A1
A1.1 Dispositivi semiconduttori
L’utilizzo dei semiconduttori nell’industria dell’elettronica è diventato sempre più importante. L’abilità dei produttori di semiconduttori di porre circuiti elettrici estremamente complicati su un chip di silicio di 1 cm2 o meno e con uno spessore di circa 200
m ha rivoluzionato la progettazione e la fabbricazione di innumerevoli prodotti. In Figura A1.1 è mostrato un esempio di un complesso circuito elettronico che può essere
realizzato su un chip di silicio di un microprocessore avanzato o “computer su un
chip”. Il microprocessore è alla base di molti dei più recenti prodotti che utilizzano la
miniaturizzazione progressiva della tecnologia dei semiconduttori a base di silicio.
In questo capitolo studieremo innanzitutto le interazioni tra elettroni e lacune in
una giunzione di tipo pn e in seguito esamineremo il funzionamento di un diodo con
giunzione pn. Considereremo poi alcune applicazioni dei diodi con giunzione pn. Infine esamineremo brevemente il funzionamento dei transistor con giunzione bipolare.
A1.1.1 La giunzione pn
I dispositivi semiconduttori più comuni dipendono dalle proprietà dell’interfaccia tra
materiali di tipo p e di tipo n, perciò esamineremo alcune caratteristiche di questa interfaccia. Un diodo con giunzione pn può essere prodotto mediante la crescita di un
monocristallo di silicio intrinseco e il successivo drogaggio prima con un materiale di
tipo n e poi con uno di tipo p (Figura A1.1a). Più comunemente, comunque, la giunzione pn viene prodotta per diffusione allo stato solido di un tipo di impurezza (per
esempio, di tipo p) nel materiale di tipo n già esistente (Figura A1.1b).
Il diodo con giunzione pn in condizioni di equilibrio Consideriamo un caso ideale nel quale semiconduttori di silicio di tipo p e di tipo n vengono uniti per formare
una giunzione. Prima dell’unione, entrambi i tipi di semiconduttori sono elettricamente neutri. Nel materiale di tipo p, le lacune sono i portatori di maggioranza e gli
elettroni quelli di minoranza. Nel materiale di tipo n, invece, gli elettroni sono i portatori di maggioranza e le lacune quelli di minoranza.
Tipo p
Contatti metallici
Tipo n
Tipo p
Tipo n
(a)
(b)
Figura A1.1
(a) Diodo con giunzione pn
cresciuto in forma di barra
monocristallina. (b)
Giunzione planare pn
prodotta diffondendo
selettivamente una
impurezza di tipo p in un
cristallo semiconduttore di
tipo n.
2
William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - © McGraw-Hill Education (Italy) srl
Figura A1.2
(a) Diodo con giunzione pn
che mostra la diffusione
verso la giunzione dei
portatori di maggioranza
(lacune nel materiale di tipo
p e elettroni nel materiale di
tipo n). (b) Formazione della
regione di svuotamento
vicino e sulla giunzione pn
causata dalla perdita di
portatori di maggioranza
dovuta alla ricombinazione.
In questa regione,
rimangono solamente ioni
nelle loro posizioni
reticolari.
Tipo p
Lacune,
Regione di
portatori di
svuotamento
maggioranza
Tipo p
Tipo n
Tipo n
Lacune
Elettroni
Giunzione
2
2
2 1
1
1
2
2
2 1
1
1
2
2
2 1
1
1
Ione
accettore
Giunzione
(a)
Ione
donatore
Elettroni,
portatori
di maggioranza
(b)
Dopo l’unione dei materiali di tipo p e di tipo n (cioè, dopo la realizzazione di una
giunzione pn nella produzione attuale), i portatori di maggioranza vicini o sulla giunzione diffondono attraverso questa e si ricombinano (Figura A1.2a). Gli ioni vicino o
sulla giunzione, poiché sono fisicamente più grandi e più pesanti degli elettroni e delle lacune, rimangono nelle loro posizioni del reticolo del silicio (Figura A1.2b). Dopo poche ricombinazioni dei portatori di maggioranza in corrispondenza alla giunzione, il processo si ferma perché gli elettroni che attraversano la giunzione verso il
materiale di tipo p, vengono respinti dai grandi ioni negativi. Allo stesso modo, le lacune che attraversano la giunzione sono respinte dai grandi ioni positivi presenti nel
materiale di tipo n. Gli ioni immobili presenti sulla giunzione creano una zona impoverita di portatori di maggioranza chiamata regione di svuotamento. In condizioni di
equilibrio (cioè a circuito aperto) esiste una differenza di potenziale o una barriera al
flusso dei portatori di maggioranza. Quindi non c’è un flusso netto di corrente in condizioni di circuito aperto.
Diodo con giunzione pn a polarizzazione inversa Quando viene applicata una tensione esterna, si dice che la giunzione pn è polarizzata. Consideriamo l’effetto dell’applicazione, ad una giunzione pn, di una tensione esterna mediante una pila. Si dice che la giunzione pn è polarizzata inversamente se il materiale di tipo n della
giunzione è collegato al polo positivo della pila e se il materiale di tipo p è collegato
al polo negativo (Figura A1.3). Con questa disposizione, gli elettroni (portatori di
maggioranza) del materiale di tipo n vengono allontanati dalla giunzione perché attratti dal polo positivo della batteria e le lacune (portatori di maggioranza) del mateFigura A1.3
Diodo con giunzione pn
polarizzato inversamente. I
portatori di maggioranza
vengono attratti lontano
dalla giunzione, creando
una regione di
svuotamento più ampia di
quando la giunzione è in
condizioni di equilibrio. Il
flusso di corrente dovuto ai
portatori di maggioranza è
ridotto praticamente a
zero. Comunque, i portatori
di minoranza sono
polarizzati in modo diretto
e creano un piccolo flusso
di corrente, come mostrato
in Figura A1.4.
