TECNOLOGIA DEI SEMICONDUTTORI
I materiali semiconduttori usati
attualmente per la costruzione dei componenti elettronici sono essenzialmente
il silicio (Si)e, in misura molto più limitata, l'arseniuro di gallio (GaAs). I
primi esperimenti di laboratorio e le prime applicazioni industriali furono
tuttavia fatte con il germanio (Ge), che per anni costituì il materiale
semiconduttore per eccellenza.
I motivi del successo della tecnologia
del silicio su quella del germanio sono molteplici:
·
temperatura di lavoro più elevata e quindi maggior potenza
dissipabile dal componente
·
correnti di fuga della giunzione più basse, grazie al valore
più elevato del salto energetico Eg;
·
possibilità di una miniaturizzazione più spinta:
·
messa a punto della tecnica planare. che si basa sulle
caratteristiche isolanti e passivanti
dell'ossido di silicio.
Tutte queste ragioni ed altre ancora
hanno fatto sì che oggi circa il 98% della
produzione componentistica mondiale faccia uso del silicio. Il germanio
viene ancora utilizzato in alcune applicazioni particolari, ad esempio nei
rivelatori di segnali a radiofrequenza e nei rivelatori di fotoni ad alta
energia, e, secondo tecnologie recenti, in lega con il silicio.
Sempre maggior importanza tende invece
ad assumere l'arseniuro di gallio con i suoi
derivati, per le ottime proprietà dimostrate alle alte frequenze e nel
campo della fotoemissione. Rimane tuttavia un limite il costo di produzione,
ancora piuttosto elevato.
Per poter essere utilizzati in campo
elettronico i materiali semiconduttori devono
presentare un elevatissimo grado di purezza ed una perfetta regolarità
del reticolo cristallino. Eventuali impurezze e difetti reticolari incidono
fortemente sui parametri del materiale, quali la mobilità e il tempo di vita
medio dei portatori di carica, la conducibilità, ecc.
Il semiconduttore commerciale deve
pertanto subire processi di purificazione e di
monocristallizzazione per diventare semiconduttore
"elettronico".
PROPRIETA'
E PARAMETRI DEI SEMICONDUTTORI
Salto
energetico Eg (energy gap)
Indica l'ampiezza della banda energetica che separa la banda di valenza da quella di conduzione
Nei semiconduttori il salto energetico
è relativamente basso sicché alcuni elettroni della banda di valenza, acquista
l' energia necessaria, possono raggiungere la banda di conduzione diventando
elettroni liberi e lasciando un numero
corrispondente di lacune. Queste a loro volta possono essere colmate da altri
elettroni della banda di valenza.
In definitiva nel semiconduttore vi è disponibilità sia di
portatori di carica elettrica negativa, gli elettroni, sia di portatori di
carica positiva, le lacune.
Quanto maggiore è il salto energetico,
tanto più il semiconduttore mantiene le proprie caratteristiche alle alte temperature. Per questo motivo il
germanio può lavorare fino a 100°C circa, il silicio fino a 200°C e l'arseniuro
di gallio fino a 300°C.
Concentrazione
intrinseca.
In realtà nel semiconduttore al
processo continuo di formazione delle coppie elettrone-lacuna si contrappone un
processo inverso di ricombinazione, che in definitiva porta il materiale ad una
condizione di equilibrio dinamico, fortemente influenzata dalla temperatura.
In un semiconduttore intrinseco, ossia
non drogato, la concentrazione degli elettroni
liberi che coincide con quella delle lacune Pi e cresce all'aumentare
della temperatura.
Legge
dell'azione di massa.
Per formare una giunzione il
semiconduttore deve essere drogato con
atomi di impurezze che forniscono elettroni (donatori) oppure lacune
(accettori). Si viene cosi ad avere rispettivamente un semiconduttore di tipo
n, ricco di elettroni, oppure un semiconduttore di tipo p, ricco di lacune.
Sebbene la concentrazione Np o Na delle impurezze sia estremamente
bassa rispetto alla concentrazione degli atomi del semiconduttore (un valore
medio può essere ad esempio Np = 10^16 atomi/cm3), la loro introduzione
modifica radicalmente le caratteristiche elettriche del materiale.
