Elettronica per i sistemi biomedicali

DISPOSITIVI A SEMICONDUTTORI

Comincia ora la nuova roba del corso. Si parla di semiconduttori, finora abbiamo visto i componenti elettronici classici: resistenza (hanno la caratteristica della Legge di Ohm), induttori e capacità. Esistono però anche i transistor, dispositivi integrati e altri oggetti che sono appunto dispositivi a semiconduttore. Il semiconduttore è un materiale particolare che conduce "semi", ovvero sì ma non moltissimo, i semiconduttori per eccellenza sono quelli a Silicio in quanto materiale comune ed economico.

I dispositivi a semiconduttore, a differenza dei dispositivi passivi RCL, sono piuttosto NON-lineari, i semiconduttori infatti sono tipo diodi, transistor, i MOSFET (tipi particolari di transistor), sono basati sul Silicio e sulla sua tecnologia e si parte da cristalli di quel materiale detti "Wafer" che sono dischi di diametro che partono da 5cm espessi un centinaio di micrometri e su essi si

costruiscono i transistor. Sono usati dischi in quanto i cristalli sono fatti crescere in cilindri grossi poi affettati in orizzontale, tanto più puro è quel silicio, tanto migliore sarà la resa dei circuiti prodotti. Ogni semiconduttore è caratterizzato da una resistenza che non è quella di un metallo (perfettamente conduttore) ma nemmeno quella di un isolante (un vetro), ma una via di mezzo e ciò ci consente di giocare con la sua capacità di condurre (aumentarla o abbassarla entro un range a seconda delle necessità, un vetro non riuscirà mai a farlo diventare conduttore). La capacità di condurre o isolare è dovuta nei materiali dalla presenza o meno di elettroni liberi nel reticolo, quindi un conduttore è tale per cui alcuni elettroni nei suoi atomi sono liberi di girare in tutto il materiale. E come posso controllare allora conducibilità del Silicio? Creando delle impurità, queste sono

artificiali e aggiunte da me inmaniera studiata, in generale voglio che il materiale di partenza sia puro; posso farlo usando altri materiali (Boro,Fosforo, Arsenico, Alluminio…), scelgo infatti atomi che hanno un elettrone in più o in meno del Silicio. Ottengoallora un cristallo di Silicio perfetto nel quale pianto un atomo di Fosforo che rispetto al Silicio ha un elettrone inpiù, esso tende a essere libero in quel cristallo e di conseguenza contribuisce alla conducibilità, se ci piano unatomo di Boro (elettrone in meno rispetto al Silicio) contribuisco ugualmente alla conducibilità (OCCHIO NONdiventa più isolante). Aggiungendo un atomo id Fosforo creo un vero elettrone (carica negativa) che va a giro,aggiungendo il Boro creo una pseudo-carica positiva (mancanza di elettrone) che va a giro. Questo processo diaggiunta si chiama “Drogaggio”.Quindi in questo disco di Silicio pianto atomi di altri materiali in modo da creare queste

Zone con lacune di elettroni parzialmente libere di girare. Basta pochissimo per cambiare la natura del Silicio, i drogaggi comuni sono di 10^3-10^20 atomi/cm^3 e visto che il Silicio ha una densità di 5*10^22 atomi/cm^3 ovvero basta aggiungere da 10^-7% ad 1% di atomi in più. Il gioco della costruzione di semiconduttori si riduce ad avere un cristallo di Silicio doverealizzo percorsi di altri materiali.

- Fotolitografia Planare

Che lavorazioni si fanno su un disco di Wafer per aggiungere gli atomi degli elementi del drogaggio? La tecnica dibase è la "Fotolitografia Planare", con essa si parte dal substrato di Silicio (celestino a sinistra) e su esso ci si facrescere un piccolo strato di Ossido di Silicio (letteralmente ruggine del silicio), questo strato è isolante e ancheresistente. Su questo si pone uno strato di Photoresist, un polimero sensibili agli UV ovvero che quando vieneilluminato con questa luce cambia le sue caratteristiche chimiche.

