TI 3051 (Texas Instruments
Company), che lavora a 1,2 mA, ha una r di 1500 W. Infine si osserva che, a sinistra del minimo, per
tensioni Zener basse, la resistenza dinamica diventa, rapidamente, abbastanza grande. Alcuni
costruttori specificano la corrente minima IZK (fig. l0 a), al di sotto della quale il diodo non si
dovrebbe usare. Poiché questa corrente è sul ginocchio della curva, dove la resistenza dinamica è
grande, per correnti minori di IZK si ha una regolazione povera. Alcuni diodi presentano un ginocchio
molto aguzzo anche al di sotto del microampere.
La capacità di un diodo a breakdown è la capacità di transizione e quindi varia inversamente
alle potenze della tensione. Poiché CT è proporzionale all'area della regione di attraversamento
del diodo, i diodi a valanga di potenza elevata hanno capacità molto grandi. Sono comuni valori
di CT da 10 a 10000 pF.
Giunzioni a punta di contatto.
Le giunzioni a punta di contatto sono state le prime ottenute e attualmente sono usate nei diodi
rivelatori e mescolatori a punta per alte frequenze. L'area della giunzione è molto piccola e ciò
permette di realizzare dispositivi a punta di contatto con ottime prestazioni in frequenza, pur essendo
tali dispositivi classificati tra quelli « non di potenza ».
Su una piastrina di germanio o di silicio, di tipo N, viene applicata con una certa pressione una
punta metallica realizzata con un filo di tungsteno, di bronzo fosforoso o di rame-berillio.
Nella zona immediatamente sotto la punta si viene a formare una regione di tipo P, e quindi si ha
una giunzione PN, con superficie di giunzione non planare, ma semisferica (fig. 27).
Sebbene il meccanismo di formazione della giunzione non sia stato ancora ben compreso, si
pensa che la formazione della piccola regione semisferica di conducibilità di tipo P e quindi diversa
da quella di tipo N del resto del materiale semiconduttore, sia dovuta ad una forte distorsione del
reticolo cristallino sotto la punta in seguito alla pressione esercitata da questa sulla piastrina di
semiconduttore.
Le caratteristiche elettriche della giunzione vengono migliorate mediante un processo cosiddetto
di formazione. Esso consiste in una fusione di breve durata e successiva solidificazione di una
piccola. regione sotto la punta di contatto. Si applicano a tal fine al sistema piastrina
semiconduttrice-punta di contatto, forti impulsi di corrente di durata di qualche millisecondo e
dell'ordine dell'ampere, con una densità di corrente sulla punta di contatto dell'ordine di parecchie
migliaia di A/cm2 .
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É necessario che gli impulsi di corrente, di forma opportuna,. abbiano un tempo di salita
relativamente breve; essi provocano la fusione localizzata del semiconduttore sotto la punta, dove si
localizza infatti la maggior caduta di tensione e quindi la massima dissipazione di potenza con
notevole aumento della temperatura.
Il tempo di discesa degli impulsi è maggiore di quello di salita e la solidificazione ha una durata
maggiore di quella della fusione..
La giunzione a punta di contatto non ha geometria planare e le linee di corrente hanno
l'andamento indicato in fig. 27b; inoltre la giunzione è caratterizzata da forti densità di corrente, a
motivo del piccolo diametro della regione semisferica di fig. 27a che si stima essere 2 o 3 volte
quello della punta metallica che preme sul semiconduttore.
Giunzione metallo semiconduttore
Generalità
Nella costruzione dei dispositivi a semiconduttore una fase importante è la metallizzazione delle
due zone N e P della giunzione stessa.
Questi contatti metallo-semiconduttore danno però origine a fenomeni alquanto complessi:
scopo di questo paragrafo è di trattarne gli aspetti essenziali.
I contatti possono essere suddivisi in due gruppi:
1.
PN;
contatti metallo-semiconduttore rettificanti (Schottky) che danno origine ad una giunzione
2.
contatti metallo-semiconduttore non rettificanti che danno origine ad un contatto a bassa
resistività, puramente ohmico, indipendentemente dal tipo di polarizzazione delle due parti.
Principalmente tratteremo del contatto metallo-semiconduttore di tipo N, che dà appunto origine
alla giunzione PN Schottky, di particolare importanza in alcuni dispositivi a semiconduttore.
Esamineremo brevemente anche il contatto ohmico poiché questa necessità di realizzare contatti
a bassa resistenza è fondamentale nei dispositivi dove è assolutamente da escludere un contatto
rettificante.
Contatti rettificanti e contatti ohmici.
