Lezione 7
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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 1 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. Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 2 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 3 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. Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 4 Contatti metallo semiconduttore (4) Bande di energia non all’equilibrio n Bande di energia all’equilibrio n Distribuzione Delle cariche Campo elettrico Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 5 Bande metallosemiconduttore n p Equilibrio Polarizzazione diretta Polarizzazione inversa Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 6 Contatti metallo semiconduttore (5) E E Da notare: l’altezza della barriera alla giunzione non varia in funzione del campo elettrico applicato. Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 7 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. Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 8 Contatti metallo-semiconduttore (7) Quando si adoperano? Quando occorre un diodo a transizione veloce. Sparisce il tempo di rimozione dei portatori minoritari Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 9 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 - Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 10 Generatore ideale controllato in Tensione (2) Segnale di controllo Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Circuito di output Leonello Servoli 11 Il dispositivo FET Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 12 JFET = Junction Field Effect Transistor JFET (1) Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 13 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 14 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 15 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 16 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. Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 17 JFET (6) Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 18 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 19 JFET (8) Tensione di rottura VB = VD + VG Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 20 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 21 MESFET (2) Normalmente aperto Normalmente chiuso Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 22 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 23 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. Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 24 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. Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 25 Diodo MOS ideale (1) φm = φs •le bande di energia sono piatte; •la resistività dell’ossido è infinita (isolante); Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 26 Diodo MOS ideale (2) Accumulo (lacune) Svuotamento Inversione (elettroni) Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 27 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) Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 28 Capacità di un diodo MOS (2) Tensione di soglia Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 29 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 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 30 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. Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 31 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. Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 32 Componenti integrati (1) Schema di resistenza integrata Si usa la resistenza di volume del silicio drogato R = 20 Ω – 30 kΩ Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 33 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 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 34 Transistor MOSFET (1) Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 35 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 36 Tipi di MOSFET NMOS NMOS PMOS PMOS Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 37 A che serve un MOSFET? • • • • Amplificatore; Condensatore; Resistenza; Interruttore un circuito integrato complesso può essere realizzato quasi soltanto con MOSFET! Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 38 IL MOSFET come resistenza VGS = VDS Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 39
