Microelettronica in 12 puntate – 1: la giunzione PN

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La microelettronica è un insieme di regole e procedure che definiscono i vari aspetti riguardanti tutto il flusso di progettazione e la produzione del circuito integrato. Con lo sviluppo dell’elettronica si è reso necessario il design di IC con maggior efficienza sia in termini di power management sia di prestazioni. La tecnologia microelettronica comprende oggi film sottili, dispositivi indossabili e circuiti integrati di varie combinazioni.

Fig. 1 – Drogaggio N e P

Tali circuiti sono applicati in sistemi digitali, circuiti switching e analogici. L’analisi di questa sezione ci condurrà ad approfondire layout circuitali, analizzandoli sia a livello teorico sia software (pspice), applicati nel design di sistemi embedded e sistemi di acquisizione dati. Per una descrizione completa, saranno anche presi in esame aspetti di progettazione PCB. Come introduzione, analizzeremo in questo primo articolo la base della microelettronica, ovvero, i semiconduttori.

Semiconduttori

Le sostanze come germanio, silicio e carbonio, non sono né buoni conduttori come il rame né isolanti come il vetro. In altre parole, la resistività di questi materiali è una via di mezzo tra conduttori e isolanti. Tali sostanze sono classificate come semiconduttori e rappresentano la base della microelettronica.

Confrontando le resistività dei materiali di cui sopra, è evidente che la resistività del germanio (semiconduttore) è piuttosto elevata rispetto al rame (conduttore) ma è piuttosto bassa rispetto al vetro (isolante).

Questo dimostra che il germanio elettricamente non può essere considerato come un conduttore o un isolante.

Fig. 2 – Giunzione PN

È interessante notare che non è la sola resistività che decide se una sostanza è semiconduttore o meno. Ad esempio, è possibile preparare una lega la cui resistività rientra nella gamma di semiconduttori, ma non può essere considerata come tale. In realtà, i materiali semiconduttori hanno un numero di proprietà peculiari che li distinguono da conduttori e isolanti:

• la resistività è inferiore a quella degli isolanti ma superiore a quella dei conduttori;
• il coefficiente di temperatura della resistenza è negativo: la resistenza di un semiconduttore diminuisce con l’aumentare della temperatura e viceversa. Ad esempio, il germanio è in realtà un isolante a basse temperature, ma diventa un buon conduttore ad alte temperature.
• quando impurità metalliche vengono aggiunte al semiconduttore, le sue proprietà di conduzione di corrente cambiano sensibilmente. Questo è un aspetto che analizzeremo nel prossimo paragrafo e che rappresenta la base di produzione di molti componenti elettronici impiegati nei circuiti della microelettronica.

Fig. 3 – Caratteristica I-V della giunzione PN (diodo)La giunzione PN: teoria

I due materiali più frequentemente utilizzati sono il germanio (Ge) e il silicio (Si), in quanto l’energia necessaria per rompere i legami co-valenti (ovvero l’energia necessaria per rilasciare un elettrone dalle loro bande di valenza) è molto piccola: circa 0,7 eV per il germanio e circa 1,1 eV per il silicio.

L’aggiunta di impurità pentavalenti forniscono un gran numero di elettroni liberi nel cristallo semiconduttore. Tipici esempi di sostanze pentavalenti sono arsenico e antimonio. Tali impurità, che producono un semiconduttore di tipo N, sono note come impurità donatrici perché forniscono elettroni liberi. La conduzione di corrente in un semiconduttore di tipo N è prevalentemente dovuta a elettroni liberi, cioè cariche negative. Quando una differenza di potenziale viene applicata attraverso il semiconduttore di tipo N, gli elettroni liberi (donati dalle impurità) nel cristallo saranno diretti verso il polo positivo, che rappresentano la corrente elettrica.

