Dispositivi unipolari
– Il contatto metallo-semiconduttore
– Il transistor JFET
– Il transistor MESFET
– Il diodo MOS
– Il transistor MOSFET
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Leonello Servoli
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Contatti metallo semiconduttore (1)
La deposizione di uno strato
metallico è necessaria
per poter effettuare i
collegamenti tra un
dispositivo
a semiconduttore ed il resto
della circuiteria.
Il metallo che si sceglie
tipicamente è l’alluminio.
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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.
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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 comparare
I 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.
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4
Contatti metallo semiconduttore (4)
Bande di
energia non
all’equilibrio
n
Bande di
energia
all’equilibrio
n
Distribuzione
Delle cariche
Campo elettrico
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Bande metallosemiconduttore
n
p
Equilibrio
Polarizzazione diretta
Polarizzazione inversa
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6
Contatti metallo semiconduttore (5)
E
E
Da notare: l’altezza della barriera alla giunzione non varia in
funzione del campo elettrico applicato.
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Contatti metallo semiconduttore (6)
Meccanismo raddrizzante per giunzione metallo (alluminio)semiconduttore tipo n:
c) Nessuna polarizzazione: situazione di equilibrio
d) 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 riescono
ad andare nel semiconduttore più facilmente che nei casi
precedenti mentre il contributo delle lacune dal
semiconduttore
è 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.
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Contatti metallo-semiconduttore (7)
Quando si adoperano?
Quando occorre un diodo a transizione
veloce.
Sparisce il tempo di
rimozione dei
portatori minoritari
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Generatore ideale controllato in Tensione (1)
È un dispositivo
con tre terminali
(1,2,3) che genera
una corrente i2
controllata da una
tensione v1, isolando
la parte in uscita da
quella in ingresso.
La corrente gmv1 che
si ottiene dipende dal
parametro
gm = transconduttanza
+
gmv1 v2
v1
-
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Generatore ideale controllato in Tensione (2)
Segnale di controllo
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Circuito di output
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Il dispositivo FET
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JFET = Junction Field Effect Transistor
JFET (1)
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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)
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JFET (3)
La resistenza del canale è data da:
R = ρ L/A = L/(qµnNDA) = L /[qµnNDZ(a-W)]
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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.
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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 un
punto da un controllo esterno.
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JFET (6)
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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
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JFET (8)
Tensione di rottura VB = VD + VG
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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
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MESFET (2)
Normalmente aperto
Normalmente chiuso
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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;
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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 isolante
tra il metallo ed il semiconduttore.
Per un diodo ideale i livelli di Fermi sono gli stessi
tra metallo e semiconduttore.
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Diodo MOS
Il diodo MOS (Metal-OxideSemiconductor) è un dispositivo
fondamentale per la maggior
parte delle applicazioni VLSI.
p+
Si ottiene interponendo uno strato
di ossido isolante (Si02) tra il
semiconduttore ed il metallo
Il semiconduttore può essere
drogato tipo p (a) o n (b).
n-
Per un diodo ideale i livelli
di Fermi sono gli stessi tra
metallo e semiconduttore.
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Diodo MOS ideale (1)
φm = φs
•le bande di energia
sono piatte;
•la resistività dell’ossido
è infinita (isolante);
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Diodo MOS ideale (2)
Accumulo
(lacune)
Svuotamento
Inversione
(elettroni)
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Capacità di un diodo MOS (1)
La tensione applicata tra metallo e semiconduttore
si 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 combinazione
in serie delle capacità C0 dell’ossido e Cj dello strato di
svuotamento del semiconduttore:
C = (C0Cj )/(C0 + Cj)
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Capacità di un diodo MOS (2)
Tensione di soglia
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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 lacune
alla superficie C ≅ C0 ;
2) Se la tensione applicata è positiva e cresce si tende
alla situazione di inversione la regione di svuotamento
esiste 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
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Esempio di cella di memoria EPROM (1)
Applicando una tensione elevata tra G e D (~25 V), si ha un
elevato campo elettrico nella regione di svuotamento pn
Elettroni veloci penetrano e giungono al gate fluttuante.
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Esempio di cella di memoria EPROM (2)
Allora il gate fluttuante si carica negativamente.
Quando si rimuove la polarizzazione le cariche rimangono
intrappolate 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 canale
tra 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.
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Componenti integrati (1)
Schema di resistenza
integrata
Si usa la resistenza di
volume del silicio
drogato
R = 20 Ω – 30 kΩ
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Componenti integrati (2)
Cmax = 4x10-4pF/µm2
J2 = giunzione polarizzata
inversa da cui si ricava
la capacità C2
(a)Modello di Capacità integrata
(b)Circuito equivalente
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Transistor MOSFET (1)
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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
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Tipi di MOSFET
NMOS
NMOS
PMOS
PMOS
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A che serve un MOSFET?
•
•
•
•
Amplificatore;
Condensatore;
Resistenza;
Interruttore
un circuito integrato complesso può
essere realizzato quasi soltanto con
MOSFET!
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IL MOSFET come resistenza
VGS = VDS
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