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: J qµ E + qd d d qd p d( p) d tegrado ella regioe eutra di base e cosiderado la legge della giuzioe J q i e qv kt 0 C p D e d qv kt E J s e qv kt C e qv kt E co J Q s q q ~ 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 J qd N i a e qv kt E Q qn a Correte di diffusioe alla giuzioe polarizzata direttamete

3 Fuzioameto i zoa attiva diretta J J s e qv kt E p Correte di collettore V 0 J J s E q Q J S ~ i D q i Q0 J S ~ D Carica di base itriseca Numero di atomi drogati di base per cm N a Q ( ) d q 0 qi D J ~ 0 S Numero di Gummel

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

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

6 E pe r qade N qadpe N qai N τ a a de E i i e e e qv kt E qv kt E qv kt E Correte di elettroi iiettati i base Correte di lacue iiettate dalla base all emettitore Correte di ricombiazioe degli elettroi i base α T E E r 1 r E 1 L Fattore di trasporto γ E E + pe 1 1+ pe E 1+ 1 D N D p N a d E Efficieza di emettitore α β F F γα T α F 1 α F C E C

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

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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 -C (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 -C V C W C c V C C ~ qd 0 i pd C A E e qv kt E p( ) V pd 0 C V C A V C A V A pd 0 tesioe di Early p( ) V C

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

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13 ' > a causa della ricombiazioe ella RCS 0 0 β F dimiuisce

14 Effetti ella giuzioe -E C qa 0 E i ~ D p( ) d e qv kt E Per bassi livelli di iiezioe Alti livelli di iiezioe i p cofrotabile co N a β F dimiuisce ' p( ) d ( ) + 0 e C [ Na ( ) ] 0 qv kt E d

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16 Effetti ella giuzioe -C (effetto Kirk) portatori liberi ella RCS -C variazioi della carica totale e del campo elettrico ella RCS -C V C cost carica spaziale W C Per ua struttura p su strato epitassiale di tipo p C J q + J C0 C l 1/ C 0 ( V φ ) ε S C + qnepi i 1/ J qn l 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 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 τ Q C Q 0 qa E ' ( ) d Carica iiettata i base τ 0 0 ~ D i pd ep( qv ' d E / kt) Per u geerico profilo di drogaggio Per u trasistor prototipo: τ ~ D

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

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

22 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,, 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.

23 Tecologia icmos

24 Caratteristiche della tecologia CMOS 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 Caratteristiche della tecologia bipolare Tecologia icmos 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

25 Caratteristiche dei circuiti icmos Vataggi: maggiore velocità rispetto ai circuiti CMOS 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 (JT) 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

26 Amplificatore cascode icmos R R i ojt > R omos - Riduzioe effetto Miller - Aumeto della resisteza di uscita di u fattore A 03

27 verter icmos CLOAD 50fF 100fF tp, icmos 0.3s tp, CMOS 1s

28 Porte logiche icmos

29 Processo di fabbricazioe icmos

30 Applicazioi Mied aalog/digital systems uso di circuiti aalogici bipolari per alte prestazioi uso dei circuiti digitali CMOS 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 icmos Microprocessori ad alte prestazioi Gate Array Covertitori A/D circuiti comparatori bipolari grade velocità basso offset CMOS ecodig logic alta desità di itegrazioe basso cosumo di poteza