Alimentatore
esterno
Le lacune, portatori di
maggioranza, flussano
esternamente alla giunzione
Gli elettroni, portatori di
maggioranza, flussano
esternamente alla giunzione
2ve
1ve
Elettroni
Lacune
Tipo p
Tipo n
Polarizzazione inversa
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i (mA)
Elevato flusso di corrente
dovuto ai portatori di
maggioranza
Figura A1.4
Caratteristica schematica
corrente-tensione di un
diodo con giunzione pn.
Quando il diodo con
giunzione pn è polarizzato
in modo inverso si ha una
corrente di dispersione
dovuta alla ricombinazione
dei portatori di minoranza.
Quando il diodo è
polarizzato in modo diretto,
si ha un elevato flusso di
corrente dovuto alla
ricombinazione dei
portatori di maggioranza.
V, volt
Polarizzazione inversa
3
Polarizzazione diretta
Corrente di dispersione
dovuta ai portatori di
minoranza
i (mA)
riale di tipo p vengono allontanate dalla giunzione perché attratte dal polo negativo
della batteria (Figura A1.3). Il movimento di allontanamento dalla giunzione degli
elettroni e delle lacune aumenta l’ampiezza della barriera e, di conseguenza, non fluisce la corrente trasportata dai portatori di maggioranza. I portatori di minoranza generati termicamente (lacune nel materiale di tipo n ed elettroni nel materiale di tipo
p) vengono attratti in direzione della giunzione e si possono combinare, creando un
flusso di corrente molto debole in condizioni di polarizzazione inversa. Questa corrente di minoranza, o corrente di dispersione, è di solito dell’ordine dei microampere (µA) (Figura A1.4).
Polarizzazione diretta di un diodo con giunzione pn Si dice che il diodo con giunzione pn è polarizzato direttamente se il materiale di tipo n della giunzione è accoppiato al polo negativo di una pila esterna (o di un altro generatore elettrico) e il
materiale di tipo p è collegato al polo positivo (Figura A1.5). In questo caso, i portatori di maggioranza sono respinti verso la giunzione dove possono combinarsi. Infatti, gli elettroni vengono respinti dal polo negativo della batteria, verso la giunzione, e
le lacune vengono respinte anch’esse dal polo positivo verso la giunzione.
In condizioni di polarizzazione diretta, cioè polarizzazione diretta rispetto ai portatori di maggioranza, nella giunzione la barriera di energia è talmente ridotta che alcuni elettroni e lacune sono in grado di attraversare la giunzione e quindi di ricombinarsi. Nella polarizzazione diretta di una giunzione pn, gli elettroni erogati dalla
batteria entrano nel materiale negativo del diodo (Figura A1.5). Per ogni elettrone che
Alimentatore esterno
Le lacune, portatori di
maggioranza, flussano
attraverso la giunzione
Gli elettroni, portatori
di maggioranza, fluiscono
attraverso la giunzione
1ve
2ve
Elettroni
Lacune
Tipo p
Tipo n
Polarizzazione diretta
Figura A1.5
Polarizzazione diretta di un
diodo con giunzione pn. I
portatori di maggioranza
sono respinti verso la
giunzione e la attraversano
per ricombinarsi in modo
tale da provocare un
considerevole flusso di
corrente.
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Figura A1.6
Diagramma tensionecorrente che illustra
l’azione di raddrizzamento
di un diodo con giunzione
pn per convertire la
corrente alternata (AC) in
corrente continua (DC). La
corrente in uscita non è
completamente corrente
continua, ma è
principalmente positiva.
Questo segnale DC può
essere smorzato
utilizzando altri dispositivi
elettronici.
Corrente in uscita
i
i(t)
V
Tensione in entrata
V(t)
attraversa la giunzione e si ricombina con una lacuna, dalla batteria giunge un altro
elettrone. Allo stesso modo, per ogni lacuna che si ricombina con un elettrone del materiale di tipo n, si forma una nuova lacuna ogni volta che un elettrone lascia il materiale di tipo p per andare verso il polo positivo della pila. Poiché la barriera di energia
al flusso degli elettroni è ridotta quando la giunzione pn è polarizzata direttamente,
può circolare una considerevole corrente, come indicato in Figura A1.4. Il flusso di
elettroni (e quindi il flusso di corrente) può proseguire finché la giunzione pn è polarizzata direttamente e la pila garantisce l’apporto di elettroni.
A1.1.2 Alcune applicazioni dei diodi con giunzione pn
Diodi raddrizzatori Una delle più importanti applicazioni dei diodi con giunzione
pn è la conversione della tensione alternata in tensione diretta, processo noto come
raddrizzamento. I diodi utilizzati per questo processo sono detti diodi raddrizzatori. Applicando un segnale in corrente alternata (AC) ad un diodo con giunzione pn, il
diodo conduce solo quando la tensione applicata è positiva nella regione p rispetto alla regione n. Di conseguenza, si ottiene un raddrizzamento a semionda, come mostrato in Figura A1.6. Questo segnale di uscita può essere smorzato con altri dispositivi o circuiti elettronici in modo da ottenere un segnale in corrente continua (DC)
costante. I raddrizzatori al silicio allo stato solido vengono utilizzati in un ampio intervallo di correnti che va dai decimi di ampere a diverse centinaia di ampere o ancora di più. Anche le tensioni possono essere di 1000 V o anche maggiori.
Diodi a conduzione inversa I diodi a conduzione inversa, o diodi zener, come talvolta vengono chiamati, sono raddrizzatori al silicio nei quali la corrente inversa (corrente di dispersione) è piccola e solo con un’elevata tensione di polarizzazione inversa si raggiunge una tensione di scarica al di sopra della quale la corrente inversa
aumenta molto rapidamente (Figura A1.7). Nella cosiddetta zona di scarica zener, il
campo elettrico nel diodo diventa abbastanza forte da attrarre gli elettroni direttamente dai legami covalenti del reticolo cristallino. Le coppie elettrone-lacuna così
create producono un’alta corrente inversa. A tensioni di polarizzazione inversa superiori a quella di scarica zener avviene un effetto valanga e la corrente inversa diventa
elevatissima. Una teoria per spiegare l’effetto valanga è quella secondo la quale gli
elettroni guadagnano, attraverso gli urti, una energia sufficiente per sbalzare più elettroni dai legami covalenti che possono quindi raggiungere livelli di energia abbastanza alti per diventare conduttori. I diodi di sicurezza possono essere prodotti con tensioni di scarica da pochi volt a molte centinaia di volt e sono utilizzati per
applicazioni in cui è necessario limitare la tensione e per stabilizzare la tensione in
condizioni di corrente molto variabile.
