Elettronica digitale: I transistor

Conduzione elettrica nei materiali

Vp = Up*E

Up = mobilità delle lacune

Vn = -Un*E

Un = mobilità degli elettroni

Le mobilità diminuiscono all'aumentare della temperatura e della concentrazione dei droganti. È il campo elettrico che fa muovere le cariche, determinando velocità e direzione delle cariche. Le cariche negative (elettroni) si muoveranno nel verso opposto del campo elettrico.

I valori di Un e Up dipendono dal materiale. Le lacune e gli elettroni, per effetto del campo elettrico esterno, danno luogo ad una corrente (corrente di deriva) la cui densità è:

J = q (pUp + nUn) E

q = carica elettrone

Dato che la densità di corrente è legata al campo elettrico dalla relazione: J = σE, σ = q(pUp + nUn) "conducibilità"

Con la deriva per far muovere le cariche è necessario uno "sforzo esterno" (presenza campo elettrico), per la diffusione invece il moto delle cariche è dovuto ad

una configurazione iniziale. Se nel cristallo la densità degli elettroni o delle lacune non è costante, l'agitazione termica determina un movimento di cariche dalle regioni a concentrazione maggiore verso quelle a concentrazione minore. La natura tende a portare il semiconduttore in una condizione di concentrazione che determina la nascita di una corrente. Si ha quindi una corrente (corrente di diffusione) la cui densità è proporzionale al gradiente della concentrazione delle cariche. Questa corrente si annulla quando il gradiente diventa 0, cioè quando le cariche sono equamente distribuite lungo l'asse x. In questo caso quindi il movimento delle cariche non dipende da un fattore esterno (campo elettrico) ma da una determinata configurazione iniziale. Nel caso degli elettroni la densità di corrente è diretta in senso concorde con il gradiente di concentrazione, nel caso delle lacune in senso opposto. (elettroni) Jn = q

Dn (dn/dx) (lacune)Jp = -q Dp (dp/dx) Dn & Dp= costanti di diffusione(dn/dx)&(dp/dx)=gradiente di concentrazione

Giunzione PN:

• Una giunzione pn viene realizzata creando all'interno di un cristallo semiconduttore una regione drogata di tipo p e una di tipo n;
• Alle estremità delle regioni p ed n vengono collegati due contatti metallici;
• Il terminale collegato alla regione p è detto anodo, il terminale collegato alla regione n è detto catodo;
• Dato che nelle due regioni le densità dei portatori di carica sono diverse nasce una corrente di diffusione ID costituita da:

1. lacune che si diffondono dalla regione p alla regione n;
2. elettroni che si diffondono dalla regione n alla regione p;

Le lacune(positive) transitate nella regione n si ricombinano rapidamente con gli elettroni(negativi) che in questa regione rappresentano le cariche maggioritarie;

In modo analogo, gli elettroni che attraversano la giunzione si

ricombinano con le lacune della regione p;

• Nella regione svuotata sono presenti cariche fisse non bilanciate da cariche mobili
• atomi donatori che hanno ceduto un elettrone
• atomi accettori che hanno acquistato un elettrone
• (Per questo la regione svuotata è detta anche regione di carica spaziale)
• Queste cariche danno origine ad un campo elettrico E che si oppone alla corrente di diffusione;
• Tra le sezioni alle estremità della regione svuotata di ha una differenza di potenziale V0 (barriera di potenziale) che ostacola il moto delle lacune verso la regione n e degli elettroni verso la regione p
• V0 dipende dalla concentrazione dei droganti e dalla temperatura;
• Per il silicio a temperatura ambiente i valori tipici di V0 sono di circa 0.6 - 0.9 V;

Il meccanismo del diodo è puramente diffusivo. Il diodo è realizzato creando all'interno di un cristallo semiconduttore una regione drogata di tipo p (fosforo) e una di tipo

n(boro)(​ giunzione pn​ ). Alle estremità delle regioni p ed n vengono collegati due contatti metallici,​terminale collegato alla regione di tipo p è detto anodo​ , quello collegato alla regione n è​detto catodo​ .

● Nelle regioni p e n sono presenti anche cariche minoritarie prodotte per generazionetermica:

• elettroni nella regione p;
• lacune nella regione n;

● Il verso del campo elettrico è tale da spingere le cariche minoritarie ad attraversare lagiunzione dando origine ad una corrente di deriva IS diretta in senso opposto allacorrente di diffusione;

● In condizioni di equilibrio le correnti ID e IS si bilanciano e quindi la corrente totaleattraverso la giunzione è nulla;

Nella figura giunzione pn in equilibrio.