La teoria della formazione della barriera rettificante al contatto metallo-semiconduttore è stata
proposta nel 1938 da Schottky, il quale postula l'esistenza di una regione di carica spaziale nel
semiconduttore adiacente al metallo.Consideriamo che il metallo abbia una funzione di lavoro
(potenziale di estrazione) più grande di quella del semiconduttore e che quest'ultimo sia di tipo N. Se
il metallo e il semiconduttore vengono posti in intimo contatto si avrà un flusso di elettroni dal
metallo al semiconduttore e un altro flusso di elettroni dal semiconduttore al metallo; tuttavia, per le
diverse funzioni di lavoro, sarà più facile per un elettrone uscire dal semiconduttore verso il metallo
che viceversa, cosicché il semiconduttore, inizialmente neutro, viene ad acquistare complessivamente
una carica positiva e il metallo una corrispondente carica negativa. Questo strato di dipolo di cariche
che. si stabilisce, crea un campo elettrico il quale fa aumentare il ritmo di uscita degli elettroni dal
metallo e ritarda il ritmo di uscita degli elettroni dal semiconduttore. Quando il campo elettrico è
diventato sufficientemente intenso da rendere i due ritmi di uscita uguali, non si verificherà più
nessun ulteriore trasporto netto di cariche; il sistema avrà raggiunto il suo equilibrio termico e la
barriera di potenziale si sarà fissata ad una determinata altezza. Per concentrazioni di impurità tipiche
quali si incontrano nei normali dispositivi a semiconduttore (ND < 1017 at/cm3), la regione di carica
spaziale si estende ad una profondità relativamente grande entro il semiconduttore (da 10-6 a 10-3cm),
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mentre la carica che risiede nel metallo si localizza su uno spessore sottile tanto da poter essere
considerata una carica superficiale. Il campo elettrico che si stabilisce in questa giunzione è orientato
in modo da impedire agli elettroni di trasferirsi dal semiconduttore al metallo. Solo pochi elettroni
potranno superare questa barriera di potenziale, in virtù della loro agitazione termica. Applicando
una piccola d.d.p. esterna (0,3 V) tale da diminuire questa barriera potenziale (metallo a potenziale
positivo rispetto al semiconduttore N), inizia un passaggio di elettroni dal semiconduttore al polo
positivo . Quando la d.d.p. esterna (> 0,3V) annulla il potenziale di barriera siamo nelle condizioni di
piena conduzione tipica della giunzione PN polarizzata direttamente.
Al contrario, applicando una d.d.p. esterna tale da aumentare barriera di potenziale (metallo a
potenziale negativo rispetto al semiconduttore N ) , si allarga la zona di carica spaziale e circolerà
una debolissima corrente inversa tipica dell'agitazione termica degli elettroni (fig. 28a).
Contatti rettificanti Schottky metallo-semiconduttore possono essere ottenuti con semiconduttori
di tipo N ad alta resistività ( ND>1017 at./cm3 ) e metalli quali Molibdeno, Tungsteno ed anche
Alluminio e Nichel.
Le proprietà rettificanti e ohmiche di un contatto metallo semiconduttore dipendono però da
diversi fattori quali lo stato della superficie del semiconduttore, la concentrazione dei droganti nel
semiconduttore in prossimità del contatto, il potenziale di estrazione del metallo. É possibile,
aumentando il drogaggio di tipo N del semiconduttore( ND>1019 at./cm3 ) trasformare un contatto
metallo (Alluminio)-semiconduttore in un contatto puramente ohmico. Senza entrare nel merito di
questo fenomeno, che esula dagli scopi del libro, ci limiteremo ad una giustificazione succintamente
qualitativa. In questo caso (fig. 28b) lo spessore dello strato della barriera di potenziale é molto
piccolo, in considerazione dell'elevato drogaggio del semiconduttore, per cui quasi tutti i portatori di
carica (elettroni) hanno energia sufficiente, anche a temperature inferiori a quelle normali di
ambiente, per poterlo attraversare. Quindi nei contatti metallo (Al)semiconduttore N (normalmente
drogato) per avere un contatto ohmico è necessario un drogaggio aggiuntivo in corrispondenza della
zona di deposizione del metallo.
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Per concludere un'ultima importante considerazione: i metalli che rettificano bene con
semiconduttori di tipo N non raggiungono lo stesso scopo con semiconduttori di tipo P, e viceversa.
Per es., il contatto metallo (Al)-semiconduttore di tipo P drogato a livelli normali ( N A<1017
at./cm3 ) è un contatto ohmico.
Le normali resistenze di contatto ohmico alluminio-silicio variano tra i 10-3 e i 10-1 W .
VARACTOR
Un diodo a giunzione presenta un effetto capacitivo sia se è polarizzato direttamente sia
inversamente . Per tensioni inverse un diodo a giunzione presenta una capacita , detta di transizione
o di carica spaziale, dovuta alla carica spaziale degli ioni donatori ed accettori non neutralizzati su
entrambi i lati della giunzione. Questa capacità non è costante, ma varia con la tensione applicata al
diodo ed è importante nel caso di polarizzazione inversa.