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Figura A1.7
Curva caratteristica di un
diodo zener. Nella regione
di tensione di scarica
circola una elevata corrente
inversa.
Corrente
diretta, mA
Tensione di polarizzazione
inversa, V
Tensione di polarizzazione
diretta, V
Regione di
tensione
di rottura
Corrente
inversa, mA
A1.1.3 Transistor con giunzione bipolare
Un transistor a giunzione bipolare (BJT) è un dispositivo elettronico che può funzionare come amplificatore di corrente. Questo dispositivo consiste di due giunzioni
pn in sequenza in un monocristallo di un materiale semiconduttore come il silicio. La
Figura A1.8 mostra schematicamente un transistor con giunzione bipolare di tipo npn
e identifica le tre parti principali del transistor: l’emettitore, la base e il collettore. L’emettitore di un transistor emette i portatori di carica. L’emettitore di un transistor npn,
essendo di tipo n, emette elettroni. La base del transistor controlla il flusso dei portatori di carica ed è di tipo p per un transistor npn. La base è molto sottile (circa 10-3 cm
di spessore) ed è leggermente drogata, in modo che solamente una piccola frazione
dei portatori di carica provenienti dall’emettitore si ricombinano con i portatori di
maggioranza di carica opposta della base. Il collettore del BJT raccoglie i portatori di
carica provenienti principalmente dall’emettitore. Poiché il collettore di un transistor
npn è di tipo n, raccoglie principalmente gli elettroni dall’emettitore.
Nel normale funzionamento del transistor npn, la giunzione emettitore-base è polarizzata direttamente e la giunzione collettore-base è polarizzata inversamente (Figura A1.8). La polarizzazione diretta della giunzione emettitore-base provoca un’iniezione di elettroni dall’emettitore alla base (Figura A1.9). Alcuni degli elettroni
iniettati nella base sono persi per la ricombinazione con le lacune nella base di tipo p.
Comunque, la maggior parte degli elettroni passa attraverso la base di piccolo spessore direttamente dall’emettitore al collettore, dove sono attratti dal polo positivo dello stesso. Il forte drogaggio dell’emettitore con elettroni, il leggero drogaggio della
Polarizzazione diretta
2
1
Polarizzazione inversa
2
1
B
0.7 V
n
Regione fortemente
drogata (ND @ NA)
Emettitore
p
C
n
Base
E
5V
Collettore
WB
x
Figura A1.8
Illustrazione schematica di
un transistor con giunzione
bipolare npn. La regione n a
sinistra è l’emettitore, la
regione sottile p centrale è
la base e la regione n a
destra è il collettore.
Durante il normale
funzionamento, la
giunzione emettitore-base
è polarizzata direttamente
e la giunzione collettorebase è polarizzata
inversamente. (Da C. A.
Holt, “Electronic Circuits,”
Wiley, 1978, p.49.)
6
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Figura A1.9
Movimento di un portatore
di carica durante il normale
funzionamento di un
transistor npn. La maggior
parte della corrente è
trasportata da elettroni
che, attraverso la base,
vanno direttamente al
collettore. Alcuni degli
elettroni, circa 1-5% si
ricombinano con le lacune
provenienti dal flusso di
corrente della base. Come
indicato, è anche presente
una bassa corrente inversa
dovuta ai portatori generati
termicamente. (Da R. J.
Smith, “Currents, Devices and
Systems,” 3d ed., Wiley, 1976,
p.343.)
Emettitore
Base
Collettore
n
p
n
giE
Elettroni
iE
aiE
(g 2 a)iE
iC
Ricombinazione
(1 2 g)iE
Lacune
Lacune
ICBO
Elettroni
iB
base con lacune e una base molto sottile sono tutti fattori che provocano il passaggio
diretto della maggior parte degli elettroni (dal 95% al 99%) dall’emettitore al collettore. Pochissime lacune fluiscono dalla base all’emettitore. La maggior parte del flusso di corrente dal morsetto della base verso il suo interno è il flusso delle lacune che
servono per sostituire quelle perse dalla ricombinazione con gli elettroni. Il flusso di
corrente verso la base è di piccola entità ed è compreso tra 1 e 5% della corrente di
elettroni dall’emettitore al collettore. Sotto certi aspetti il flusso di corrente verso la
base può essere considerato come una valvola di controllo, poiché la modesta corrente nella base può essere utilizzata per controllare la corrente di maggiore entità del
collettore. Il transistor bipolare è così chiamato perché sono coinvolti nel suo funzionamento entrambi i tipi di portatori di carica (elettroni e lacune).
A1.2 Microelettronica
La moderna tecnologia dei semiconduttori ha reso possibile porre migliaia di transistor su un “chip” di silicio di circa 5 mm2 e di spessore 0,2 mm. Questa capacità di
incorporare un grande numero di elementi elettronici su chip di silicio ha notevolmente sviluppato le prestazioni dei dispositivi elettronici (Figura 15.1, sul volume).
I circuiti microelettronici integrati complessi (“large-scale integrated”, LSI) sono costruiti partendo da un wafer di silicio monocristallino (tipo n o tipo p) con un diametro di 100-125 mm ed uno spessore di 0,2 mm. La superficie del wafer deve essere
perfettamente lucidata e senza difetti su una delle due facce, perché i dispositivi semiconduttori vengono montati su tale superficie. La Figura A1.10 mostra un wafer di silicio dopo che sono stati posti sulla sua superficie i circuiti microelettronici. Da un wafer possono essere prodotti da 100 a 1000 chip (a seconda della loro dimensione).
