Le proprietà elettriche dei materiali
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Marco Alvisi, Antonio Licciulli Corso di scienza e ingegneria dei materiali Le proprietà elettriche dei materiali La microelettronica La microelettronica influenza l’economia e il vivere sociale delle società industriali (telefonini, internet, videogiochi, TV, NASDAQ, hi-fi, I-pod…..) La microelettronica consiste nella integrazione di un grande numero di dispositivi elementari (diodi, transistor, condensatori) su un’unica tessera monocristallina di semiconduttore (chip) Nella VLSI (Very Large Scale Integration) si supera il Megabit di integrazione, cioè il milione di celle elementari per chip fino ad arrivare a 300 Mega. Si è passati da una lunghezza di canale di un MOSFET di 7,5 µm negli anni 70, al 1µm dei primi anni 90 a 0,28 alla fine degli anni 90, ai 0,13 µm dei processori più recenti Marco Alvisi, Antonio Licciulli Proprietà elettriche dei materiali Gas di elettroni in un metallo Nel modello classico (Drude) della conduzione elettrica nei metalli gli elettroni di valenza sono liberi di muoversi nel reticolo cristallino Gli ioni vibrano intorno alle posizioni di equilibrio “urtando” con gli elettroni Marco Alvisi, Antonio Licciulli Proprietà elettriche dei materiali Interpretazione “materialistica” della legge di ohm Come si impara da bambini: V = iR Al liceo: All’università con Drude: R = ρ x l/A ρ = 1/σ J=σE Confrontata con la definizione di densità di corrente: J = -nev E introdotta la velocità di deriva in funzione del campo elettrico: vd = - eEτ/m Dal confronto si ricava: σ = ne2τ/m l A Marco Alvisi, Antonio Licciulli Proprietà elettriche dei materiali Densità del gas elettronico Atomi per mole (numero di Avogadro): 0.6022 x 1024 Numero di moli per cm3: ρ x A-1 A massa atomica dell’elemento ρ densità in g/cm3 Numero di elettroni per centimetro cubo: n = 0.6022 x 1024 xZ x ρ x A-1 Z elettroni di valenza per atomo Nei metalli (sodio) n = 2,65 x 1022/cm3 e resistività ρ pari a 10-6 ohm cm Nei semiconduttori (Si drogato As) n = 1013/cm3 ρ = 104-10-4 ohm cm Marco Alvisi, Antonio Licciulli Proprietà elettriche dei materiali Resistività nei metalli La variazione della resistività con la temperatuta segue la legge: Variazione della resistività in ρT = ρ 0°C(1 + αTT) funzione di piccole aggiunte di altri elementi metallici Marco Alvisi, Antonio Licciulli Proprietà elettriche dei materiali Livelli di energia in un atomo isolato Gli elettoni negli strati interni sono saldamente legatial nucleo Gli elettroni di valenza sono meno legati e maggiormente delocalizzati. Possono dunque partecipare a legami con altri atomi e formare molecole o solidi Es. atomo di sodio (Na) Marco Alvisi, Antonio Licciulli Proprietà elettriche dei materiali Formazione delle bande di energia Bande di energia di valenza nel sodio metallico Per effetto dell’avvicinamento degli atomi, gli orbitali di valenza formano “bande” di energia Diagrammi delle bande di energia per alcuni metalli : (a) sodio 3s1 (b) magnesio 3s2 (c ) Alluminio 3s2p1 Marco Alvisi, Antonio Licciulli Proprietà elettriche dei materiali Diagramma delle bande Diagramma delle bande di energia per un isolante: Energia La banda di valenza è completamente piena e la banda di conduzione vuota separata da un grande intervallo di energia Eg. Banda di conduzione vuota Banda di valenza piena Marco Alvisi, Antonio Licciulli Proprietà elettriche dei materiali Semiconduttori intrinseci Livelli Energetici Sono materiali i cui valori di conducibilità risultano intermedi tra conduttori e isolanti In termine di diagramma delle bande un semiconduttore intrinseco ha banda di valenza piena e di conduzione vuota (come gli isolanti) ma separate da minore Eg (e.g. nel Si Eg=1,1eV a 20°C, diamante Eg = 6-7eV) Fornendo all’elettrone di valenza energia superiore a Eg esso si libera creando contemporaneamente una lacuna Banda di conduzione Elettrone vuota Banda di valenza Lacuna piena Marco Alvisi, Antonio Licciulli Proprietà elettriche dei materiali Movimento dei portatori in un semiconduttore intrinseco Lacune ed elettroni sono creati per eccitazione termica e si muovono in direzioni opposte per effetto di un campo elettrico σ =J/E=(n q vn+n p vp) / E σ =ni q (µn+ µp) La concentrazione di portatori segue la relazione ni ∝ e-Eg/2KT E quindi per la conducibilità: σi ∝ σ0 e-Eg/2KT Marco Alvisi, Antonio Licciulli Proprietà elettriche dei materiali Semiconduttori estrinseci Soluzioni solide sostituzionali molto diluite con gli atomi “droganti” sono aliovalenti rispetto agli atomi del reticolo atomico del “solvente” Le concentrazioni sono di solito nell’intervallo 100-1000ppm L’elettrone in eccesso del P nel reticolo del Si è debolmente legato e diviene un elettrone di conduzione sotto l’azione di un campo elettrico Energia di legame = 0.044eV a 27°C i.e. 5% dell’energia richiesta per il salto interbanda Marco Alvisi, Antonio Licciulli Proprietà elettriche dei materiali Semiconduttore estrinseco di tipo n e p Quando un elemento del gruppo 5A sostituisce un elemento del gruppo 4A (Si, Ge, Sn) si ottiene un elettrone in eccesso, l’atomo del gruppo 5A viene chiamato impurezza donatrice. L’elettrone in eccesso occupa un livello energetico nell’intervallo proibito