Fondamenti fisici del transistor

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1 Fodameti fisici del trasistor hp: - geerazioe e ricombiazioe di e - i base trascurabili - flusso di h + trascurabile e iezioe di e - i base dalla giuzioe polarizzata direttamete: q E qd d d qd p d( p) d tegrado ella regioe eutra di base e cosiderado la legge della giuzioe q 2 i e qv kt 0 p D e d qv kt E s e qv kt e qv kt E co Q s q q 2 2 ~ i D Q 0 pd

2 Trasistor prototipo: drogaggio di base uiforme giuzioi brusche codizioe di polarizzazioe i zoa attiva ' p0 ( e qv kt E 1)(1 ) 0 Profilo di diffusioe degli e - iiettati i base qd 2 i a e qv kt E Q q a orrete di diffusioe alla giuzioe polarizzata direttamete

3 Fuzioameto i zoa attiva diretta s e qv kt E p orrete di collettore V s E 0 q 2 Q S 2 ~ 2 2 i D q i Q0 S ~ D arica di base itriseca umero di atomi drogati di base per cm 2 a Q ( ) d q 0 2 qi D ~ 0 S umero di Gummel

4 ompoeti della correte tra E e i zoa attiva 1. Ricombiazioe ella regioe eutra di 2. ricombiazioe ella RS (trascurabile) 3. correte di lacue (termie domiate) 1. Ricombiazioe ella regioe eutra di base: r q 0 Ud q 0 1 ( ) i regioe attiva ()>>p0 i 2 a d r q 0 ( ) d Per u trasistor a base corta r 2 qve q i kt e 1 2 a

5 3. iezioe di lacue ell emettitore: correte di diffusioe tra la base e l emettitore pe 2 qve qdpei kt e 1 delpe pe 2 qve qdpei kt e 1 de E

6 E pe r qade qadpe 2 qai 2 a a de E 2 i 2 i e e e qv kt E qv kt E qv kt E orrete di elettroi iiettati i base orrete di lacue iiettate dalla base all emettitore orrete di ricombiazioe degli elettroi i base T E E r 1 r E 1 2L 2 2 Fattore di trasporto E E pe 1 1 pe E 1 1 D D p a d E Efficieza di emettitore F F T F 1 F E

7 Trasistor per circuiti itegrati Geometria del dispositivo reale E, 10 Y E, Y 1 m 1m

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9 Effetti del secodo ordie effetto Early effetti per deboli polarizzazioi di emettitore effetti ad elevate polarizzazioi: resisteza distribuita di base effetti ella giuzioe - (effetto Kirk) effetti ella giuzioe -E

10 Effetto Early (effetto di variazioe della polarizzazioe del collettore) modulazioe della larghezza di base a causa di variazioi della polarizzazioe - V W c V ~ qd 0 2 i pd A E e qv kt E p( ) V pd 0 V A V A V A pd 0 tesioe di Early p( ) V

11 j E dv d qp dv dq pd qa Q ) ( 0 j A Q V p pd V ) ( 0

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13 ' a causa della ricombiazioe ella RS 0 0 β F dimiuisce

14 Effetti ella giuzioe -E 2 ~ qae i D e p( ) d 0 qv kt E Per bassi livelli di iiezioe Alti livelli di iiezioe i p cofrotabile co a β F dimiuisce 0 p( ) d 2 e ' ( ) a ( ) 0 qv kt E d

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16 Effetti ella giuzioe - (effetto Kirk) portatori liberi ella RS - variazioi della carica totale e del campo elettrico ella RS - V cost Δcarica spaziale ΔW Per ua struttura p su strato epitassiale di tipo p q 0 l 1/ S V q epi i 1/ 2 l q epi v l v l velocità dei portatori liberi

17 Per ua struttura p su strato epitassiale di tipo elevata iiezioe di e - Spostameto del campo elettrico verso lo strato sepolto

18 Effetto Kirk el T osideriamo u trasistor p. Quado la cocetrazioe dei portatori () a cui è associata la correte di collettore diveta cofrotabile co la cocetrazioe della carica spaziale fissa ella giuzioe base-collettore, il campo elettrico attraverso la giuzioe risulta modificato. () E epi () sub E epi sub E E () () q E q E q epi - - q epi q E() V Vbi E - d q E() - elettroi q v L livelli di correte medio-bassi livelli di correte elevati

19 Effetto Kirk el T osideriamo u trasistor p. Quado la cocetrazioe dei portatori () a cui è associata la correte di collettore diveta cofrotabile co la cocetrazioe della carica spaziale fissa ella giuzioe base-collettore, il campo elettrico attraverso la giuzioe risulta modificato. () E epi () sub sub E epi E () q E q epi - E () q E q epi - La desità di carica egativa a s aumeta, quella positiva a d dimiuisce, ma l itegrale del campo elettrico deve restare ialterato q E() V Vbi E - d q - E() Duque e si spostao verso d, per cui la zoa eutra di base si allarga livelli di correte medio-bassi livelli di correte elevati