Si supponga di drogare ad esempio il silicio con atomi donatori,
con il valore di concentrazione Np sopra indicato. La concentrazione n degli
elettroni liberi aumenta allora enormemente, passando dal valore ni = 1.5. 10'0
cm-3 ad un valore n sostanzialmente coincidente con N D = 10^16 cm ~ 3. Come
conseguenza la concentrazione p delle acune cala drasticamente, in accordo con
la legge dell' azione di massa
Nel semiconduttore di tipo n si vengono quindi a trovare un
elevatissimo numero di portatori maggioritari, gli elettroni, e un ridottissimo
numero di portatori minoritari. le lacune.
Esattamente il contrario si verifica in un semiconduttore drogato
di tipo p.
Mobilità
m
Rappresenta la velocità, espressa in
cm/s, con cui si muovono i portatori per effetto di un campo elettrico pari ad
1 V/cm.
Il valore della mobilità decresce con l'aumentare della
temperatura. Infatti il movimento dei portatori causato dal campo elettrico
viene frenato dagli urti con gli ioni fissi del reticolo cristallino ed il
numero di tali urti cresce con l' agitazione termica e quindi con la
temperatura.
Dalla tab. 1.1 si noti come la mobilità degli
elettroni sia più elevata di quella delle lacune, come appare ovvio conoscendo
la natura dei due tipi di portatori.
Produzione del silicio
Il processo di
produzione del silicio elettronico a partire dal silicio commerciale è
costituito dalla successione di diverse fasi : purificazione per via chimica
del materiale , ulteriore purificazione per via fisica , formazione dei
monocristalli e drogaggio , lavorazione del lingotto.
Purificazione per via chimica
Il silicio
metallurgico prodotto dalla silice con metodi di riduzione in forno presenta
impurezza in quantità del 2% circa. La purificazione per via chimica consiste
nella trasformazione per mezzo dell’ acido floridrico, del silicio ridotto in
polvere in tricloruro silano (sihcl39) e nella purificazione del composto
mediante di distillazioneIl successivo processo, consistente in una reazione
chimica ad altra temperatura fra il tricloruro silano e l'idrogeno, eleva
ulteriormente il grado di purezza e
consente di ottenere barre di silicio policristallino. La resistività del materiale
è tuttavia ancora basso per gli usi elettronici è pertanto necessario procedere ad un ulteriore
processo di purificazione.
Purificazione per via fisica.
Viene usato
per il metodo della raffinazione a zone. Questa tecnica si basa sul fatto che
le impurezze presenti nel silicio tendono a rimanere nel materiale allo stato
liquido piuttosto che nel materiale allo stato solido. Pertanto porzioni del
lingotto vengono portati allo stato fuso mediante riscaldamento per bobine a
radiofrequenza e fatte scorrere verso una estremità della barra. La continuità
fisica della barra è mantenuta grazie all'elevata tensione superficiale del
silicio liquido. Le impurezze così raccolte vengono trascinate verso le
estremità del lingotto, e vengono successivamente eliminate con taglio. Il
processo si svolge in un forno di quarzo in presenza di gas. Dopo 4 o 5
passaggi la purezza raggiunge il livello indispensabile per le applicazioni
elettroniche e la resistività si attesta su valoti di alcune decine di migliaia
di ohm/cm.
Formazione dei monocristalli
Per poter essere
utilizzato il semiconduttore deve presentare una struttura cristallina il più
possibile regolare e priva di imperfezioni. I metodi che ci permettono di
arrivare a questo livello di perfezione sono il metodo CZ e quello FZ.
Metodo CZ
Un forno di
quarzo riscaldato con bobine a radiofrequenza, contiene del grafite nel quale
viene fuso il silicio policristallino. Un alberino in lenta rotazione porta ad
una estremità un piccolo seme di silicio monocristallino, che viene posto a
contatto con la massa fusa e quindi sollevato molto lentamente. Intorno al seme
viene così a solidificare un lingotto della lunghezza di 50 cm.
