Dispositivi e tecnologie elettroniche

Description

Il testo affronta lo studio dei principali dispositivi elettronici, delle loro applicazioni circuitali e delle relative tecnologie. Dopo una introduzione ai semiconduttori, vengono studiati i dispositivi a giunzione pn,i transistori MOS ed i transistori bipolari. In tutti i casi, vengono introdotti i modelli circuitali di piccolo ed ampio segnale e se ne discutono le principali applicazioni, con numerosi esempi anche numerici. Infine vengono presentate le tecnologie e le strutture delle memorie a semiconduttore. 1 Proprietà elettriche dei semiconduttori 1 1.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Proprietà elettriche dei materiali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2.1 Richiami di fisica atomica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2.2 Le molecole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2.3 La teoria delle bande energetiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.4 Gli elementi del IV gruppo della tavola periodica . . . . . . . . . . 10 1.3 Isolanti, semiconduttori e metalli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.4 I semiconduttori composti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.5 La concentrazione intrinseca. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.6 Il drogaggio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.7 Calcolo della concentrazione di carica libera in equilibrio termodinamico 22 1.7.1 Il livello di Fermi intrinseco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.7.2 Le equazioni di Shockley . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.7.3 La legge dell'azione di massa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.8 Semiconduttori omogenei in equilibrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.8.1 Semiconduttore omogeneo non degenere. . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2 Trasporto di carica nei semiconduttori 41 2.1 Moto dei portatori liberi in un semiconduttore . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.1.l Moto delle cariche libere per trascinamento da parte di un campo elettrico . . . . . . 43 2.1.2 Moto delle cariche libere per diffusione . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.2 I semiconduttori fuori equilibrio termodinamico . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.2.l Eccessi di carica e basso livello di iniezione . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.2.2 I fenomeni di generazione e ricombinazione . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.3 L'equazione di continuità e il modello matematico dei semiconduttori . 58 2.3.l Approssimazioni del modello matematico. . . . . . . . . . . . . . . . 60 3 Diodo a giunzione pn 67 3.1 Diagramma a bande di energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.1.1 Diagramma a bande in una regione di carica spaziale. . . . . . . 71 3.1.2 Costruzione qualitativa del diagramma a bande di equilibrio per una giunzione pn brusca . . . . . 72 3.2 Elettrostatica di equilibrio nella giunzione pn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.3 La giunzione pn fuori equilibrio in condizioni stazionarie . . . . . . . . . . 80 3.3.1 Corrente nella giunzione fuori equilibrio termodinamico . . . . . 80 3.3.2 Legge della giunzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.3.3 Relazione tensione-corrente statica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3.3.4 Modello statico e concetto di punto di funzionamento . . . . . . . 89 3.4 Effetti capacitivi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 3.4.1 Capacità di svuotamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.4.2 Capacità di diffusione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.5 Modello circuitale della giunzione pn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 3.5.1 Modello circuitale di piccolo segnale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 3.6 Fenomeni di breakdown. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 3.6.l Breakdown per moltiplicazione a valanga. . . . . . . . . . . . . . . . 108 3.6.2 Breakdown per effetto Zener . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 3.6.3 Diodo Zener . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 4 Transistore bipolare 113 4.1 Il transistore bipolare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 4.2 Diagramma a bande di energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 4.3 Correnti nel transistore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.3.1 Efficienza di emettitore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 4.3.2 Fattore di trasporto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 4.4 Equazioni di Ebers-Moll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 4.5 Modello di Ebers-Moll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 4.6 Effetto Early . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 4.6.1 Caratteristica a base comune. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 4.6.2 Altre regioni di funzionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 4.6.3 Componenti di piccolo segnale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 4.6.4 Comportamento in frequenza. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 5 Il transistore MOS 149 5.1 Il sistema MOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.1.1 Regioni di funzionamento del sistema MOS . . . . . . . . . . . . . . 151 5.1.2 Il sistema MOS all'equilibrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 5.1.3 Il sistema MOS fuori equilibrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 5.1.4 La legge di controllo di carica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 5.1.5 La tensione di soglia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 5.1.6 L'effetto di substrato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 5.1.7 Il sistema MOS su substrato di tipo n . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4 5.2 I transistori MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 5.3 Il transistore nMOS ad arricchimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 5.3.1 Il canale conduttivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 5.3.2 La corrente di canale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 5.4 Il transistore nMOS a svuotamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 5.5 I transistori pMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 5.6 Effetti di non idealità del transistore MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 5.7 Il terminale di substrato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 5.8 I modelli circuitali del transistore MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 5.8.1 Il modello di ampio segnale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 5.8.2 Il modello di piccolo segnale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 5.8.3 Parametri differenziali del circuito equivalente di piccolo segnale 213 6 Il MOSFET come amplificatore 225 6.1 Caratteristiche di un amplificatore e VTC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 6.2 Amplificatore a Source Comune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 6.2.1 Polarizzazione stadio CS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 6.2.2 Modello per piccolo segnale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 6.2.3 Carico attivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 6.3 Stadio a Drain Comune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 6.4 Stadio a Gate Comune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 7 Tecnologia dei semiconduttori 251 7.1 Leggi di Moore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 7.2 Il processo planare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 7.3 Crescita dei monocristalli e preparazione dei substrati . . . . . . . . . . . . 261 7.4 Tecniche fotolitografiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 7.5 Ossidazione Termica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 7.6 Diffusione Termica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 7.7 Impiantazione Ionica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 7.8 Crescite epitassiali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 7.9 Crescite non epitassiali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 7.10 Metallizzazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 8 Memorie a semiconduttore 295 8.1 Architettura di una memoria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 8.2 Tempistiche di accesso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 8.3 La cella ROM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 8.3.1 ROM programmabili (PROM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 8.4 Memorie non volatili riscrivibili . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 8.4.1 La cella EPROM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 8.4.2 Cella EEPROM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 8.5 La cella Flash . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 8.5.1 Architettura NOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 8.5.2 Architettura NAND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 8.5.3 Affidabilità delle memorie Flash . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 8.5.4 Circuiti di programmazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 8.5.5 Flash multilivello . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 8.6 Memorie ferroelettriche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 8.7 Memorie a lettura/scrittura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 8.7.1 Memorie RAM statiche... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 8.7.2 Il sense amplifier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 8.7.3 Memorie RAM dinamiche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334 8.7.4 Memorie sincrone SDRAM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 Bibliografia 341