Per illuminarlo si pone una sorta di maschera (un foglio con un pattern), una lampada UV viene accesa ma non arriva ovunque al photoresist grazie alla maschera. Il photoresist colpito dagli UV cambia le sue caratteristiche così che con un solvente si possa eliminare quello colpito dagli UV, ciò che rimane è il disco di Silicio, l'ossido e delle aperture sul Photoresist in posizioni da me decise tramite la maschera. Ho allora dei buchi e posso prendere i droganti così da sparare i loro ioni contro il disco, laddove si ha il Photoresist non si pongono ioni e dove è scoperto invece entrano formando regioni drogate "p" (non si arriva a metà substrato ma ci si ferma alla primissima parte) con un buco elettronico che vaga o zone con un elettrone extra. Si riusa poi il solvente per togliere il Photoresist. Nota che la parte sotto rimane isolata dall'ossido di silicio e noi vogliamo toglierlo quest'ossido, quindi per farlo.siricrea la situazione col photoresist analoga alla precedente e si usa un solvente che toglie l'ossido fino ad arrivare alla parte di cristallo non ossidato. Quindi abbiamo visto come drogare il silicio, come togliere l'ossido e ora dobbiamo vedere come si creano le connessioni elettriche, per esempio se voglio creare una connessione sulle aperture realizzate ora allora il Wafer viene messo in un'atmosfera ricca di atomi di Alluminio, questi si accumulano sulle superfici e in particolare si attaccheranno anche all'ossido e al substrato fino a toccare la parte drogata. La parte superiore viene eliminata con photoresist e solvente così che siamo lasciati con un blocchetto di silicio con due zone drogate "p" con connessioni di alluminio che passano dalla parte di ossido di silicio (ottimo isolante). Il processo con cui si rimuove le metallizzazioni di troppo. Tutte queste operazioni quanto tempo richiedono? Poco per le singole ma molto visto.l’alto numero di lavorazioni. Si parla di ore di lavorazione, è tutto automatizzato. Con questi giochi di mascheratura e solventi si creano varie zone: prima si creano le zone p (bombardamento con Boro e Alluminio) o n (Fosforo e Arsenico), altre zone esistono al momento della creazione delle condutture elettriche (si usa rame ma anche alluminio). La realtà è molto complessa e quindi le macchine sono veramente molto avanzate e complicate: si ha per esempio i CMOS una zona drogata N e al suo interno viene realizzata una zona P+ (più drogata di una normale P). Ogni passo ovviamente aumenta il rischio di fallimento del processo. Dopo il processo delle incisioni sul disco di Silicio si ritagliano i singoli pezzettini (i quadratini) e montati in un contenitore (un quadratino viene chiamato "die"). Il die sta nel mezzo al contenitore nero (realizzato in resina per proteggere il die) e i filini sono saldati sull'esterno del die (prima di essere.

chiuso definitivamente nel contenitore)per portare le informazioni ai connettori (“pin”) grigi del contenitore. I pin (cioè il contenitore) sono poi saldatinelle apparecchiature elettroniche come i PC, per ogni packaging (contenitore) si ha un die. In una schedaelettronica ci possono ovviamente essere più packaging, i packaging sono molto più grandi dei die in quantoquest’ultimo è talmente piccolo e fragile che èimpossibile da maneggiare, i packaging servonoproprio a muoverli e lavorarci. Anche le schedeelettroniche verdi sono spesso fatte in silicio (FR4)ma non in forma cristallina e su essa sono impressepiste di rame che fungono da connessioni per isingoli elementi (R, C, diodi, quarzi…), le singoleconnessioni sono sempre ricavate tramitephotoresist e solvente, l’aspetto verde è unapatina che protegge dall’ossidazione del piccolostrato di rame che viene messo sulla scheda. Ipackaging che includono

più die sono chiamati MCM (Multi-module Chip).

Vediamo ora i dispositivi che si realizzano con questa tecnologia, il primo è quello più semplice: il diodo. È un dispositivo che ha due terminali ed è realizzato avvicinando/creando sul silicio due zone drogate in modo opposto: una N e una P. Quindi con la litografia si prende il silicio e si drogano due zone adiacenti N e P, si creano le metallizzazioni in Al o Cu (falle abbastanza grandi da poter ci saldare i filini che vanno al package) ed ecco che hai il diodo. Quindi è realizzato da due zone P ed N adiacenti. In apparenza così semplice, questa cosa porta ad un comportamento elettrico particolare. Il comportamento del diodo è non lineare e funziona come segue. Hai come base il silicio (semiconduttore) e le zone drogate P ed N: nella zona N ho atomi con un elettrone in più (ma anche un protone in più, il materiale rimane comunque neutro) e nella zona l'elettrone ha

un'energia tale che tende a farlo andare a giro, nelle zone P idem ma per le lacune (ricorda che la lacuna non si muove, si muove la mancanza di elettroni in quanto questa viene sempre colmata da un elettrone adiacente che lascia uno spazio vuoto). Nella zona N allora abbiamo elettroni veri che si muovono e nella zona P pseudo-cariche positive che si muovono. Ipotizza di avere due materiali drogati N e P, la magia compare quando li poni in contatto (contatto vuol dire proprio a livello di contatto atomico tra i cristalli del silicio drogato P e di quello drogato N, quindi in realtà hai un solo blocco di silicio che droghi da una parte N e dall'altra P), quello che succede è che gli elettroni della zona N "camminano" e nella P lacune che camminano, quindi l'attrazione elettrone-lacuna provoca la migrazione degli elettroni della zona N che vanno a tappare i buchi della zona P. All'interfaccia si forma allora una zona senza né elettroni liberi.

né lacune (la depletion region).Ma attento, ogni zona del cristallo è mediamente neutra (tanti elettroni quanti protoni).Quindi quando in una regione gli elettroni passano all’altra si forma all’interfaccia tra N eP una zona a carica positiva in N e negativa in P, infatti P si ritrova carica negativamentegrazie al maggior numero di elettroni presenti ora in P.Se hai allora un campo elettrico (visto che hai distribuzione di cariche positive e negative)per forza hai una ΔV ovvero una differenza di potenziale (non è una pila), questa èmisurabile e per il Silicio è circa 0,6-0,7V. In sostanza, il silicio drogato in zone adiacenti inmaniera opposta genera una differenza di potenziale. E questa come la uso? Vediamo chesuccede quando ci imponiamo una tensione esterna, ovvero colleghiamo una batteria allezone N e P, in particolare poniamo il (+) della batteria su P e il (–) su N. In generale siintende che la corrente scorre dal +verso il -, ma la corrente è un flusso di elettroni (ovvero una corrente negativa visto che loro girano dal - verso il +), quindi la batteria manderà elettroni verso la regione N richiamandoli dalla regione P (il disegno).