Riassunto esame Laboratorio di elettronica digitale, Prof. Ricci Stefano, libro consigliato Appunti di Tecnologia di Boni di laboratorio di Elettronica digitale, Appunti di Tecnologia di Boni di laboratorio di Elettronica digitale

S

Ci sono due problemi per questi resistori integrati: il comportamento tendenzialmente non lineare

(applicando un certo potenziale si polarizzano giunzioni non volute); la difficoltà di ottenere valori

precisi di resistenza. Questo soprattutto perché la diffusione è un processo statistico, ben

controllato ma comunque non perfetto! Una resistenza integrata ha una tolleranza di produzione

del 20% o 50%: si deve essere sicuri che il circuito possa supportare queste variazioni!

D’altro canto, se il valore di resistenza non è molto preciso, possiamo dire che resistenze

sintetizzate sullo stesso circuito assumono valori molto simili tra loro (differenza del 5% o 10%).

Per esempio: si vogliono realizzare resistenze da 1 kΩ. Due resistenze realizzate sullo stesso circuito

possono essere entrambe di 500 Ω o 2 kΩ, ma non una di 500 Ω e una di 2 kΩ.

Per questo motivo (dell’imprecisione di R) è intelligente progettare circuiti il cui principio di

funzionamento non sia quello di lavorare sul valore nominale delle resistenze, ma sul loro rapporto.

Realizzare valori di resistenza molto precisi è possibile aggiungendo un processo (e quindi un costo)

detto di trimming. Alla fine della loro realizzazione, i resistori sono misurati e tarati di conseguenza:

- se R >R si corto-circuita la parte iniziale (più o meno lunga) della serpentina;

realizzato atteso

- se R <R si esegue un processo detto di trim-up, che consiste nell’interrompere dei

realizzato atteso

contatti operando con un laser.

b- Thin film

Sono costituiti da una sottile pellicola metallica realizzata sulla superficie del chip. I valori di

resistenza che si ottengono sono più precisi (1% per valori assoluti, 0.1% per valori relativi) e

0 0

risulta più semplice anche il procedimento di trimming laser.

Per quanto riguarda quest’ultimo, viene fatta una semplice incisione laser superficiale, come in

figura:

La superficie su cui gli elettroni possono scorrere viene così ridotta. Il “rettangolo rosso” non è

chiuso, perché sarebbe un inutile spreco energetico: in questo modo si ottiene comunque il

risultato voluto.

I resistori thin film hanno anche un comportamento lineare.

Tutti questi vantaggi portano inevitabilmente ad un costo molto maggiore rispetto agli altri.

4- Condensatore

Anche per i condensatori esistono due diverse tecniche:

a- Sfruttando giunzioni pn polarizzate inversamente, la regione di svuotamento va a costituire il

dielettrico tra le due armature.

In base all’area di affacciamento delle due superfici si ottengono valori di capacità diversi.

Con questa tecnica si ottengono capacità altamente non lineari: se la tensione aumenta, la

capacità diminuisce!

b- Con tecnologia MOS (Metallo-Ossido-Silicio), e quindi realizzati in maniera simile ai MOSFET.

Si depone un sottile strato di ossido sul quale poi viene distribuito il metallo, come si vede in

figura: +

Le armature sono costituite dal metallo e dallo strato n , il dielettrico dallo strato di ossido.

I capacitori realizzati in questo modo sono lineari perché non ci sono giunzioni, ed inoltre sono

adatti ad essere integrati in tecnologie MOS (che oggi vanno per la maggiore).

I valori di capacità realizzabili sono molto bassi (efficaci in circuiti RF ad esempio), e vale:

= = ∙

0 0

2

0

= = 0.5 ÷ 1 / [1 mil è un millesimo di pollice]

0

Per aumentare i valori di capacità viene usato il nitruro di silicio (Si N ) al posto della silice,

3 4

poiché ha una costante dielettrica relativa maggiore.

5- Transistor a effetto campo

Parliamo adesso più approfonditamente della tecnologia MOS. Questa è oggi utilizzata

prevalentemente rispetto alla bipolare (per funzioni logiche a bassa potenza) ed è caratterizzata da

un funzionamento laterale e non verticale.

Nella realizzazione è utilizzato direttamente il substrato di silicio (drogato durante la produzione).

Mentre nei transistori bipolari le prestazioni sono legate a β (quindi a ), nei transistori MOS

le prestazioni dipendono dal rapporto .

Nella figura è riportato lo schema di un transistore MOS in pianta:

La corrente aumenta all’aumentare di W e al diminuire di L (è come se fosse un resistore, minore è

la distanza da compiere e minore sarà la resistenza offerta).

Esistono MOSFET a canale n e p, a seconda del tipo di portatori di carica.

Esistono MOSFET ad arricchimento (per entrare in conduzione devono avere il gate polarizzato) o a

svuotamento (nascono in stato di conduzione e devono essere depolarizzati sul gate per

interrompere la conduzione).

I MOSFET hanno tre terminali: source, gate e drain. Possono lavorare in due regioni di

funzionamento: conduzione e saturazione.

