Elettronica I Introduzione ai semiconduttori

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1 Elettronica I Introduzione ai semiconduttori Valentino Liberali Dipartimento di Tecnologie dell Informazione Università di Milano, Crema liberali Elettronica I Introduzione ai semiconduttori p. 1 Programma Parte 6 6. Dispositivi e circuiti elettronici. (a) I semiconduttori. (b) Il diodo a giunzione. (c) Il transistore bipolare a giunzione. (d) Il transistore MOS. (e) La tecnologia CMOS. (f) Porte logiche in tecnologia CMOS. Elettronica I Introduzione ai semiconduttori p. 2 1

2 Semiconduttori Materiali allo stato solido dotati di proprietà elettriche intermedie tra quelle dei conduttori (metalli) e quelle degli isolanti. Semiconduttori più importanti: Silicio (Si): il più usato, soprattutto in tecnologia CMOS Germanio (Ge): è stato il primo materiale dell elettronica allo stato solido; oggi viene usato in lega con il silicio (SiGe) per realizzare dispositivi molto veloci Arseniuro di Gallio (GaAs) e Fosfuro di Gallio (GaP): impiegati in applicazioni optoelettroniche (LED, laser) Sono elementi del IV gruppo oppure composti III-V. Elettronica I Introduzione ai semiconduttori p. 3 Sistema periodico degli elementi I A II A III B IV B V B VI B VII B VIII B I B II B III A IV A V A VI A VII A VIII A H He idrogeno Li Be B C N O F Ne boro carbonio azoto ossigeno Na Mg Al Si P S Cl Ar alluminio silicio fosforo K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr rame gallio germanio arsenico Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe indio stagno antimonio Cs Ba (1) Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn oro piombo Fr Ra (2) Rf Ha (1) (2) La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr numero atomico simbolo chimico H idrogeno peso atomico nome metallo non metallo gas nobile Elettronica I Introduzione ai semiconduttori p. 4 2

3 Struttura elettronica dei semiconduttori Gli elementi del IV gruppo del sistema periodico hanno 4 elettroni nel livello energetico più esterno. Questi 4 elettroni sono gli elettroni di valenza, che possono formare legami tra gli atomi per costituire molecole e cristalli. Il silicio e il germanio formano 4 legami covalenti, ciascuno dei quali corrisponde ad un orbitale molecolare in comune tra due atomi vicini. Ogni orbitale molecolare contiene due elettroni. Elettronica I Introduzione ai semiconduttori p. 5 Struttura elettronica dei semiconduttori orbitali di legame nuclei di Si con gli elettroni dei livelli interni elettroni di valenza Nella realtà, i quattro legami sono diretti verso i vertici di un tetraedro, con il nucleo di silicio al centro. La struttura cristallina è quella del diamante. È importante che il materiale sia costituito da un solo cristallo privo di irregolarità (silicio monocristallino). Elettronica I Introduzione ai semiconduttori p. 6 3

4 Struttura elettronica dei semiconduttori elettrone libero Gli elettroni di valenza non sono liberi di muoversi, perché sono confinati negli orbitali di legame. Se un elettrone acquista abbastanza energia, viene strappato dall orbitale e diventa libero di muoversi: cioè diventa un portatore di carica elettrica. Elettronica I Introduzione ai semiconduttori p. 7 Struttura elettronica dei semiconduttori elettrone libero lacuna L elettrone libero lascia uno spazio vuoto nell orbitale, che può essere occupato da un altro elettrone. In pratica, lo spazio vuoto (lacuna, o, in inglese, hole), si comporta come una particella di carica positiva. Elettronica I Introduzione ai semiconduttori p. 8 4

5 Struttura elettronica dei semiconduttori due elettroni si muovono la lacuna si è spostata Lo spostamento di una lacuna è più semplice da descrivere dello spostamento di molti elettroni. L elettrone e la lacuna costituiscono una coppia di portatori. Elettronica I Introduzione ai semiconduttori p. 9 Generazione e ricombinazione GENERAZIONE: Creazione di una coppia di portatori elettrone-lacuna. Richiede energia; può avvenire per riscaldamento, per illuminazione o per collisione di altre particelle. RICOMBINAZIONE: Una lacuna viene riempita da un elettrone libero, che perde energia. L energia può essere emessa sotto forma di luce (nei LED) o di vibrazione meccanica. In assenza di stimoli esterni, generazione e ricombinazione sono in equilibrio dinamico. Elettronica I Introduzione ai semiconduttori p. 10 5

