il diodo a giunzione transistori ad effetto di campo (FETs) il transistore bipolare (BJT)

Dimensione: px

Iniziare la visualizzazioe della pagina:

Download "il diodo a giunzione transistori ad effetto di campo (FETs) il transistore bipolare (BJT)"

Adamo Perrone
7 anni fa
Visualizzazioni

1 Contenuti del corso Parte I: Introduzione e concetti fondamentali richiami di teoria dei circuiti la simulazione circuitale con SPICE elementi di Elettronica dello stato solido Parte II: Dispositivi Elettronici il diodo a giunzione transistori ad effetto di campo (FETs) il transistore bipolare (BJT) Parte III: Circuiti amplificatori a transistori discreti amplificatori a BJT e FETs

2 Classificazione dei materiali a stato solido Classificazione in base alla disposizione atomica

Materiali dell elettronica allo stato solido lo sviluppo dei materiali e delle tecnologie per la realizzazione degli ICs ha reso possibile la moderna rivoluzione della tecnologia dell informazione

3 Materiali dell elettronica allo stato solido lo sviluppo dei materiali e delle tecnologie per la realizzazione degli ICs ha reso possibile la moderna rivoluzione della tecnologia dell informazione particolare interesse rivestono i semiconduttori (cristallini) poichè la resistività può essere modulata mediante l aggiunta di impurità alla struttura cristallina (drogaggio). i semiconduttori elementari sono formati da atomi di un solo tipo, generalmente della IV colonna (Si, Ge). i semiconduttori composti sono formati dalla combinazione di elementi della III e della V colonna o della II e della VI (GaAs, InP)

Materiali semiconduttori il primo semiconduttore ad essere usato è stato il germanio il silicio ha rapidamente sostituito il germanio grazie a maggiore ampiezza di banda proibita che ne permise l

4 Materiali semiconduttori il primo semiconduttore ad essere usato è stato il germanio il silicio ha rapidamente sostituito il germanio grazie a maggiore ampiezza di banda proibita che ne permise l impiego a temperature più elevate formazione di un ossido stabile, caratteristica molto importante nel processo di fabbricazione degli ICs. GaAs e InP impiegati in optoelettronica: LED, laser, fotorivelatori materiali innovativi: SiC, SiGe

5 Struttura cristallina del Silicio Il Silicio appartine alla IV colonna: 4 elettroni nell orbita più esterna che si legano con i 4 atomi più vicini (legame covalente) a T=0K tutti i legami sono completi. Ogni atomo di silicio contribuisce con un elettrone per ognuna delle coppie di legame.

6 Elettroni e lacune T>0K l aumento di T aggiunge energia al sistema e rompe i legami generando elettroni liberi di muoversi sotto l influenza di un campo elettrico esterno vacanze o lacune

7 Elettroni e lacune i legami si rompono in modo statistico una lacuna si muove quando la vacanza è riempita da un elettrone di un legame rotto nelle vicinanze. nei semiconduttori la conduzione avviene a causa degli elettroni e delle lacune. n, p: concentrazioni di elettroni e lacune [cm -3 ] per il silicio intrinseco, n =p= n i

8 Modello a bande di energia E C e E V sono I livelli di energia ai bordi della banda di valenza e di conduzione. L elettrone che fa parte di un legame covalente si trova in uno stato di bassa energia nella banda di valenza. La figura si riferisce a 0 K. L energia termica rompe i legami covalenti generando elettroni in banda di conduzione e lacune in banda di valenza.

Concentrazione intrinseca dei portatori il numero di elettroni e lacune determina la conducibilità di un materiale a T=300K n=p=n i 10 10 cm -3 (molto bassa, praticamente isolanti) all aumentare di T

9 Concentrazione intrinseca dei portatori il numero di elettroni e lacune determina la conducibilità di un materiale a T=300K n=p=n i cm -3 (molto bassa, praticamente isolanti) all aumentare di T si rompono più legami e n,p aumentano (maggiore conducibilità a differenza dei metalli) a parità di T, materiali con più basso E G hanno maggiore conducibilità nei metalli E G 0 e il trasporto di carica è dovuto solo agli elettroni

Concentrazione intrinseca dei portatori La densità dei portatori di carica in un semiconduttore è funzione della temperatura e delle proprietà del materiale: p = = = 3 G n ni BT exp kt E 1/2 cm E G =

10 Concentrazione intrinseca dei portatori La densità dei portatori di carica in un semiconduttore è funzione della temperatura e delle proprietà del materiale: p = = = 3 G n ni BT exp kt E 1/2 cm E G = ampiezza di banda proibita del semiconduttore ev k = Costante di Boltzmann, (8.62 x 10-5 ev/k, 1.38 x10-23 J/K); T = temperatura assoluta, K B = parametro caratteristico del materiale E G è la minima energia necessaria per liberare un elettrone rompendo un legame covalente. -3

11 Equilibrio termodinamico Le variabili termodinamiche (temperatura, pressione, volume) sono costanti (nel tempo). In condizioni di equilibrio termodinamico gli elettroni (lacune) si muovono in banda di conduzione (valenza) in modo caotico a causa dell energia fornitagli dall ambiente (agitazione termica).