Innanzitutto, esamineremo la struttura di un transistor bipolare di tipo piano costruito sulla superficie di un wafer di silicio. In seguito esamineremo brevemente la
struttura di un tipo di transistor più compatto chiamato MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor), o transistor semiconduttore a ossidi metallici
ad effetto di campo, che viene utilizzato in molti moderni dispositivi semiconduttori.
Infine, descriveremo alcune delle procedure base usate nella fabbricazione dei moderni circuiti microelettronici.
A1.2.1 Transistor microelettronico bipolare planare
I transistor microelettronici bipolari planari sono costruiti sulla superficie di un wafer
di silicio monocristallino con una serie di operazioni che richiedono di accedere solo
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Figura A1.10
Questa immagine mostra
un wafer, singoli circuiti
integrati e tre chip (l’unità
nel mezzo è di ceramica, le
altre due sono in plastica). I
tre dispositivi più grandi al
centro di questo wafer
sono sistemi di controllo di
processo (PCM) per
monitorare la qualità
elettrica della piastrina sul
wafer. [Per gentile
concessione della American
Microsystems, Inc. (AMI),
Santa Clara, Calif.]
ad una superficie del wafer di silicio. La Figura A1.11 mostra un disegno schematico
della sezione trasversale di un transistor bipolare planare di tipo npn. Nella sua fabbricazione dapprima viene formata un’isola abbastanza grande di silicio di tipo n su una
base, o substrato, di silicio di tipo p, in seguito vengono create isole più piccole di silicio di tipo p e di tipo n nell’isola più grande di tipo n (Figura A1.11). In questo modo vengono formate in una configurazione piana le tre parti fondamentali di un transistor bipolare npn, l’emettitore, la base e il collettore. Come nel caso di un singolo
transistor bipolare npn descritto nel Paragrafo A1.3 (vedi Figura A1.8), la giunzione
emettitore-base viene polarizzata direttamente e la giunzione base-collettore viene polarizzata inversamente. Quando gli elettroni vengono iniettati dall’emettitore nella base, la maggior parte di questi entra nel collettore e solamente una piccola percentuale
(∼ 1-5%) si ricombina con le lacune dalla base (vedi Figura A1.9). Il transistor microelettronico bipolare planare può perciò svolgere la funzione di amplificatore di corrente allo stesso modo di un singolo transistor bipolare macroelettronico.
A1.2.2 Transistor microelettronico piano a effetto di campo
In molti degli attuali sistemi microelettronici viene utilizzato un altro tipo di transistor, detto transistor a effetto di campo, per il suo basso costo e la sua compattezza. Il
transistor a effetto di campo più diffuso negli Stati Uniti è il transistor semiconduttore a ossidi metallici di tipo n ad effetto di campo. Nel MOSFET di tipo n, o NMOS,
si creano due isole di silicio di tipo n nel substrato di silicio di tipo p, come mostrato
in Figura A1.12. Nel dispositivo NMOS il contatto dove entrano gli elettroni è detto
sorgente e il contatto dove escono è detto drenaggio. Tra il silicio di tipo n della sorgente e del drenaggio, c’è una regione di tipo p sulla cui superficie si è formato un sottile strato di biossido di silicio che agisce come isolante. Sopra lo strato di biossido di
silicio si deposita un altro strato di polisilicio (o metallo) per formare il terzo contat-
8
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Collettore
Base
Emettitore
n
p
n
n
n
Substrato di tipo p
Figura A1.11
Transistor microelettronico bipolare piano npn costruito su un monocristallo di silicio
mediante una serie di operazioni che richiedono l’accesso ad una sola superficie del chip di
silicio. L’intero chip è drogato con impurezze di tipo p, in seguito si formano delle isole di
silicio di tipo n. All’interno di queste isole, si creano poi delle aree più piccole di tipo p e di
tipo n in modo da realizzare i tre elementi fondamentali del transistor: l’emettitore, la base e il
collettore. In questo transistor bipolare microelettronico, la giunzione emettitore-base viene
polarizzata direttamente e la giunzione collettore-base viene polarizzata inversamente, come
nel caso del transistor isolato npn di Figura A1.8. Il dispositivo mostra un guadagno perché
un basso segnale applicato alla base può controllarne uno alto applicato al collettore. (Da J.
D. Meindl, Microelectronic Circuit Elements, Sci. Am., September 1977, p.75. Copyright © Scientific
American Inc. Tutti i diritti riservati.)
Polisilicio o
metallo
Ossido
W
Semiconduttore di
tipo n
D
L
Sorgente n
Porta
G
B
Drenaggio n
S
Substrato p
Rappresentazione schematica
(a)
Canale con larghezza w' al foglio
Contatto della
sorgente in
metallo
SiO2
Porta G di
polisilicio
di tipo n
n1
Sorgente
Figura A1.12
Schema di un transistor
NMOS ad effetto di campo:
(a) struttura generale; (b)
vista della sezione
trasversale. (Da D. A.
Hodges e H. G. Jackson,
“Analysis and Design of
Digital Integrated Circuits,”
McGraw-Hill, 1983, p.40.)
Isolante
depositato
Porta dielettrica
(biossido di
silicio)
n1
tOX
Contatto del
drenaggio in
metallo
SiO2
Drenaggio
p1
Ossido
Regione
L
del canale Lunghezza del
canale L
Regione di campo
Corpo di tipo p, B
1 mm scala
verticale
5 mm
scala
orizzontale
(b)
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Canale
indotto
di tipo n
1
VGS
2
G
S
D
n1
Regione di
svuotamento
SiO2
n1
Lunghezza del canale
L
Substrato di tipo p
to del transistor, detto porta. Poiché il biossido di silicio è un eccellente isolante, la
porta non è in diretto contatto elettrico con il materiale al di sotto dell’ossido.