N.B. Il diodo non viene realizzato unendo un semiconduttore di tipo p (drogato) con uno ditore tipo n (drogato) ma tutto parte da un unico "pezzo" di semiconduttore che poi vienedrogato opportunamente in modo

da avere le due zone (p ed n). Transistore MOS FET a canale N: Un limite dei dispositivi che conosciamo è che hanno due poli. Cambiando il valore della tensione cambia anche quello della corrente. Un dispositivo tripolare permette di controllare tensione e corrente indipendentemente. I primi dispositivi a tre poli erano i BJT (Transistor a giunzione bipolare), ma questi sono stati superati dai transistori MOS.

• L'acronimo MOS descrive la struttura del dispositivo (Metal "conduttore" - Oxide "isolante" - Semiconductor "semiconduttore");
• L'acronimo FET (Field Effect Transistor) indica il meccanismo che è responsabile del trasporto di carica, ovvero il meccanismo della deriva, il moto della corrente deve essere assistito da un campo elettrico;
• I MOSFET sono dispositivi unipolari, ovvero uno solo dei due portatori genera corrente elettrica;
• A "canale N" significa che il portatore che genera

corrente è l'elettrone;

Il transistor è realizzato su un substrato di tipo p, che è un wafer di silicio microcristallino e funge da supporto fisico del componente. Qui vengono ricavate due tasche di tipo n e qui vengono realizzati due contatti di metallo, sono i terminali Source e Drain (Pozzo).

Sulla superficie del substrato viene fatto crescere uno strato di ossido (vetro) di silicio molto sottile che ricopre la zona compresa tra le regioni di Source e Drain. Sullo strato di ossido viene poi depositato del metallo per formare il terminale di Gate.

Gate: terminale di controllo in tensione; Source e Drain: terminali di linea;

Questa struttura è piena di diodi (p/n), se uno solo dei diodi entra in funzione il transistor non è più MOS perché non sarebbe unipolare. Allora per interdire i diodi li devo polarizzare inversamente. Se la tensione su Source e Drain sono 0 Volt il diodo non conduce. Se applico tensioni

tutti i diodi al potenziale più basso.

Tutti i diodi al potenziale minore, i diodi non conducono, no corrente bipolare.

Transistor interdetto:

Se metto il terminale di Gate a massa dal Drain al Source abbiamo due diodi in configurazione back to back. Se non faccio nulla il dispositivo è interdetto. Questa serie di diodi non permetterà mai il passaggio di corrente perché almeno uno dei diodi sarà polarizzato inversamente. Id = Is = 0 "circuito aperto".

Abilitazione del transistor alla conduzione:

Ora vediamo come è possibile far circolare corrente in questo dispositivo. Se applico un potenziale positivo sul Gate le cariche positive si allontanano dalla sorgente di potenziale e defluiranno verso il fondo. Le cariche negative vengono attratte dalla sorgente di potenziale, nei pressi della superficie avrò cariche negative, tutte quelle positive saranno sistemate sul fondo della struttura. La parte superiore (canale) verrà trasformata da tipo P a tipo N poiché

l'ho svuotata di cariche positive e l'ho popolata di cariche negative. Ho trasformato il canale da tipo P a tipo N. La configurazione back to back viene quindi sostituita da un resistore che mette in contatto i terminali di Source e Drain. Il dispositivo è stato così abilitato alla conduzione, per avere il passaggio di corrente devo applicare una differenza di potenziale tra i terminali di Source e Drain. Il resistore è controllato dalla tensione di Gate. Può portarlo ad un valore infinito oppure un valore basso aumentando molto la tensione di Gate. La tensione di Gate controlla il numero di cariche e trasforma una situazione di non conduzione in una condizione di conduzione possibile (crea il canale e quindi abilita il dispositivo alla conduzione). Il dispositivo è unipolare perché l'unica carica che si muove è quella negativa, la tasca del Source è di tipo N così come quella del Drain e del

canale quindi l'unica carica che si può muovere è l'elettrone. Possiamo arrivare allo stesso risultato considerando la struttura MOS come un condensatore. Affinché ci sia l'inversione e si realizzi il canale la tensione di Gate deve essere maggiore di un determinato valore detto tensione di soglia. Vg > Vt. Solo dopo che si è verificata questa condizione il dispositivo è abilitato alla conduzione. La tensione di soglia nel silicio è di circa 0,5V. Finchè Source e Drain sono a massa il canale ha un potenziale uniforme. Se applico una tensione positiva al Drain, la tensione sul canale aumenta passando da Source a Drain, quindi il canale tende a stringersi da Source a Drain. Se aumento troppo la tensione sul Drain.