sotto la banda vuota di conduzione che viene definito “livello donatore” Quando un elemento del gruppo 3A sostituisce un elemento del gruppo 4A si ottiene un elettrone di valenza in meno ossia una “lacuna”, l’atomo del gruppo 3A viene chiamato atomo accettore. L’atomo del gruppo 3A fornisce nel diagramma delle bande un livello energetico detto accettore situato nella banda proibita sopra la banda di valenza Marco Alvisi, Antonio Licciulli Proprietà elettriche dei materiali Conducibilità in un semiconduttore estrinseco La conducibilità in un semiconduttore è fortemente influenzata dalla temperatura in controtendenza rispetto ai metalli A basse temperature si ha l’intervallo di comportamento estrinseco e la conducibilità dipende dalla energia di ionizzazione degli atomi di impurezza Quando avviene la completa ionizzazione si incontra l’intervallo di esaurimento in cui non si hanno variazioni di conducibilità con la temperatura Ad alte temperature diventa predominante la conduzione intrinseca temperatura alla quale tutte le Impurezze sono ionizzate Marco Alvisi, Antonio Licciulli Proprietà elettriche dei materiali La giunzione pn Si realizza tra un silicio n e un silicio p oppure per diffusione dallo stato solido di impurezze ad alta temperatura. Dopo l’unione dei materiali i portatori di maggioranza diffondono attraverso la giunzione e si ricombinano In condizioni di equilibrio una carica elettrostatica impedisce un ulteriore diffusione. Gli ioni alla giunzione creano una zona impoverita di portatori detta regione di svuotamento Marco Alvisi, Antonio Licciulli Proprietà elettriche dei materiali Diodo polarizzato direttamente e inversamente Marco Alvisi, Antonio Licciulli Proprietà elettriche dei materiali Applicazioni della giunzione p-n: diodo raddrizzatore La giunzione pn converte tensione alternata in tensione diretta.IL diodo conduce solo quando la tensione applicata è positiva. Si ottiene pertanto un raddrizzamento a semionda Marco Alvisi, Antonio Licciulli Proprietà elettriche dei materiali Applicazioni della giunzione p-n: diodo Zener E' possibile, drogando fortemente il semiconduttore, ottenere un effetto simile all'effetto valanga, ma diverso per due aspetti fondamentali: 1il fenomeno può ripetersi indefinitamente senza che il diodo si distrugga 2- il fenomeno si produce anche a tensioni basse, dell'ordine di qualche volt Usato come stabilizzatore di tensione Marco Alvisi, Antonio Licciulli Proprietà elettriche dei materiali Altre applicazioni della giunzione p-n Fotodiodo Celle solari LED Diodo Laser Marco Alvisi, Antonio Licciulli Proprietà elettriche dei materiali Transistor con giunzione npn Si distinguono da sinistra: emettitore, base e collettore L’emettitore emette i portatori di carica La base controlla il flusso dei portatori (molto sottile e leggermente drogata per minimizzare la ricombinazione dei portatori) Il collettore raccoglie i portatori di carica provenienti principalmente dell’emettitore Marco Alvisi, Antonio Licciulli Proprietà elettriche dei materiali Movimento dei portatori nel transistor npn Nel normale funzionamento la giunzione emettitore base è polarizzata direttamente e la giunzione base collettore inversamente. La polarizzazione diretta emettitore base provoca un’iniezione di elettroni nella base. Pochissime lacune fluiscono dalla base all’emettitore. La maggioe parte degli elettroni può dunque passare direttamente al collettore Marco Alvisi, Antonio Licciulli Proprietà elettriche dei materiali Transistor microelettonico bipolare planare npn Sono costruiti su wafer di silicio monocristallino. L’intero chip è drogato conimpurezze tipo p, in seguito si formano isoledi tipo n e all’interno di esse si creano aree più piccole di tipo p e n che costituiscono drain source e gate. Marco Alvisi, Antonio Licciulli Proprietà elettriche dei materiali NMOS Marco Alvisi, Antonio Licciulli Proprietà elettriche dei materiali Il processo fotolitografico 1.Ossidazione 2.Stesura del fotoresist 3.Mascheratura e fotopolimerizzazione 4.Indurimento 5.Attacco in acido fluoridrico 6.Rimozione del fotoresist in solvente Marco Alvisi, Antonio Licciulli Proprietà elettriche dei materiali Drogaggio selettivo Il drogaggio selettivo n o p avviene tipicamente secondo due tecniche: Diffusione ad alta temperatura: avviene in forni ad alta temperatura 1000°C1100°C in atmosfera contenente boro o fosforo. Inpiantazione ionica: Gli atomi droganti vengono ionizzati e accelerati verso il wafer di silicio a 50-100kV Vantaggi: processo a temperatura ambiente, impiantazione subossido Marco Alvisi, Antonio Licciulli Proprietà elettriche dei materiali Fabbricazione del transistor NMOS (a) Prima maschera 3 2 1 (b) Seconda maschera : gate di silicio policristallino 4 5 6 (c) Superfici di contatto 7 8 (d) Schema metallico 9 Marco Alvisi, Antonio Licciulli Proprietà elettriche dei materiali Fabbricazione dei circuiti integrati (tipo NMOS) Marco Alvisi, Antonio Licciulli Proprietà elettriche dei materiali CMOS Vantaggi: maggiore miniaturizzazione, basso consumo di energia. Applicazioni: orologi elettronici, calcolatori etc. Marco Alvisi, Antonio Licciulli Proprietà elettriche dei materiali IN BOCCA AL LUPO! Marco Alvisi, Antonio Licciulli Proprietà elettriche dei materiali