Per un tipo semplificato di NMOS, quando non viene applicata una tensione alla
porta, il materiale di tipo p sotto la porta contiene portatori di maggioranza, che sono
lacune, e solamente pochi elettroni sono attratti dal drenaggio. Comunque, quando alla porta viene applicata una tensione positiva, il suo campo elettrico attrae elettroni
dalle vicine regioni di sorgente e di drenaggio di tipo n+ verso il sottile strato al di sotto della superficie del biossido di silicio appena sotto la porta, così che questa regione diventa silicio di tipo n con gli elettroni che sono portatori di maggioranza (Figura A1.13). Quando gli elettroni sono presenti in questo canale, si ha un percorso
conduttivo tra la sorgente e il drenaggio. Gli elettroni quindi fluiscono tra la sorgente
e il drenaggio se c’è una differenza di potenziale positiva tra di loro.
Il MOSFET, come il transistor bipolare, è anche in grado di amplificare la corrente. Il guadagno nei dispositivi MOSFET è misurato di solito in termini di un rapporto di tensione invece che in termini di un rapporto di corrente, come avviene nel
transistor bipolare. Il MOSFET di tipo p con le lacune come portatori di maggioranza può essere costruito nello stesso modo, utilizzando isole di tipo p per la sorgente e
per il drenaggio in un substrato di tipo n. Poiché i portatori di corrente nei dispositivi
NMOS sono elettroni e in quelli PMOS sono lacune, questi vengono chiamati dispositivi a portatori di maggioranza.
La tecnologia MOSFET è la base per i circuiti integrati di memoria digitali complessi, principalmente perché un singolo MOSFET occupa una superficie del chip di
silicio minore rispetto ad un transistor bipolare e quindi può essere ottenuta una densità maggiore di transistor. Inoltre, il costo di fabbricazione dei MOSFET LSI è minore di quello dei transistor di tipo bipolare. Esistono però delle applicazioni per le
quali è necessario utilizzare transistor bipolari.
A1.2.3 Fabbricazione di circuiti integrati microelettronici
Il disegno di un circuito integrato microelettronico viene dapprima progettato su larga scala, di solito con l’assistenza di un computer, in modo che possa essere minimizzato lo spazio del circuito (Figura A1.14). Nel processo di fabbricazione più comune il progetto è utilizzato per preparare una serie di fotomaschere, ognuna delle
quali contiene il modello per un singolo strato di un circuito integrato multistrato (Figura A1.15).
Fotolitografia Il processo mediante il quale un modello microscopico viene trasferito da una fotomaschera alla superficie del wafer di silicio del circuito integrato è chiamato fotolitografia. La Figura A1.16 mostra gli stadi necessari per formare uno strato
isolante di biossido di silicio sulla superficie del silicio su cui è già stato realizzato un
tracciato di aree di silicio esposte. In un tipo di processo fotolitografico mostrato nello stadio 2 di Figura A1.16, un wafer ossidato viene prima rivestito con uno strato di
9
Figura A1.13
Sezione trasversale di un
dispositivo NMOS al quale
è applicata una tensione
positiva tra porta e
sorgente, con indicazione
delle regioni di
svuotamento e del canale
indotto. (Da D. A. Hodges e
H. G. Jackson, “Analysis and
Design of Digital Integrated
Circuits,” McGraw-Hill, 1983,
p.43.)
10
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Figura A1.14
Un tecnico sta progettando
una rete di circuiti integrati.
(Per gentile concessione della
Harris Corporation.)
Figura A1.15
Questa immagine
confronta due tipi di
maschere fotolitografiche
utilizzate per la produzione
di circuiti integrati. A
sinistra è mostrata la
maschera al cromo, di
durata maggiore, che viene
utilizzata per lunghi cicli di
produzione e può essere
usata per produrre
maschere di emulsione
come quella mostrata a
destra. Le maschere di
emulsione sono meno
costose e vengono usate
per cicli di produzione più
brevi, come nel caso di
produzione di prototipi. [Per
gentile concessione della
American Microsystems, Inc.
(AMI), Santa Clara, Calif.]
un film polimerico sensibile alla luce, detto photoresist. La proprietà importante di
questo materiale è che la sua solubilità in determinati solventi è molto influenzata dalla esposizione alla radiazione ultravioletta (UV). Dopo l’esposizione alla radiazione
ultravioletta, UV (stadio 3 di Figura A1.16) ed un successivo sviluppo, viene lasciato
uno strato di film fotoresistente nelle zone in cui la maschera era trasparente alla radiazione UV (stadio 4 di Figura A1.16). Il wafer di silicio viene poi immerso in una soluzione di acido fluoridrico che attacca solo il biossido di silicio esposto e non quello
ricoperto (stadio 5 di Figura A1.16). Nello stadio finale del processo, lo schema lasciato dal film fotoresistente viene rimosso da un altro trattamento chimico (stadio 6 di
Figura A1.16). Il processo fotolitografico è stato migliorato col passar del tempo, cosicché ora è possibile riprodurre dimensioni superficiali di circa 0.5 m.
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Film fotoresistente
indurito
Biossido di silicio
1
4
Silicio
Film fotoresistente
2
5
Radiazione ultravioletta
Fotomaschera
3
11
Figura A1.16
Stadi del processo fotolitografico. Con
questo processo, un tracciato
microscopico può essere trasferito da una
fotomaschera a uno strato di materiale in
un circuito. In questa immagine è mostrato
un modello in uno strato di biossido di
silicio sulla superficie di un wafer di silicio
che viene attaccato chimicamente. Il wafer
ossidato (1) viene rivestito con uno strato
di materiale polimerico fotosensibile detto
photoresist (2) e successivamente viene
esposto ad una luce ultravioletta attraverso
la fotomaschera (3). L’esposizione rende
insolubile la zona non schermata dalla
fotomaschera in una soluzione per lo
sviluppo; quindi resta un modello di
photoresist dove la maschera è
trasparente (4). Il wafer è poi immerso in
una soluzione di acido fluoridrico, che
attacca selettivamente il biossido di silicio,
ma non il modello di photoresist ed il
substrato di silicio (5). Nello stadio finale, il
modello di photoresist viene rimosso
mediante un altro trattamento chimico (6).