L’arseniuro di
gallio presenta caratteristiche che lo rendono insostituibile in campi
tecnologici sempre più
vasti. Il salto
energetico è più
elevato che nel
silicio,
pertanto le
sue caratteristiche si mantengono stabili per temperature notevolmente
superiori. Gli
elettroni che dalla banda di conduzione passano alla banda di valenza
irradiano energia
elettromagnetica . Pertanto l’arseniuro
di gallio è
usato
largamente nei
led i display ecc. L’arseniuro di gallio viene prodotto per reazione
tra le
sostanze componenti il
gallio , l’arsenico e
delle varianti che
non fanno
volatizzare
l’arsenico. Alla fine si ottengono lingotti monocristallini più piccoli e più
fragili di
quello del silicio.
La giunzione
pn costituisce la
superficie di separazione fra due zone
di semiconduttore diversamente drogate, una di
tipo p e l’altra di tipo n. La zona
di tipo, è ricca di lacune, l’opposto si
verifica nella zona n.
molto diverse,
si manifesta il fenomeno della diffusione; le lacune molto numerose
nella zona p,
tendono a diffondersi nella zona n. La stessa cosa vale per gli elettroni
che dalla zona
n vanno a diffondersi nella zona p.
Polarizzando
direttamente la giunzione, ossia applicando alla zona p un potenziale
più elevato di
quello della zona n, si provoca un abbassamento della barriera di
potenziale con
conseguente immediata ripresa
della diffusione dei
portatori
maggioritari.
Le lacune immesse nella zona n divengono portatori minoritari e
tendono a
ricombinarsi con gli
elettroni qui presenti
in gran numero.
La
penetrazione
delle lacune nella zona n dipende dal tipo di semiconduttore e dal loro
tempo di vita
medio.
Polarizzazione inversa
giunzione si
localizza ai capi della zona di svuotamento rafforzando la barriera di
protezione.
Viene pertanto favorito il passaggio dei portatori minoritari che danno
origine ad una
corrente di deriva molto esigua e praticamente costante.
La giunzione
metallo-semiconduttore può dare origine ad un contatto rettificante,
analogo a quello
della giunzione pn, oppure ad un semplice contatto ohmico.
Contatto rettificante o barriera Schottky
Si ottiene
quando il lavoro di estrazione, ovvero l’energia necessaria per estrarre n
elettrone dal
materiale, è più alta nel metallo che non nel semiconduttore. In questo
caso si
manifesta una migrazione di elettroni più
intensa nella direzione
semiconduttore-metallo
che non viceversa, sicché viene a formarsi una zona di
svuotamento,
che penetra in profondità nel semiconduttore. A circuito aperto si
giunge
pertanto ad una condizione di equilibrio con corrente complessiva nulla. Al
contrario la
polarizzazione inversa favorisce unicamente la debole migrazione degli
elettroni fuoriuscenti dal metallo; si
assiste in definitiva
alla nascita di
una
debolissima
corrente inversa.
semiconduttore.
In questo caso si manifesta un accumulo di elettroni nella zona
del
semiconduttore prossima al metallo, con conseguente drastico abbassamento
della resistività
del semiconduttore stesso.
Questo tipo di
contatto viene
comunemente realizzato
le aree di
semiconduttore di un
chip ai terminali di
connessione.
Tecnologia
della giunzione pn
Tecnologicamente la giunzione pn viene
ottenuta drogando in modo opposto due zone contigue dello stesso
semiconduttore. Attualmente le tecniche più comuni usate per la formazione
delle giunzioni sono la diffusione, la crescita epitassiale e l'impiantazione
ionica.
Questi metodi, singolarmente o più
spesso combinati, sono utilizzati dalla tecnologia planare che, a tutt'oggi,
costituisce il procedimento di gran lunga più importante per la costruzione dei
circuiti integrati e dei componenti discreti a semiconduttore.
Diffusione
Il processo di diffusione allo stato
solido consiste nella migrazione all'interno del semiconduttore di atomi
droganti da zone dove sono presenti in concentrazione elevata verso zone a
concentrazione più bassa.
