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.
Author(s): Bonani Fabrizio, Donati Guerrieri Simona, Masera Guido, Piccinini Gianluca
Publisher: CLUT
Year: 2007
Language: Italian
Pages: 351
City: Torino
Tags: Polito ingegneria informatica sistemi e tecnologie elettroniche dispositivi bonani tecnologie clut politecnico torino
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