(Da W. G. Oldham, The Fabrication of
Microelectronic Circuits, Sci. Am., September
1977, p.121. Copyright © Scientific American
Inc. Tutti i diritti riservati.)
6
Diffusione ed impiantazione ionica di droganti sulla superficie dei wafer di silicio Per formare gli elementi attivi dei circuiti, come i transistor bipolari e MOS nei
circuiti integrati, è necessario introdurre selettivamente impurezze (droganti) nel substrato di silicio così da creare regioni localizzate di tipo n e di tipo p. Ci sono due tecniche principali per introdurre droganti nei wafer di silicio: (1) diffusione e (2) impiantazione ionica.
La tecnica di diffusione Come descritto in precedenza nel Paragrafo 5.3, gli atomi
di impurezze vengono diffusi nei wafer di silicio ad alte temperature, da 1000 a 1100
°C. Importanti atomi droganti come il boro e il fosforo si muovono molto più lentamente attraverso il biossido di silicio che attraverso il reticolo cristallino del silicio.
Strati sottili di biossido di silicio possono servire come maschere per impedire agli
atomi droganti di penetrare nel silicio (Figura A1.17a). Così, un contenitore con dei
wafer di silicio può essere posto in un forno di diffusione ad una temperatura da 1000
a 1100 °C in un’atmosfera che contiene fosforo (o boro). Gli atomi di fosforo entreranno nella superficie non protetta del silicio e si diffonderanno nella massa del wafer, come mostrato in Figura A1.17a.
Le variabili importanti che controllano la concentrazione e la profondità di penetrazione sono temperatura e tempo. Per raggiungere il massimo controllo della concentrazione, la maggior parte delle operazioni di diffusione sono effettuate in due stadi. Nel primo stadio, o predeposizione, si deposita sulla superficie del wafer una concentrazione
relativamente alta di atomi droganti. Dopo lo stadio di predeposizione, i wafer sono posti in un altro forno, di solito ad una temperatura più elevata, per lo stadio di diffusione
“drive-in” che permette di raggiungere la necessaria concentrazione di atomi droganti
ad una particolare profondità al di sotto della superficie del wafer di silicio.
12
William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - © McGraw-Hill Education (Italy) srl
Figura A1.17
Processi di drogaggio
selettivo delle superfici di
silicio esposte: (a)
diffusione ad alta
temperatura di atomi di
impurezze; (b)
impiantazione ionica. (Da S.
Triebwasser, “Today and
Tomorrow in
Microelectronics,” dagli atti
di un congresso NSF tenuto ad
Arlie, Va., Nov. 19-22, 1978.)
Diffusione
Impiantazione ionica
Ioni droganti
ad alta velocità
Gas di
atomi
droganti
Schermo
(a)
(b)
La tecnica di impiantazione ionica Un altro processo di drogaggio selettivo dei wafer di silicio per circuiti integrati è la tecnica di impiantazione ionica (Figura A1.17b),
che ha il vantaggio di introdurre le impurezze droganti a temperatura ambiente. In
questo processo gli atomi droganti vengono ionizzati (gli elettroni vengono rimossi
dagli atomi per formare ioni) e gli ioni sono accelerati con alta energia da una elevata differenza di potenziale di 50-100 kV. Quando gli ioni colpiscono il wafer di silicio, vengono inglobati a diverse profondità a seconda della loro massa ed energia e
del tipo di protezione presente sulla superficie di silicio. Uno strato di photoresist o
biossido di silicio può mascherare le regioni della superficie nelle quali non è desiderata l’impiantazione ionica. Gli ioni accelerati causano alcuni danni al reticolo cristallino del silicio, ma la maggior parte dei danni può essere risanata mediante una ricottura a temperatura moderata. L’impiantazione ionica è utile quando il livello di
drogaggio deve essere accuratamente controllato. Un altro importante vantaggio dell’impiantazione ionica è la sua capacità di introdurre impurezze droganti in un sottile strato di ossido. Questa tecnica rende possibile regolare le tensioni di soglia dei
transistor MOS. Per mezzo dell’impiantazione ionica i transistor NMOS e PMOS
possono essere costruiti sullo stesso wafer.
Tecnologia di fabbricazione dei circuiti integrati MOS Ci sono molte procedure
per la fabbricazione dei circuiti integrati di tipo MOS. In questa tecnologia in rapido
sviluppo, vi sono costantemente nuove innovazioni e scoperte che migliorano il disegno e il processo costruttivo dei circuiti integrati. La sequenza generale di un metodo
di produzione dei circuiti integrati NMOS è descritta dai seguenti stadi1 e illustrata
nelle Figure A1.18 e A1.19.
1. Figura A1.18a – Un processo di deposizione chimica in fase vapore (CVD)
deposita un sottile strato di nitruro di silicio (Si3N4) sull’intera superficie del
wafer. Il primo stadio fotolitografico definisce le aree dove devono essere formati
i transistor. Il nitruro di silicio viene rimosso dalle zone esterne al transistor con
un attacco chimico. Gli ioni di boro (tipo p) vengono impiantati nelle regioni
esposte per eliminare la conduzione non desiderata tra le diverse parti del
transistor. In seguito, in queste regioni o campi inattivi viene fatto crescere
termicamente uno strato di circa 1 m di spessore di biossido di silicio (SiO2),
esponendo il wafer all’ossigeno in un forno elettrico. Questo processo è noto
come ossidazione selettiva, o locale. Il Si3N4 è impermeabile all’ossigeno e
quindi inibisce la crescita dello spesso strato di ossido nelle regioni del transistor.
2. Figura A1.18b – Il Si3N4 viene poi rimosso con un attacco che non agisce sul
SiO2. Nelle aree del transistor viene fatto crescere un ossido termico pulito di
2
Da D. A. Hodges e H. G. Jackson, Analysis and Design of Digital Integrated Circuits, McGraw-Hill, 1983,
pp. 16-18.