Il fenomeno si verifica ad elevata
temperatura ed è legato al fatto che alcuni atomi del semiconduttore, per
agitazione termica, possono abbandonare la loro posizione nel reticolo
cristallino, generando le cosiddette "vacanze".
Gli atomi del materiale drogante
possono così occupare le posizioni libere sostituendo agli atomi del
semiconduttore. Un parametro che indica la rapidità con cui le impurezze
penetrano nel semiconduttore è il coefficiente di diffusione.
Esistono essenzialmente due tipi di
diffusione:
Diffusione
a sorgente illimitata
La superficie del wafer viene esposta
ad una sorgente estesa di impurezze, costituite generalmente da composti di
boro, arsenico e fosforo. La sorgente deve essere in grado di mantenere
costante nel tempo la concentrazione delle impurezze sulla superficie del
semiconduttore. Il processo avviene nel forno a diffusione ad una temperatura
superiore a 1000°C e per una durata che varia da 10 min. a 1 o più ore.
Diffusione
a sorgente limitata
Questo processo viene preceduto da una
diffusione a sorgente illimitata i breve durata che introduce nel
semiconduttore in prossimità della superficie una quantità predeterminata di
impurezze.
Formazione
della congiunzione per sovracompensazione
Per ottenere una giunzione si parte
normalmente da un semiconduttore già drogato, ad esempio di tipo p, e lo si
sottopone ad un processo di diffusione con impurezze d tipo opposto. La
concentrazione del drogante di tipo n deve essere molto superiore a quella
originaria di tipo p, in modo da invertire il tipo di drogaggio per sovracompensazione.
La congiunzione si forma la dove le due concentrazioni si uguagliano.
Diffusione
in oro
Questa tecnica viene prevalentemente
usata per la formazione della giunzione o per ottenere in una zona con stesso
tipo di drogaggio strati a concentrazione di impurezze diverse.
Il
processo fotolitografico
Per mezzo di tecniche assistite dal
computer viene realizzato il disegno delle finestre che devono essere aperte
sulla superficie del wafer mediante asportazione dell'ossido.
Metallizzazione
La metallizzazione consiste nel
depositare sotto vuoto un sottile strato di alluminio sull'intera superficie
del wafer sulla quale preventivamente con tecnica fotolitografica sono state
create finestre fino al semiconduttore in corrispondenza dei contatti da creare.
Il drogaggio
Un altro metodo per
introdurre cariche libere in un cristallo semiconduttore viene detto
"drogaggio" e consiste nell'inserimento di piccolissime percentuali
di materiali (impurità o droganti) con tre o cinque elettroni di valenza (i
semiconduttori ne hanno quattro). Ogni atomo di drogante sostituisce, nei
legami covalenti, un atomo di semiconduttore. Se il drogante ha cinque
elettroni, uno di essi resta libero per la conduzione: il drogante si dice
"donatore" e il semiconduttore, così drogato, è detto di tipo n, poiché ha prevalenza di elettroni
come cariche libere (negative). Se il drogante ha tre soli elettroni di
valenza, il legame covalente è incompleto e si crea una lacuna, che, come
abbiamo visto, equivale a una carica libera positiva: il drogante si dice
"accettore" e il semiconduttore drogato è detto di tipo p, poiché prevalgono le lacune
(positive) come cariche libere. Questo concetto è illustrato dallo schema, che
mostra un cristallo di silicio (Si) drogato. I quattro elettroni di valenza di
ogni atomo sono rappresentati da punti. Nel cristallo con drogaggio n alcuni atomi di fosforo (P), con
cinque elettroni di valenza, sostituiscono altrettanti atomi di silicio,
lasciando, ciascuno, un elettrone libero. Nel cristallo con drogaggio p, sono inseriti atomi di alluminio
(Al), con tre elettroni di valenza; ciascun atomo comporta la mancanza di un
elettrone nel legame, cioè produce una lacuna. Si ottiene, in ogni caso, un
aumento della conducibilità.