20 Se la correte di elettroi cresce ulteriormete, si può avere epi = /qv L per cui la carica si aulla ella regioe epi del collettore. () E epi () sub sub E epi E () q E q epi - q E() elettroi q v L epi E q E q () - La eutralità ell epi impoe la comparsa di ua carica positiva el sub-collettore. - - E() L itegrale del campo elettrico deve restare acora ialterato livelli di correte elevati V V bi E d livelli di correte molto elevati

21 fie, se epi < /qv L, la carica ella regioe epi si iverte el sego. () E epi () sub E epi sub E E () () q E q E - - q q - E() - E() L itegrale del campo elettrico deve restare acora ialterato livelli di correte molto elevati livelli di correte elevatissimi

22 Si può quatificare l allugameto della regioe eutra di base: assumiamo che la giuzioe sia brusca, ma co drogaggi cofrotabili; i questo caso, a basse correti (ovvero co carica associata agli elettroi trascurabile rispetto alla carica spaziale fissa) si ha: 2 q Si V epi epi V bi

23 Se la carica degli elettroi (che sostegoo la correte di collettore) diviee cofrotabile co la carica fissa ella r.c.s. di base, allora el bilacio di carica occorre cosiderare gli elettroi e la relazioe si trasforma i: 2 Si epi q q 2 qv Si L V V 2 V V V V 2 V V epi epi 1 bi 1 bi qvl qv L Si q qv q epi L epi bi Si epi qv L qv qv L L bi 1 1 q 2 epi 1 Si V qv qv L L Vbi avedo idicato co 1 la correte per la quale q v L ovvero per la quale la desità di elettroi eguaglia quella della carica fissa. Per c crescete, la si riduce progressivamete, e duque la regioe eutra di base si alluga..b. i realtà lo svuotameto ella regioe epi sta aumetado, ma oi l abbiamo igorato bloccado epi

24 Tempo di trasito i base tempo richiesto per il trasporto dei portatori mioritari mediate diffusioe ella regioe di base Limitazioi temporali i regime di commutazioe Q Q 0 qa E ' ( ) d arica iiettata i base 0 0 ~ 2 D i pd ep( qv ' d E / kt) Per u geerico profilo di drogaggio Per u trasistor prototipo: 2 ~ D 2

25 Per u trasistor prototipo: D ~ 2 2 Esempio: ps m cm a 144 1, codizioi di elevati livelli di iiezioe a a D D ~ 4 '(0) 1 ~ Riduzioe del tempo di trasito ella base Effetto Webster

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27 Modello del trasistor per simulazioi umeriche Modello di Ebers-Moll s, β F e β R caratterizzao il modello

28 Modello del trasistor per simulazioi umeriche Modello di Gummel-Poo V A e V tesioe di Early diretta ed iversa KF, KR correti di giocchio 1, 2, η c e η e descrivoo gli effetti di ricombiazioe ella regioe di carica spaziale; KF, KR, V A e V descrivoo il fuzioameto i alta iiezioe e l effetto Early.

29 Tecologia imos

30 aratteristiche della tecologia MOS Vataggi: elevati livelli di itegrazioe bassa dissipazioe di poteza dei circuiti logici alta impedeza di igresso dei dispositivi correte di polarizzazioe d igresso praticamete ulla Svataggi: limitata capacità di pilotaggio i correte limitato fa-out aratteristiche della tecologia bipolare Tecologia imos Vataggi: elevata capacità di pilotaggio i correte alta trascoduttaza itriseca elevata velocità di fuzioameto basso rumore Svataggi: elevata dissipazioe di poteza basso livello di itegrazioe

31 aratteristiche dei circuiti imos Vataggi: maggiore velocità rispetto ai circuiti MOS miore dissipazioe di poteza rispetto ai circuiti bipolari alte prestazioi per i circuiti aalogici immuità dai feomei di latchup igresso ad alta impedeza (FET) grade guadago (T) miore Flicker oise bassa tesioe di offset i igresso alle coppie differeziali switches aalogici ad offset ullo Prodotto GW migliorato Svataggi: maggiore complessità circuitale processi di fabbricazioe più costosi e più lughi

32 Amplificatore cascode imos R R i ot R omos - Riduzioe effetto Miller - Aumeto della resisteza di uscita di u fattore A 03

33 verter imos LOAD = 50fF 100fF tp, imos = 0.3s tp, MOS = 1s

34 Porte logiche imos

35 Processo di fabbricazioe imos

36 Applicazioi Mied aalog/digital systems uso di circuiti aalogici bipolari per alte prestazioi uso dei circuiti digitali MOS per grade desità di itegrazioe e basso cosumo di poteza Memorie RAM ad alta desità di itegrazioe ed alta velocità celle di memoria MOS sese amplifiers e circuiti periferici di tipo imos Microprocessori ad alte prestazioi Gate Array overtitori A/D circuiti comparatori bipolari grade velocità basso offset MOS ecodig logic alta desità di itegrazioe basso cosumo di poteza