William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - © McGraw-Hill Education (Italy) srl
Vista in piano
Vista in sezione
Nitruro di silicio
SiO2
(a)
SiO2
p1
p1
Substrato p
Polisilicio
(b)
SiO2
SiO2
n1
p1
p
p1
Isolante depositato
(c)
SiO2
SiO2
n1
p1
Porta
p1
Metallo
SiO2
(d)
n1
Drenaggio
p1
p
p1
Sorgente
circa 0,1 m di spessore, ancora mediante esposizione all’ossigeno in un forno.
Un altro processo CVD deposita uno strato di silicio policristallino sull’intero
wafer. Il secondo stadio fotolitografico definisce lo schema desiderato per gli
elettrodi della porta. Il silicio policristallino non desiderato viene rimosso da un
attacco chimico o al plasma (gas reattivo). Un drogante di tipo n (fosforo o
arsenico) viene introdotto nelle regioni che diventeranno la sorgente e il
drenaggio del transistor. Per questo processo di drogaggio possono essere
utilizzate sia la diffusione termica che l’impiantazione ionica. Lo spesso campo
di ossido e la porta di silicio policristallino sono barriere al drogaggio, ma nel
processo lo strato di silicio policristallino diventa pesantemente drogato di tipo n.
3. Figura A1.18c – Un altro processo CVD deposita sull’intera superficie del wafer
uno strato isolante, frequentemente di SiO2. Il terzo stadio definisce l’area in cui
devono essere posti i contatti dei transistor. L’attacco chimico o il plasma espone
selettivamente silicio nudo o lo strato di silicio policristallino nelle aree di contatto.
4. Figura A1.18d – L’alluminio (Al) viene depositato sull’intera superficie del
wafer mediante evaporazione da un crogiolo caldo in un evaporatore a vuoto. Il
quarto stadio disegna l’Al in modo da realizzare le connessioni del circuito.
5. Uno strato protettivo passivante viene depositato sull’intera superficie. Uno
stadio finale rimuove questo strato isolante delle aree dove saranno saldati i
contatti. I circuiti sono controllati mediante l’utilizzo di puntali posti sui contatti.
I componenti difettosi vengono marchiati e il wafer è poi tagliato in singoli chip.
I chip buoni vengono montati e inviati al controllo finale.
Questo è il processo più semplice per la fabbricazione dei circuiti NMOS ed è riassunto nella Figura A1.19. I processi per circuiti NMOS più avanzati richiedono più stadi di
mascheratura.
13
Figura A1.18
Stadi della fabbricazione di
transistor NMOS ad effetto
di campo: (a) prima
maschera; (b) seconda
maschera: porta di silicio
policristallino; diffusione
sorgente-drenaggio; (c)
terza maschera: superfici di
contatto; (d) quarta
maschera: schema
metallico. (Da D. A. Hodges
e H. G. Jackson, “Analysis
and Design of Digital
Integrated Circuits,” McGrawHill, 1983, p.17.)
14
William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - © McGraw-Hill Education (Italy) srl
Dispositivi semiconduttori con ossido di metallo complementare (CMOS) È possibile fabbricare un chip contenente entrambi i tipi di MOSFET (NMOS e PMOS),
ma solamente aumentando la complessità del circuito e diminuendo la densità dei
transistor. I circuiti che contengono dispositivi di tipo NMOS e PMOS sono detti circuiti complementari, o CMOS, e possono essere realizzati, per esempio, isolando tutti i dispositivi NMOS con isole di materiale di tipo p (Figura A1.20). Un vantaggio
dei circuiti CMOS è che possono essere utilizzati i dispositivi MOS in modo da raggiungere un basso consumo di energia. I dispositivi CMOS vengono utilizzati in molte applicazioni: per esempio, i circuiti integrati CMOS e quelli complessi LSI vengono utilizzati in quasi tutti gli orologi elettronici moderni e nei calcolatori. Inoltre, la
tecnologia CMOS sta diventando di importanza notevole per l’utilizzo nei microprocessori e nelle memorie dei computer.
A1.3 Composti semiconduttori
Ci sono molti composti di diversi elementi che sono semiconduttori. Uno tra i maggiori tipi di composti semiconduttori è quello MX, nel quale M è un elemento più
Impiantatore ionico
Forno CVD
Forno di ossidazione
Maschera 1
Sorgente
di ioni
Wafer di silicio
Deposizione
di Si3N4
Definizione delle
zone dei transistor
Impiantazione
nelle regioni
esposte
Crescita dell’ossido
Rimozione Si3N4
Forno di ossidazione
Crescita
dell’ossido
della porta
Maschera 2
Forno di diffusione
Definizione della
porta di polisilicio
Diffusione di n1 in
sorgente e drenaggio
Forno CVD
Deposizione
di polisilicio
Forno CVD
Deposizione
di SiO2
Evaporatore sotto vuoto
Maschera 3
Definizione delle
zone dei contatti
Maschera 4
Deposizione di Al
Maschera 5
Esposizione delle aree
di saldatura
Esame
del wafer
Separazione
delle piastrine
Attacco delle
piastrine
Saldatura dei
contatti
Definizione del
metallo
Passivazione
protettiva
Prova finale
Figura A1.19
Un processo di fabbricazione dei circuiti integrati di silicio-porta NMOS. (I processi utilizzati per produrre i circuiti integrati
NMOS variano considerabilmente da una azienda produttrice all’altra. La sequenza mostrata in figura è data come
schema generale). (Per gentile concessione della Integrated Circuit Engineering Co.)
William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - © McGraw-Hill Education (Italy) srl
PMOS
Sorgente 1
Output
Drenaggio
Porta
SiO2
NMOS
Porta
Drenaggio
Sorgente
SiO2
SiO2
p1
p1
Parete p
n1
n1
Corpo di tipo n
15
Figura A1.20
Transistor complementari
di tipo MOS (CMOS) ad
effetto di campo. Transistor
sia di tipo n che di tipo p
sono fabbricati sullo stesso
substrato di silicio. (Da D.