I diodi sono dei dispositivi a
semiconduttore più semplici essendo costituiti da una sola giunzione. I diodi
diffusi sono realizzati secondo la tradizionale tecnica di diffusione che
effettua sulla superficie del wafer. Le tecniche di separazione dei chip costituenti
il wafer, sia meccaniche che a raggio laser provocando danneggiamenti al
reticolo cristallino lungo il bordo della giunzione. I diodi sono classificati
in diodi planari e diodi planari epitassiali. La tecnica planare più recente è
utilizzata per la costruzione dei diodi. La giunzione interna al chip risulta
protetta ed è possibile separare i vari
chip senza danneggiarla. Le caratteristiche di questi diodi sono un elevata
tensione di rottura una bassa resistenza diretta un basso tempo di commutazione
ottenuto grazie alla riduzione del tempo.
Transistor
bipolari
Si parte da un wafer
di silicio di tipo N, si effettua una prima diffusione di impurità di tipo P,
si effettua l’apertura di una seconda diffusione con droganti di tipo N, si
effettua la deposizione dell’alluminio e si separano i vari chip del wafer
mediante punte di diamante o raggio laser. Per abbassare la resistenza di
collettore e per elevare la tensione di lavoro viene impiegata la struttura
planare – epitassiale. Con la tecnica planare l’emettitore e la base possono
assumere forme di geometrie complesse. La necessità di ricorrere a queste
geometrie è dovuta all’effetto di addensamento che si verifichi nelle strutture
planari. La varie strutture geometriche hanno la particolarità di presentare un
elevato rapporto perimetro – area e sono adatte per transistori che devono
lavorare con forti correnti.
Si parte da un wafer
di tipo P, le cui superfici vengono esposti a vapori droganti di tipo N, e a
questo punto si ricava la struttura mesa.
Un wafer di tipo N a
basso drogaggio viene diffuso con
impurezze di tipo P per ottenere la regione di base.
Il collettore viene ottenuto da un
substrato di tipo N* sul quale è fatto crescere uno stato a basso drogaggio
N.
I Transistor
Per transistor si indica
un gruppo di componenti usati negli amplificatori, negli oscillatori e in molti
altri dispositivi per telecomunicazioni e controlli, oltre che nei computer.
Fino all'invenzione dei transistor, nel 1948, le apparecchiature elettroniche
più avanzate erano basate sull'uso dei tubi a vuoto a effetto termoionico,
degli amplificatori magnetici, di macchine rotanti speciali e di particolari
condensatori, usati come amplificatori.
In grado di svolgere, nei
circuiti elettronici, molte delle funzioni proprie dei tubi a vuoto, il
transistor è un componente a stato solido costituito da un sottile frammento di
cristallo semiconduttore, di solito germanio o silicio, nel quale sono
realizzate alcune zone drogate di tipo p e n, cui fanno capo almeno tre
terminali. Vi è una certa somiglianza tra le funzioni osservabili ai terminali
di un transistor e quelle di un triodo a vuoto: come il catodo di quest'ultimo,
riscaldato, emette elettroni il cui flusso viene modulato da un altro
terminale, così l'emettitore di un transistor bipolare fornisce cariche mobili,
elettroni o lacune, il cui flusso è controllato dal terminale di base.
Struttura atomica dei
semiconduttori
Le
proprietà elettriche di un materiale semiconduttore sono determinate dalla sua
struttura atomica. In un cristallo puro di germanio o di silicio, gli atomi
sono disposti in posizioni ordinate, corrispondenti ai vertici e al centro di
tetraedri regolari, posti uno contro l'altro senza discontinuità. Ogni
elettrone di valenza di un atomo interagisce anche con il nucleo di un atomo
adiacente; questo, a sua volta, ha uno dei suoi elettroni di valenza che
interagisce con il nucleo del primo atomo. Questa doppia interazione, che fa sì
che i due atomi abbiano in comune una coppia di elettroni, è detta legame
covalente. Poiché ogni atomo ha quattro elettroni di valenza, esso stabilisce
legami con quattro atomi vicini; l'insieme di questi legami conferisce solidità
al cristallo. Poiché nessun elettrone di valenza è libero da legami, un
semiconduttore puro a bassa temperatura si comporta come un isolante.
