Dispositivi e tecnologie elettroniche

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