A. Hodges e H. G. Jackson,
“Analysis and Design of
Digital Integrated Circuits,”
McGraw-Hill, 1983, p.42.)
5-mm
scala
orizzontale
1-mm scala
verticale
elettropositivo e X un elemento più elettronegativo. Tra i composti semiconduttori di
tipo MX, due gruppi importanti sono i composti 3-5 e 2-6, formati da elementi adiacenti al gruppo 4A della tavola periodica (Figura A1.21). I composti semiconduttori
3-5 sono formati da elementi M del gruppo 3 come Al, Ga e In combinati con elementi X del gruppo 5 come P, As e Sb. I composti 2-6 sono formati da elementi M del
gruppo 2 come Zn, Cd e Hg combinati con elementi X del gruppo 6 come S, Se e Te.
La Tabella A1.1 elenca alcune proprietà elettriche di alcuni composti semiconduttori. Da questa tabella possono essere osservate le seguenti tendenze.
1. Aumentando la massa molecolare di un composto all’interno di una famiglia,
spostandosi cioè verso il basso nelle colonne della tavola periodica, diminuisce
l’intervallo di energia, aumenta la mobilità elettronica (ad eccezione dei
composti GaAs e GaSb) ed aumenta la costante reticolare. Gli elettroni degli
atomi più grandi e più pesanti hanno, in generale, una maggiore libertà di
movimento e sono meno legati ai loro nuclei e quindi tendono ad avere intervalli
minori e mobilità elettroniche maggiori.
2. Muovendosi nella tavola periodica dagli elementi del gruppo 4A verso i materiali
3-5 e 2-6, l’aumento del carattere ionico del legame provoca l’aumento della
banda di intervallo di energia proibito e la diminuzione delle mobilità
elettroniche. L’aumento del legame ionico provoca un legame più stretto tra gli
elettroni e i nuclei degli ioni positivi e quindi i composti 2-6 hanno un intervallo
proibito maggiore di quello dei corrispondenti composti 3-5.
L’arseniuro di gallio, GaAs, è il più importante tra tutti i composti semiconduttori e
viene utilizzato in molte applicazioni elettroniche. Il GaAs è stato utilizzato per molto tempo per dispositivi discreti nei circuiti a microonde. Oggi, molti circuiti integrati digitali vengono costruiti con il GaAs. I transistor metallici semiconduttori ad ef-
II A
30
III A
13
Al
IV A
14
Si
VA
15
P
VI A
16
S
31
32
33
34
Zn
48
Ga
49
Cd
Ge
50
In
51
Sn
80
Hg
As
III – V
II – VI
Se
52
Sb
Te
Figura A1.21
Parte della tavola periodica
che contiene elementi
utilizzati per la formazione
di composti semiconduttori
MX di tipo 3-5 e 2-6.
16
William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - © McGraw-Hill Education (Italy) srl
Tabella A1.1 Proprietà elettriche di composti semiconduttori intrinseci a temperatura
ambiente (300 K)
Gruppo
IV A
III A–V A
II A–VI A
Materiale
Eg
eV
µn
m2/(V . s)
µp
m2/(V . s)
Costante
reticolare
Si
Ge
GaP
GaAs
GaSb
InP
InAs
InSb
ZnSe
ZnTe
CdSe
CdTe
1.10
0.67
2.25
1.47
0.68
1.27
0.36
0.17
2.67
2.26
2.59
1.50
0.135
0.390
0.030
0.720
0.500
0.460
3.300
8.000
0.053
0.053
0.034
0.070
0.048
0.190
0.015
0.020
0.100
0.010
0.045
0.045
0.002
0.090
0.002
0.007
5.4307
5.257
5.450
5.653
6.096
5.869
6.058
6.479
5.669
6.104
5.820
6.481
ni
portatori/m3
2.40
1.40
Fonte: W. R. Runyun and S. B. Watelski, in C. A. Harper (ed.), Handbook of Materials and Processes for
Electronics, McGraw-Hill, New York, 1970.
Figura A1.22
Vista in sezione di un
MESFET a base di GaAs.
[Da A. N. Sato et al., IEEE
Electron. Devices Lett.,
9(5):238 (1988).]
Metallo di
rivestimento
Metallo porta
Metallo di
interconnessione
n1
Metallo
di contatto
ohmico
p2
n1
Si 40 kEV
Be 70 kEV
Substrato di GaAs semi-isolante
Si3N4
Si 80 Kev
fetto di campo (MESFET) a base di GaAs sono quelli più ampiamente utilizzati tra i
transistor a base di GaAs (Figura A1.22).
I MESFET a base di GaAs offrono molti vantaggi rispetto al silicio nell’applicazione
ai circuiti integrati digitali ad alta velocità. Alcuni di questi sono:
1. Gli elettroni viaggiano più velocemente nel GaAs di tipo n, come è indicato dalla
loro mobilità maggiore rispetto a quella del Si [ n = 0,720 m2/(V ⋅ s) per il GaAs
rispetto a 0,135 m2/(V ⋅ s) per il Si].
2. Grazie al maggiore intervallo di energia, pari a 1,47 eV, ed all’assenza di un
ossido critico nella porta, i dispositivi a base di GaAs hanno una migliore
resistenza alle radiazioni. Questa considerazione è importante per le applicazioni
spaziali e militari.
Sfortunatamente, la principale limitazione della tecnologia del GaAs è che il rendimento dei circuiti integrati complessi è più basso di quello per il silicio ed è dovuto
principalmente al fatto che il GaAs contiene più difetti nel materiale di base rispetto
al silicio. Anche il costo di produzione del materiale di base è maggiore per il GaAs
rispetto a quello del silicio. Comunque, l’utilizzo del GaAs si sta espandendo e molta attività di ricerca viene svolta in questo campo.