La funzione delle impurità
I cristalli di germanio o
di silicio, contenenti piccole percentuali di particolari materiali, sono
discretamente conduttori anche a basse temperature. Questo effetto può essere
ottenuto con due modalità leggermente diverse. Se si inseriscono nel cristallo
atomi con cinque elettroni di valenza, come fosforo, antimonio o arsenico,
ognuno di essi prende il posto di un atomo di silicio, ma solo quattro dei suoi
elettroni saranno impegnati nei legami covalenti. Il quinto elettrone è libero
di muoversi sotto l'azione dei campi elettrici, perciò aumenta la conducibilità
del cristallo. Gli elementi di impurità pentavalenti sono detti
"donatori" perché portano elettroni liberi.
Se si inseriscono nel
cristallo atomi di impurità trivalenti, invece, in corrispondenza di ciascuno
di essi rimane un legame covalente incompleto. Il posto, in questo legame, può
essere occupato da un elettrone di valenza di un atomo vicino, che lascia, a
sua volta, un legame incompleto nell'atomo di provenienza. Questo legame può
essere occupato da un altro elettrone e così via. Si avranno, così, numerosi
elettroni coinvolti in un movimento "a staffetta", ma il risultato
apparente è il movimento del legame incompleto nel cristallo. Il legame
incompleto è detto "lacuna". Poiché questo è dovuto alla mancanza di
un elettrone, dove si forma la lacuna vi è una carica positiva (nel nucleo) non
equilibrata; perciò il movimento di una lacuna equivale a quello di una carica
positiva. Gli elementi trivalenti di impurità sono detti "accettori",
poiché possono accogliere un elettrone.
Semiconduttori di tipo p e
di tipo n
Un cristallo
semiconduttore contenente atomi donatori è detto cristallo drogato "di
tipo n" (iniziale di "negativo"), per evidenziare che i suoi
portatori di carica liberi sono in prevalenza elettroni. Se invece contiene
atomi accettori è detto "di tipo p" (iniziale di
"positivo"), per sottolineare la prevalenza di lacune (equivalenti a
cariche mobili positive).
Con procedimenti termici
di diffusione è possibile introdurre atomi donatori e accettori in zone diverse
e confinanti di uno stesso cristallo semiconduttore. La superficie di
separazione tra le due zone così formate, una di tipo n e l'altra di tipo p, è
detta "giunzione p-n".
Quando tra le due zone di
una giunzione viene applicata una tensione, essa permette il passaggio della
corrente solo in una direzione, presenta perciò un effetto raddrizzante. La
corrente incontra una resistenza bassissima se la polarità positiva della tensione
è applicata al lato della giunzione con drogaggio p (polarizzazione diretta);
se invece la tensione è applicata con polarità opposta, la resistenza è enorme
e la corrente è praticamente nulla (polarizzazione inversa).
Funzionamento
del transistor
Un transistor bipolare è
costituito da tre zone drogate, separate da due giunzioni. Nella versione
n-p-n, un sottile strato drogato con atomi accettori è interposto tra due zone
di tipo n; la figura 2 mostra questo transistor inserito in un semplice circuito.
Con riferimento allo schema, la zona n a sinistra è detta emettitore, la zona p
è detta base e la zona n a destra è detta collettore. Il funzionamento più
usuale di questo transistor prevede che la base abbia una tensione leggermente
positiva rispetto all'emettitore e il collettore una tensione decisamente
positiva rispetto alla base. Perciò, la giunzione tra base ed emettitore è
polarizzata direttamente e quella tra base e collettore inversamente. Il campo
elettrico applicato globalmente al componente ha la polarità più positiva dal
lato del collettore e quella più negativa in corrispondenza dell'emettitore.
La polarizzazione diretta
della giunzione tra base ed emettitore favorisce il passaggio di un gran numero
di elettroni liberi nella zona di base; pochi di questi percorrono la zona
trasversalmente e raggiungono il terminale di base (piccola corrente di base),
mentre il campo elettrico che impedisce agli elettroni liberi del collettore di
penetrare nella base attira verso il collettore stesso la gran parte degli
elettroni liberi provenienti dall'emettitore (grande corrente di collettore).
