Dispositivi unipolari Il contatto metallo-semiconduttore Il transistor JFET Il transistor MESFET Il diodo MOS Il transistor MOSFET

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Luca Tarantino
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1 Dispositivi unipolari Il contatto metallo-semiconduttore Il transistor JFET Il transistor MESFET Il diodo MOS Il transistor MOSFET 1

2 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. 2

3 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. 3

4 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. 4

5 Contatti metallo semiconduttore (4) Bande di energia non all equilibrio n Bande di energia all equilibrio n Distribuzione Delle cariche Campo elettrico 5

6 Bande metallosemiconduttore n p Equilibrio Polarizzazione diretta Polarizzazione inversa 6

7 Contatti metallo semiconduttore (5) E E Da notare: l altezza della barriera alla giunzione non varia in funzione del campo elettrico applicato. 7

8 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. 8

9 Contatti metallo-semiconduttore (7) Quando si adoperano? Quando occorre un diodo a transizione veloce. Sparisce il tempo di rimozione dei portatori minoritari 9

10 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 v1-10

11 Generatore ideale controllato in Tensione (2) Segnale di controllo Circuito di output 11

12 Il dispositivo FET 12

13 JFET = Junction Field Effect Transistor JFET (1) 13

14 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) 14

15 JFET (3) La resistenza del canale è data da: R = ρ L/A = L/(qµnNDA) = L /[qµnndz(a-w)] 15

16 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. 16

17 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. 17

18 JFET (6) 18

19 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. 19

20 JFET (8) Tensione di rottura VB = VD + VG 20

21 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 21

22 MESFET (2) Normalmente aperto Normalmente chiuso 22

23 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; 23

24 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. 24

25 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. 25

26 Diodo MOS ideale (1) φm = φs le bande di energia sono piatte; la resistività dell ossido è infinita (isolante); 26

27 Diodo MOS ideale (2) Accumulo (lacune) Svuotamento Inversione (elettroni) 27

28 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) 28

29 Capacità di un diodo MOS (2) Tensione di soglia 29

30 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 30

31 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. 31

32 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. 32

33 Componenti integrati (1) Schema di resistenza integrata Si usa la resistenza di volume del silicio drogato R = 20 Ω 30 kω 33

34 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 34

35 Transistor MOSFET (1) 35

36 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 36

37 Tipi di MOSFET NMOS NMOS PMOS PMOS 37

38 A che serve un MOSFET? Amplificatore; Condensatore; Resistenza; Interruttore un circuito integrato complesso può essere realizzato quasi soltanto con MOSFET! 38

39 IL MOSFET come resistenza VGS = VDS 39

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