Consideriamo, come nelle figure, un MOSFET n ad arricchimento. Si ha che:

 = 0 <

se

 2

)

= [2( − − ] >

se (regione lineare)

Si tratta di una parabola rivolta verso il basso, ma questa espressione è valida solo fino al

= −

vertice della parabola (in corrispondenza di ), punto in cui l’intensità di

corrente smette di aumentare per poi rimanere “costante” (in realtà per l’effetto di

modulazione del canale continua ad aumentare sensibilmente)

 2

)

= ( − > −

se , ovvero in regione di saturazione

Il fattore K lega la mobilità μ dei portatori di carica, la capacità dell’ossido C e il rapporto :

OX

1

=

2

≅ 2

Sappiamo che e che lo spessore dell’ossido è inversamente proporzionale al valore di C .

OX

Dunque un nMOS conduce meglio di un pMOS, e per avere una corrente maggiore è necessario

minimizzare lo spessore dell’ossido e L, e massimizzare W.

a- MOSFET a canale n +

Si parte da un substrato p su cui si realizzano due diffusioni n superficiali che saranno il drain e

il source.

Si deposita tra le due diffusioni uno strato di ossido molto sottile (il suo spessore influenza sia i

parametri di conduzione sia la tensione di soglia!), che viene ricoperto da uno strato metallico

(il gate) prima che vengano poste le metallizzazioni.

Da notare che il gate metallico deve essere sovrapposto alle diffusioni: spiegheremo più avanti il

perché.

Analizziamo il funzionamento di questo dispositivo.

Non può esserci passaggio di corrente tra drain e source (almeno una delle due giunzioni non è

polarizzata).

Applicando un potenziale positivo sul gate si ottiene un addensamento di cariche positive sul

metallo, che respingono le lacune del substrato p in una ristretta zona sotto l’ossido: si viene a

creare un sottile canale di elettroni che possiamo identificare come una zona drogata n. Questo

canale, andando dal drain al source, permette lo scorrimento di corrente tra i due.

Aumentando la tensione applicata al gate il canale tende a strozzarsi in prossimità del drain, fino ad

interrompersi. Aumentando ulteriormente la tensione il canale si ritira: gli elettroni continuano a

passare per effetto tunnel, ma la corrente non aumenta più (saturazione). +

Se i margini del gate non fossero almeno sulla linea di confine delle diffusioni n , il canale

nascerebbe già strozzato e quindi il dispositivo non funzionerebbe. Poiché il procedimento di

diffusione non è poi così preciso, si preferisce realizzare lo strato di ossido e quello di metallo del

gate leggermente in sovrapposizione con le diffusioni, in modo tale da evitare il rischio di non

funzionamento. Così facendo però vengono realizzate delle vere e proprie capacità tra gate e drain

e tra gate e soruce: questo influisce sicuramente in maniera negativa sulla velocità del dispositivo.

Vedremo più avanti una possibile soluzione.

b- MOSFET a canale p

Basterebbe semplicemente realizzarlo in maniera complementare al nMOSFET, ma questo

sarebbe anti-economico in sede di realizzazione. Infatti al fine di uniformare tale processo

(soprattutto perché nella tecnologia CMOS pMOS e nMOS sono quasi sempre affiancati) anche

il pMOSFET è realizzato su un substrato p. Su questo viene fatta una profonda diffusione n che

consente adesso di realizzare il pMOSFET in maniera esattamente complementare al nMOSFET.

Ecco un esempio di come MOSFET di tipo n e di tipo p siano affiancati nella tecnologia CMOS,

l’inverter:

c- POSFET (Polisilicio-Ossido-Silicio)

Il gate metallico conduce molto bene, ma per migliorare questo dispositivo bisogna ridurre

le dimensioni e le capacità parassite (per non sprecare corrente). Miniaturizzare

ulteriormente significa non poter più utilizzare la tecnica di diffusione per creare aree

drogate, poiché questa presenta una certa in accuratezza intrinseca: si utilizza infatti

l’impiantazione ionica.

Il processo di realizzazione è differente: sul substrato p (nel caso di nMOSFET) viene posato

direttamente uno strato sottile di ossido, sul quale viene applicato un gate non più

metallico ma in poli-silicio (che quindi non è più un mono-cristallo). Questo materiale

conduce abbastanza bene, anche se meno del metallo, ma ha un’importante caratteristica:

è opaco al processo di impiantazione ionica. In questo modo la zona sottostante al gate

+

viene schermata e le regioni n vengono realizzate in coincidenza esatta delle frontiere del

gate. Questo processo è chiamato auto-allineante.

Avendo eliminato le sovrapposizioni del gate con il drain e il source, le capacità parassite

sono state ridotte notevolmente, anche se non annullate del tutto (le capacità parassite

non si vengono a creare solo in prossimità delle sovrapposizioni, possono anche essere

curve!)

C’è però un prezzo da pagare: come già detto il poli-silicio conduce peggio dell’alluminio.

Consideriamo i due schemi sottostanti, il primo riferito alla tecnologia con gate metallico, il

secondo a quella con gate in poli-silicio: ≪

2 1

>

2 1

= < =

Non è detto che , anzi idealmente, avendo a disposizione una

2 2 2 1 1 1

corrente infinita, il secondo caso risulta essere peggiore. Tuttavia dobbiamo considerare

1 2

=

che, durante le transizioni, il consumo ene