La giunzione base-emettitore è polarizzata direttamente, perciò piccole
variazioni della sua tensione producono grandi variazioni nella corrente che la
attraversa; poiché quasi tutti gli elettroni che raggiungono la zona di base
passano poi nel collettore, piccole variazioni della tensione di base creano
grandi variazioni nella corrente di collettore. Se la corrente di emettitore
attraversa un resistore, anche la tensione del collettore subirà ampie
variazioni. Questo meccanismo sta alla base delle proprietà di amplificazione
del transistor.
Del tutto simile è il
funzionamento dei transistor p-n-p che, nel funzionamento più usuale,
richiedono tensioni di polarità opposta. Ben diverso è il funzionamento di una
categoria di transistor di sviluppo più recente: quella dei transistor a
effetto di campo (Field-Effect Transistor, FET). Si tratta di componenti a tre
terminali nei quali il collegamento tra due terminali, detti drain e source, è realizzato tramite un percorso in materiale
semiconduttore drogato, detto "canale". Un terzo terminale, detto gate, che non scambia mai alcuna
corrente con i primi due, controlla, producendo un campo elettrico, la
resistenza del canale. Il controllo è esercitato restringendo o allargando,
attraverso il campo elettrico, la sezione del canale in cui possono scorrere i
portatori di carica del semiconduttore drogato. Secondo il sistema con cui è
realizzato il gate, i FET si dividono
in due grandi categorie: J-FET e MOS-FET.
Sviluppi successivi
Sul finire degli anni
Sessanta, l'elettronica dei semiconduttori ebbe un nuovo rivoluzionario
avanzamento con la nascita della tecnologia dei circuiti integrati. Questa
tecnologia consiste nella realizzazione di sistemi assai complessi di aree
drogate e di giunzioni p-n, di proporzioni piccolissime, sulla superficie di
una lastrina tagliata da un cristallo di silicio. Si produssero così,
inizialmente, dispositivi il cui funzionamento equivaleva a quello di circuiti
con 15 o 20 transistor, ma di dimensioni pari a quelle di un transistor solo.
Il naturale sviluppo di questa tecnica, negli anni Settanta, fu un'integrazione
sempre più spinta: media, grande e grandissima scala di integrazione (MSI, LSI
e VLSI), permisero di realizzare circuiti sempre più compatti, favorendo
soprattutto la diffusione dei computer. Il microprocessore, in uso dalla metà
degli anni Settanta, è una pietra miliare tra i dispositivi LSI. Oggi, dopo
ulteriori miniaturizzazioni, un microprocessore può raggruppare funzioni che
avrebbero richiesto un gran numero di schede a circuito stampato; le
prestazioni che fino a pochi anni fa sarebbero state tipiche dell'unità
centrale di elaborazione di un grande computer sono oggi appannaggio di piccoli
portatili a batteria.
Transistor
unipolari
I transistor unipolari ad effetto di
campo o FET sono dispositivi a semiconduttore in cui la corrente è controllata
da un campo elettrico.
Esistono essenzialmente due tipi di
transistor a effetto campo: i JFET (junction
field-effect transistor) e i MOS-FET (metal-oxide-semoconductor
FET).
Transistor
JFET
Il JFET
inventato da Shockey nel 1951, può essere prodotto in una delle due forme a
canale n o p.
In un JFET a canale n sopra un
substrato di tipo p viene ottenuto
per diffusione o crescita epitassiale uno strato di tipo n. Seguono poi due
diffusioni una di tipo p e l'altra di tipo n+ che consentono di formare rispettivamente la regione di
gate e quelle di source e drain. Tra le regioni di gate di tipo p e lo strato
di tipo n da un lato e fra quest'ultimo e il substrato dall'altro, si vengono a
formare due giunzioni che in condizioni di normale funzionamento risultano
entrambe polarizzate inversamente.
Fabbricazione
del JFET
Il processo di fabbricazione più
utilizzato è quello planare-epitassiale.
Il materiale di partenza è costituito
da un substrato di tipo p sul quale viene fatto crescere epitassialmente uno
strato di tipo n, in cui per diffusione si ricavano tre zone diverse di tipo
p+. Quella centrale costituisce il gate mentre le due laterali assolvono il
compito di isolare elettricamente il canale dall'esterno. Le diffusioni
successive di tipo n+ permettono di formare le zone di souce e drain e di avere
contatti perfettamente ohmici con le metallizzazioni.
