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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Diodo polarizzato direttamente e inversamente
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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
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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
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Altre applicazioni della giunzione p-n
Fotodiodo
Celle solari
LED
Diodo Laser
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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
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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
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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.
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NMOS
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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
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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
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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
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Fabbricazione dei circuiti integrati (tipo NMOS)
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CMOS
Vantaggi: maggiore
miniaturizzazione, basso
consumo di energia.
Applicazioni: orologi elettronici,
calcolatori etc.
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IN BOCCA AL LUPO!
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