12 Corrente di deriva F p = + qe F n = - qe L E=V/L + - le particelle cariche e libere si muovono in modo ordinato (derivano) sotto l influenza del campo elettrico applicato generando una corrente di deriva j=qv V q = C j = densità di corrente di deriva [A/cm 2 ] Q = densità di carica [C/cm 3 ] v = velocità delle cariche [cm/s]

13 Mobilità Per bassi valori di campo elettrico E (<10 3 V/cm nel silicio) v n = - µ n E v p = µ p E v n e v p = velocità di elettroni e lacune (cm/s) µ n e µ p = mobilità di elettroni e lacune (cm 2 /V s) µ n < µ p per campi elevati (>10 7 V/cm nel silicio), la velocità dei portatori satura saturazione della corrente. µ diminuisce all aumentare di T (urti col reticolo, come nei metalli) la mobilità limita la risposta in frequenza, Nel GaAs maggiore che nel silicio applicazioni high-f

14 Conducibilità e Resistività La corrente di deriva (drift) j drift =Qv è dovuta sia agli elettroni che alle lacune j n drift = Q n v n = (-qn)(- µ n E) = qn µ n E j p drift = Q p v p = (+qp)(µ p E) = qp µ p E j drift = drift drift T j n + j p = q(n µ n + p µ p )E = σe legge di Ohm microscopica σ = q(n µ n + p µ p ) [(Ω cm) -1 ] conducibilità elettrica ρ = 1/σ [Ω cm] resistività elettrica j I S = σe = 1 V L legge di Ohm V = RI R = ρ ρ L S macroscopica

Semiconduttori drogati Il drogaggio è il processo con cui si aggiungono piccole quantità di impurità in un semiconduttore per controllarne la

15 Semiconduttori drogati Il drogaggio è il processo con cui si aggiungono piccole quantità di impurità in un semiconduttore per controllarne la resistività. Tipi di drogaggio usati per il silicio: donatore (V colonna): P, As, Sb accettore (III colonna): B valori tipici: cm cm -3

16 Impurità di tipo donatore per il silicio atomi di P (o altri elementi della V colonna) rimpiazzano atomi di Si nella struttura cristallina. poichè il P ha 5 elettroni sull orbita esterna, ci sarà un elettrone extra il materiale ha ancora carica neutra, ma basta poca energia (45 mev per il P) per rendere disponibile l elettrone per il processo di conduzione ogni atomo di P dona un elettrone per la conduzione N D (drogaggio donatore) >> n i n N D (è possibile controllare σ)

17 Impurità di tipo accettore per il silicio atomi di B (III colonna) rimpiazzano atomi di Si nella struttura cristallina. poichè il B ha 3 elettroni sull orbita esterna, ci sarà un legame incompleto (lacuna) il materiale ha ancora carica neutra, ma basta poca energia (44 mev per il B) affinchè un legame vicino si sposti ogni atomo di B accetta un elettrone liberando una lacuna in banda di valenza per la conduzione N A (drogaggio donatore) >> p i p N A (è possibile controllare σ)

18 Impurità di tipo accettore per il silicio moto della lacune in banda di valenza

19 Concentrazione dei portatori di carica Legge di azione di massa: pn = n i 2 (semiconduttori drogati e non drogati) Drogaggio (N D ) con impurità donatori n N D p n i2 / N D n>>p (il silicio è detto di tipo n) gli elettroni sono i portatori maggioritari, le lacune i minoritari Drogaggio (N A ) con impurità accettori p N A n n i2 / N A p>>n (il silicio è detto di tipo p) le lacune sono i portatori maggioritari, gli elettroni i minoritari

20 Mobilità e resistività nei semiconduttori drogati µ n >µ p µ diminuisce a causa dei maggiori urti

21 Diffusione Nei dispositivi elettronici è abbastanza frequente avere gradienti di concentrazione del drogante e/o drogaggio di tipo diverso. Le particelle materiali (non necessariamente cariche) hanno una naturale tendenza a muoversi (a causa dell agitazione termica) verso le zone con concentrazione più basse. Tale processo è detto diffusione e comporta il trasporto di massa da una zona ad alta concentrazione di particelle ad una a più bassa concentrazione.

22 Corrente di diffusione Nel caso dei semiconduttori, oltre a trasporto di massa avviene un trasporto di carica, e quindi la nascita di una corrende (di diffusione). Le correnti di diff sono proporzionali ai gradienti di concentrazione: j j diff p diff n = ( + q) D = ( q) D p n p x p x = qd = + qd n p p x n x [A/cm [A/cm le costanti di prop. D p e D n sono le diffusività di elettroni e lacune [cm 2 /s] 2 2 ] ] diffusività e la mobilità sono legate dalla relazione di Einstein: Dn µ n Dp kt = = = VT µ q p = Tensione termica 25 mv a temperatura ambiente

23 Corrente totale in un semiconduttore La corrente totale è la somma delle correnti di deriva e di diffusione di elettroni e lacune j j T n T p = qµ ne + qd qµ n p pe Semiconduttori: il trasporto è dovuto ad elettroni e lacune il drogaggio permette di modulare la conducibilità la corrente è dovuta a componenti di drift e diffusione = n qd p n x p x Metalli: il trasporto è dovuto interamente agli elettroni n i è talmente alto (E G basso) che il drogaggio risulta ininfluente non è possibile modularne il drogaggio solo le correnti di drift di elettroni sono significative

Documenti analoghi

Materiali dell elettronica allo stato solido

Materiali dell elettronica allo stato solido I materiali elettronici si suddividono in 3 categorie: Isolanti Resistenza () > 10 5 -cm Semiconduttori 10-3 < < 10 5 -cm Conduttori < 10-3 -cm I semiconduttori