6 Concentrazione di portatori n = concentrazione di elettroni liberi (numero di elettroni liberi per metro cubo) p = concentrazione di lacune (numero di lacune per metro cubo) In un semiconduttore intrinseco (cioè totalmente privo di impurità) il numero di elettroni liberi è uguale al numero di lacune: n= p=n i dove n i è la concentrazione intrinseca. A temperatura ambiente (T= 300 K), n i = m 3. Poiché nel silicio ci sono atomi/m 3, si genera una coppia di portatori ogni 3000 miliardi di atomi (circa). La concentrazione intrinseca n i aumenta all aumentare della temperatura. Elettronica I Introduzione ai semiconduttori p. 11 Drogaggio (1/7) L introduzione in un semiconduttore di impurità in piccole quantità ben controllate si chiama drogaggio. Per il silicio si utilizzano prevalentemente come droganti: Boro (B), che appartiene al III gruppo del sistema periodico Fosforo (P) e Arsenico (As), che appartengono al V gruppo del sistema periodico L atomo drogante deve sostituirsi ad un atomo di silicio, per non modificare la struttura monocristallina (drogaggio sostituzionale). Elettronica I Introduzione ai semiconduttori p. 12 6

7 Drogaggio (2/7) Atomo di Fosforo (P) oppure di Arsenico (As), (V gruppo del sistema periodico) al posto di un atomo di silicio: As elettrone libero L atomo di drogante ha un elettrone in più, che rimane libero. Elettronica I Introduzione ai semiconduttori p. 13 Drogaggio (3/7) Fosforo (P) e Arsenico (As) sono elementi donatori, perché danno un elettrone libero in più: quindi il silicio viene arricchito di elettroni liberi. La concentrazione di elettroni liberi diventa maggiore della concentrazione di lacune: n> p e si dice che il silicio è di tipo n. N D = concentrazione di atomi donatori Se N D n i, allora n N D Elettronica I Introduzione ai semiconduttori p. 14 7

8 Drogaggio (4/7) Legge dell azione di massa: il prodotto delle concentrazioni di elettroni liberi e di lacune è costante (dipende solo dalla temperatura): Nel silicio di tipo n: n p=n 2 i n N D p= n2 i n n2 i N D Quando aumenta la concentrazione di elettroni liberi, la concentrazione di lacune diminuisce. Gli elettroni sono portatori maggioritari, le lacune sono portatori minoritari. Elettronica I Introduzione ai semiconduttori p. 15 Drogaggio (5/7) Atomo di Boro (B), (III gruppo del sistema periodico) al posto di un atomo di silicio: B lacuna L atomo di drogante ha un elettrone in meno, e quindi si ha una lacuna. Elettronica I Introduzione ai semiconduttori p. 16 8

9 Drogaggio (6/7) Il Boro (B) è un elemento accettore, perché può ricevere un elettrone (per completare il quarto orbitale di legame), lasciando libera una lacuna: quindi il silicio viene arricchito di lacune. La concentrazione di lacune diventa maggiore della concentrazione di elettroni liberi: p>n e si dice che il silicio è di tipo p. N A = concentrazione di atomi accettori Se N A n i, allora p N A Elettronica I Introduzione ai semiconduttori p. 17 Nel silicio di tipo p: Drogaggio (7/7) p N A n= n2 i p n2 i N A Quando aumenta la concentrazione di lacune, la concentrazione di elettroni liberi diminuisce. Le lacune sono portatori maggioritari, gli elettroni sono portatori minoritari. La conduttanza del silicio aumenta all aumentare della concentrazione di portatori, e dipende dalla concentrazione di portatori maggioritari: G n G p per il silicio drogato n per il silicio drogato p Elettronica I Introduzione ai semiconduttori p. 18 9

10 Giunzione p-n giunzione p n In una struttura monocristallina in cui c è una parte di semiconduttore drogato p e una parte di semiconduttore drogato n, la superficie di separazione tra le due zone si chiama giunzione. Il dispositivo elettronico si chiama diodo a giunzione. Elettronica I Introduzione ai semiconduttori p

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