Per tensioni dirette, il diodo manifesta un'altra capacità, detta di diffusione, poiché appunto
dovuta al meccanismo di diffusione dei portatori iniettati attraverso la giunzione e tale capacità è
molto più grande di quella di transizione. Nel caso di polarizzazione inversa, la capacità di diffusione
è invece del tutto trascurabile rispetto a quella di transizione.
In fig. 42 è indicata la variazione della capacità di transizione in funzione della tensione inversa,
per due diodi al silicio tipo 1N914 e 1N916.
I diodi costruiti appositamente per sfruttare la variazione della capacità con la tensione inversa
applicata, sono chiamati varactor o varicap o anche voltacap.
Un diodo varactor è perciò un dispositivo a semiconduttore usato come elemento di circuito a
reattanza variabile. Esso è, quindi, un elemento non lineare e questa non linearità viene utilizzata in
particolari applicazioni, soprattutto nel campo delle microonde.
Una di queste consiste nella modulazione di un segnale a microonde mediante la variazione della
reattanza per mezzo di una polarizzazione applicata variabile. In tal caso le variazioni della
polarizzazione di controllo sono usualmente di frequenza molto più bassa e di ampiezza più grande
di quelle del segnale a microonde modulato. In una seconda applicazione, la non linearità del
varactor viene sfruttata per la generazione di armoniche di un segnale a microonde. In una terza
applicazione, due segnali a microonde, di diversa frequenza, uno dei quali è chiamato segnale di
pompa, possono essere applicati al varactor e ne risulta una amplificazione parametrica o una
conversione di frequenza.
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Infine i varactor trovano applicazione nel circuiti di controllo automatico della frequenza
(C.A.F.).
L'elemento attivo di un diodo varactor consiste di un wafer semiconduttore contenente una
giunzione di geometria ben definita, usualmente formata per diffusione.
La fig. 43 mostra la sezione di un tipico chip per varactor insieme al suo circuito equivalente.
Fig. 43 - Tipico wafer per varactor e circuito equivalente
Cj è la capacità di giunzione funzione della tensione V applicata, Rj è la resistenza della giunzione in
parallelo con Cj, anch'essa funzione della tensione, Rs è la resistenza serie che può essere anch'essa
funzione della polarizzazione ed include la resistenza del semiconduttore su entrambi i lati della
giunzione e la resistenza ai contatti ohmici del chip.
I diodi varactor lavorano normalmente con polarizzazione inversa e quindi la resistenza Rj,
ordinariamente di 10 MW e più, ha effetto trascurabile rispetto alla reattanza capacitiva di Cj. Perciò
il circuito equivalente si riduce semplicemente ad una capacità e ad una resistenza in serie.
Per la costruzione di un diodo varactor si parte da una piastrina di semiconduttore, che funge da
substrato, fortemente drogata di tipo N+, con una resistività di circa 0,004 W•cm. Sul substrato si fa
crescere uno strato epitassiale di tipo N debolmente drogato, con resistività di 1W • cm e dello
spessore di 9 m . Attraverso lo strato epitassiale sono poi diffuse impurezze di boro per una
profondità di 4 m , in modo da ottenere nello strato epitassiale una regione fortemente drogata di tipo
P +.
Alla sommità dell'insieme viene poi realizzato un contatto ohmico su una piccola area circolare e
successivamente, mediante attacco acido, la maggior parte dello strato epitassiale viene asportata,
eccettuata la parte che si trova sotto il contatto metallico. In questo modo si forma una
configurazione come rappresentato in fig. 43.
Da una lamina di semiconduttore si ottengono contemporaneamente, per una produzione su scala
industriale, più diodi varactor, incidendo la lamina mediante attacco acido.
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A causa della maggiore mobilità degli elettroni rispetto a quella delle lacune (che comporta una
più bassa resistenza), i diodi varactor usati per microonde hanno gli strati epitassiali di tipo N su
substrati di tipo N+. In fig. 46 è rappresentato un tipico profilo di drogaggio di un varactor.
Quando si esegue la diffusione delle impurità di tipo P (boro) entro lo strato epitassiale, si
verifica anche una diffusione delle impurezze di tipo N dal substrato verso lo strato epitassiale, per
cui il profilo di drogaggio all'interfaccia fra questi strati non è più brusco. come si aveva prima della
diffusione del boro, ma graduale .
Se le lunghezze di diffusione L1 ed L2 sono piccole rispetto allo spessore dello strato epitassiale,
le due impurezze diffondenti non interagiscono fra loro ed i processi di diffusione possono
considerarsi fra loro indipendenti.