La superficie inferiore del substrato,
dopo essere stata metallizzata viene normalmente collegata al gate.
Tuttavia essa può anche far capo ad un
proprio terminale. Molto spesso nel JFET viene adottata la geometria
interdigitata, con zone di source e drain che si susseguono lateralmente,
intercalate da zone di gate.
Transistor
MESFET
L'arseniuro di gallio presenta una
mobilità degli elettroni maggiore di quella del silicio e ciò lo rende particolarmente
adatto per applicazioni, che richiedono un'elevata velocità di funzionamento.
I FET ad arseniuro di gallio o MESFET
trovano larga applicazione nei circuiti a microonde, dove in pochissimo tempo
sono divenuti dispositivi di elezione e, nei settori militari e spaziali per
applicazioni che richiedono buone prestazioni anche in presenza di elevate
temperature.
La limitazione di questi circuiti sta
nei costi di produzione elevati e nella resa molto bassa.
Fabbricazione
dei MESFET
Nei transistor MESFET il canale viene
realizzato impiantando su un substrato semi-isolante di GaAs ioni di silicio
che si comportano come drogante di tipo n.
Con una impiantazione di zolfo vengono
realizzate le regioni n+ di drain e source che successivamente sono sottoposte
ad un processo di metallizzazione. Viene dapprima deposto uno strato sottile di
lega oro-germanio, quindi uno strato di nichel e infine uno di oro.
Segue poi la realizzazione del gate a
barriera scottky che nei dispositivi più evoluti è incassato direttamente nel
substrato.
Transistor
MOSFET
I transistori MOS consistono in un
substrato di materiale semiconduttore, sul quale viene accresciuto un sottile
strato di ossido isolante sormontato dall'elettrodo di gate.
I transistor MOS possono essere di tipo
a canale n oppure del tipo a canale p. I MOS con drain e source di tipo n+ e il
substrato di tipo p sono detti NMOS, mentre quelli con source e drain di tipo
p+ e il substrato di tipo n sono detti a canale p o PMOS.
Fabbricazione
dei CMOS
Le tecniche di fabbricazione dei CMOS
sono due:
la metal
gate e la silicon gate.
La prima utilizza per la realizzazione
del gate, un metallo, in genere l'alluminio. Essa però non viene più usata per
inconvenienti riscontrati in fase di fabbricazione.
La tecnologia del silicon gate usa la
tecnica di deposizione del silicio policristallino da fase di vapore.
Nei sistemi in cui sono richieste
grosse potenze e quindi correnti elevate, l'uso dei MOS tradizionali appare
problematico. Perciò è necessario ricorrere a strutture alternative.
Transistor
VMOS
La struttura di un transistor VMOS è
assai simile, almeno fino alla formazione del solco a forma di V, alla
struttura di un transistor bipolare a doppia diffusione su strato epitassiale.
Il materiale di partenza è un substrato
di tipo n+ sul quale viene cresciuto epitassialmente uno strato n- ad elevata
resistività.
Seguono le due diffusioni, una di tipo
p e l'altra di tipo n+; quest'ultima, realizzata all'interno della prima,
fornisce le regioni di source.
Lo stato epitassiale n- funge da drain
mentre la metalizzazione del solco costituisce il terminale di gate.
Questo dispositivo è utilizzato per gli
amplificatori audio e RF di potenza, per gli alimentatori
switching, per i controlli industriali, ecc. . . .
Transistor DMOS
Il processo di fabbricazione di questo
dispositivo è quasi identico a quello dei VMOS.
Nel DMOS però non si effettua
l'incisione del solco; il gate tuttavia è in grado di controllare ugualmente
nelle zone di tipo p, la formazione di due canali, che ora presentano andamento
orizzontale. I MOS di potenza per poter
trattare correnti elevate sono costituiti da un numero piuttosto elevato di
strutture simili a quelle precedentemente descritte, collegate fra loro in
parallelo mediante le metalizzazione .