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Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1

Dispositivi unipolari

– Il contatto metallo-semiconduttore– Il transistor JFET– Il transistor MESFET– Il diodo MOS– Il transistor MOSFET


Contatti metallo semiconduttore (1)La deposizione di uno strato metallico è necessariaper poter effettuare i collegamenti tra un dispositivoa semiconduttore ed il resto della circuiteria.

Il metallo che si sceglie tipicamente è l’alluminio.


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.


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 comparareI 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.


Contatti metallo semiconduttore (4)Bande di energia nonall’equilibrio

Distribuzione Delle cariche

Campo elettrico

Bande di energiaall’equilibrio

n

n


Bande metallo-semiconduttore

Equilibrio

Polarizzazione diretta

Polarizzazione inversa

n p


Da notare: l’altezza della barriera alla giunzione non varia in funzione del campo elettrico applicato.

Contatti metallo semiconduttore (5)

E E


Meccanismo raddrizzante per giunzione metallo (alluminio)-semiconduttore tipo n:c) Nessuna polarizzazione: situazione di equilibriod) 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 riesconoad andare nel semiconduttore più facilmente che nei casi precedenti mentre il contributo delle lacune dal semiconduttoreè 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.

Contatti metallo semiconduttore (6)


Contatti metallo-semiconduttore (7)Quando si adoperano?Quando occorre un diodo a transizione

veloce.Sparisce il tempo dirimozione deiportatori minoritari


Generatore ideale controllato in Tensione (1)È un dispositivocon tre terminali (1,2,3) che generauna corrente i2

controllata da unatensione v1, isolandola parte in uscita daquella in ingresso. La corrente gmv1 che si ottiene dipende dalparametro gm = transconduttanza

v1 v2

+

-gmv1


Generatore ideale controllato in Tensione (2)

Segnale di controllo Circuito di output


Il dispositivo FET


JFET (1)JFET = Junction Field Effect Transistor


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)


JFET (3)

La resistenza del canale è data da:

R = ρ L/A = L/(qµnNDA) = L /[qµnNDZ(a-W)]


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.


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 unpunto da un controllo esterno.


JFET (6)


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.


JFET (8)

Tensione di rottura VB = VD + VG


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


MESFET (2)Normalmente aperto Normalmente chiuso


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;


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 isolantetra il metallo ed il semiconduttore.

Per un diodo ideale i livelli di Fermi sono gli stessitra metallo e semiconduttore.


Diodo MOSIl diodo MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) è un dispositivo fondamentale per la maggior parte delle applicazioni VLSI.

Si ottiene interponendo uno strato di ossido isolante (Si02) tra il semiconduttore ed il metallo

Il semiconduttore può esseredrogato tipo p (a) o n (b).

Per un diodo ideale i livelli di Fermi sono gli stessi tra metallo e semiconduttore.

n-

p+


Diodo MOS ideale (1)

φm = φs

•le bande di energia sono piatte;•la resistività dell’ossidoè infinita (isolante);


Diodo MOS ideale (2)

Accumulo(lacune)

Svuotamento

Inversione(elettroni)


Capacità di un diodo MOS (1)La tensione applicata tra metallo e semiconduttoresi 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 combinazionein serie delle capacità C0 dell’ossido e Cj dello strato di svuotamento del semiconduttore:

C = (C0Cj )/(C0 + Cj)


Capacità di un diodo MOS (2)

Tensione di soglia


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 lacunealla superficie C ≅ C0 ;

2) Se la tensione applicata è positiva e cresce si tende alla situazione di inversione la regione di svuotamentoesiste 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


Esempio di cella di memoria EPROM (1)

Applicando una tensione elevata tra G e D (~25 V), si ha unelevato campo elettrico nella regione di svuotamento pn Elettroni veloci penetrano e giungono al gate fluttuante.


Esempio di cella di memoria EPROM (2)Allora il gate fluttuante si carica negativamente.Quando si rimuove la polarizzazione le cariche rimangonointrappolate 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 canaletra 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.


Componenti integrati (1)

Schema di resistenza integrata

R = 20 Ω – 30 kΩ

Si usa la resistenza di volume del silicio drogato


Componenti integrati (2)

(a)Modello di Capacità integrata(b)Circuito equivalente

J2 = giunzione polarizzata inversa da cui si ricava la capacità C2

Cmax = 4x10-4pF/µm2


Transistor MOSFET (1)


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


Tipi di MOSFET

NMOS

NMOS

PMOS

PMOS


A che serve un MOSFET?

• Amplificatore;• Condensatore;• Resistenza;• Interruttore

un circuito integrato complesso può essere realizzato quasi soltanto con

MOSFET!


IL MOSFET come resistenza

VGS = VDS

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