La giunzione si può formare in due modi:
1.
se la diffusione del boro è poco profonda, la giunzione è formata dalle impurezze di boro
diffuse attraverso la superficie e dalle impurezze originariamente presenti nello strato epitassiale;
2.
se invece la diffusione del boro è profonda, la giunzione è formata dalle impurezze di boro e
dalle impurezze diffuse dal substrato.
Nel primo caso si hanno due diffusioni non sovrapposte , nel secondo caso invece due diffusioni
sovrapposte.
Per il drogaggio dei substrato si usa generalmente arsenico; infatti a parità di spessore dello
strato epitassiale, con un substrato drogato con arsenico si ottiene una tensione di rottura più alta di
quella che si avrebbe con un substrato drogato con fosforo.
La capacità di transizione Cj può porsi nella forma:
Cj = e • A/ w(V)
in cui e è la costante dielettrica della regione di transizione, A è l'area della giunzione e w è lo
spessore della regione di transizione, funzione della tensione inversa applicata V.
Il montaggio di un diodo varactor viene normalmente eseguito con la superficie inferiore del
wafer metallizzata con oro e saldata su uno strato di oro posto sopra un disco di molibdeno;
quest'ultimo a sua volta è posto su un basamento di rame .
Il disco di molibdeno, fra lo strato di oro ed il basamento di rame, agisce come assorbitore degli
shocks termici e permette di usare metodi di saldatura ad alta temperatura.
Al contatto metallico superiore del chip, generalmente di alluminio, viene vincolato per
termocompressione un nastro di alluminio.
L'incapsulamento standard di un varactor è in rame-Kovar-ceramica
Attualmente il migliore materiale semiconduttore per varactor è l'arseniuro di gallio GaAs , in
esso la mobilità dei portatori è molto elevata, pari a 3200 cm2/V • sec , contro i 1750 del germanio e i
700 del silicio, e ciò rende possibile costruire varactor all'arseniuro di gallio con regioni attive di
resistenza estremamente piccola. I varactor all'arseniuro di gallio possono essere impiegati a
frequenze più elevate di quelle raggiungibili con i varactor al silicio, oltre i 200 GHz .
STRUTTURA MESA.
I componenti ottenuti mediante tecnica di diffusione presentano proprietà elettriche abbastanza
soddisfacenti e costi contenuti di produzione .
Tuttavia il chip ottenuto con un processo di diffusione presenta alcuni svantaggi:
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1.
lungo i bordi della giunzione il materiale subisce danneggiamenti durante l'operazione di
separazione dei chip;
2.
la giunzione lungo il profilo esterno non è protetta ed è quindi soggetta a contaminazioni
esterne che possono intaccare il buon funzionamento della giunzione e ridurre così la vita del
dispositivo;
3.
lungo questa zona periferica della piastrina possono verificarsi scariche in senso verticale tali
da danneggiare il dispositivo.
Una soluzione al punto 3 è quella di sagomare il dispositivo secondo il profilo periferico
rappresentato in fig. 14 in modo da aumentare il percorso lungo la periferia, fra i due elettrodi
metallici, per abbassare il gradiente di potenziale lungo tale percorso.
L'inconveniente presentato al punto 2 può essere risolto con un attacco chimico che ha il duplice
scopo di ottenere la sagomatura della piastrina in modo da allungare i percorsi periferici e di
rimuovere i danneggiamenti dovuti all'incisione.
Dopo questo processo la piastrina non ha più le facce laterali parallele, ma presenta una
configurazione ad altopiano, chiamata mesa (in spagnolo mesa significa altopiano): da qui la
denominazione di diodi a struttura mesa (fig. 16).
Successivamente a questa fase si passa a rivestire la zona intorno alla piastrina con elementi
protettivi che possono essere vernici o gomme al silicone, oppure si protegge la zona della giunzione
con deposizione di vetro o crescita di ossido dì silicio. La giunzione si dice così passivata ed è
protetta da eventuali contaminazioni esterne.
La struttura mesa è ottenuta durante la fase di suddivisione del wafer in chips. Dopo la diffusione
alcune parti della superficie del wafer vengono protette con cere o contatti metallici, mentre per le
parti che rimangono scoperte si procede incidendole con attacco acido dando appunto origine alla
struttura mesa (fig. 17).
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Comunque i metodi di assemblaggio del chip nel contenitore sono molteplici.
I diodi a diffusione trovano molteplici utilizzazioni in applicazioni industriali per usi generali
(general purposes diodes), nel campo dei diodi per bassi segnali benché tendano ad essere sostituiti
dai diodi planari, nei diodi a valanga (avalanche diodes), nella fabbricazione dei diodi Zener e di
quelli a recupero rapido (fast-recovery diodes). In virtù delle giunzioni a vasta area che si possono
ottenere con questa tecnica, i diodi a diffusione hanno trovato una larga area di produzione nel
campo dei diodi di potenza per usi generali.