Fig. 4 – Semplice circuito di inviluppo con diodo

L’aggiunta di impurità trivalenti, invece, fornisce un gran numero di “buche” nel semiconduttore. Tipici esempi di sostanze trivalenti sono gallio e indio. Tali impurità, che producono un semiconduttore di tipo P, sono note come impurità accettori, perché le buche o lacune create possono accettare gli elettroni ricombinandosi (Fig. 1). La maggior parte dei dispositivi semiconduttori contengono uno o più giunzioni PN, che rappresentano l’elemento di controllo per dispositivi a semiconduttore.

Nell’istante di formazione della giunzione PN, gli elettroni liberi vicini alla giunzione della regione N cominciano a diffondersi attraverso la giunzione nella regione P, dove si combinano con buche vicine. Il risultato è che la regione N perde elettroni liberi, creando uno strato di cariche positive (ioni pentavalenti). Non appena gli elettroni si muovono attraverso la giunzione, la regione P perde le cosiddette lacune (buche). Il risultato è che vi è anche uno strato di cariche negative (ioni trivalenti) vicino alla giunzione stessa.

Questi due strati di cariche positive e negative formano la regione di svuotamento. Una volta che la giunzione è formata, la diffusione di elettroni liberi si ferma. In altre parole, la regione di svuotamento agisce come una barriera per l’ulteriore movimento di elettroni liberi attraverso la giunzione.

Fig. 5 –Circuito limitatore doppio

La barriera di potenziale che ne consegue dipende da diversi fattori, tra cui il tipo di materiale semiconduttore, la quantità di drogaggio (semiconduttore N e P) e la temperatura. La barriera di potenziale tipica è approssimativamente: per il silicio, V = 0,7 V, per il germanio, V = 0,3 V.In relazione a una giunzione PN, ci sono due condizioni di polarizzazione, diretta e inversa, in accordo alla polarità e flusso di corrente.

Ogni giunzione PN ha valori limiti di massima corrente diretta, tensione inversa di picco e massima potenza. Se la giunzione PN è utilizzata all’interno di questi valori limiti, fornirà risultati soddisfacenti. Tuttavia, se si superano questi valori, la giunzione PN può essere distrutta a causa del calore eccessivo (Fig. 2).

Fig. 6 – Caratteristiche elettriche di un BJT. b = base, e = emettitore, c = collettore

Il diodo è il caso più semplice di giunzione PN, un dispositivo a due terminali con caratteristica I-V indicata in figura 3. Alcune semplici applicazioni sono descritte di seguito:• circuito di inviluppo: convertire la tensione alternata (AC) in continua (DC) attraverso un ponte di diodi (o un diodo) e un RC a seguire (Fig. 4);

• circuito limitare: circuito che limita la tensione di uscita al di sopra o al di sotto di un valore, se + limitatore semplice, tra due valori se è limitatore doppio (Fig. 5).

L’unione di due giunzioni PN (cioè due diodi insieme) forma la giunzione transistor bipolare (BJT) dove la corrente è sostenuta da elettroni e lacune (come il diodo). Rispetto al diodo, BJT (3 morsetti) può essere utilizzato come un amplificatore di segnale (Fig. 6). Anche se la tecnologia MOS è più diffusa, la tecnologia bipolare rimane significativa, con applicazioni in diversi settori quali veicoli automotive, sistemi wireless e circuiti digitali ECL.

Fig. 7 – Emitter Follower, layout

Il circuito Emitter Follower, per esempio, è particolarmente utile per applicazioni che richiedono elevata impedenza di ingresso. Si usa tipicamente come un buffer in una vasta gamma di settori.

Emitter Follower è anche conosciuto come un inseguitore di tensione, o un circuito di retroazione a corrente negativa, con bassa impedenza di uscita. Il layout è mostrato in figura 7 e il relativo circuito equivalente di piccolo segnale è indicato nella figura 8.

Il transistor è composto da tre strati di materiale semiconduttore drogato in cui lo strato centrale ha drogaggio opposto agli altri due, in modo da formare una doppia giunzione P-N: NPN o PNP. Ogni strato è individuato mediante un terminale, base (b/B) per quello centrale e, collettore (c/C) ed emettitore (e/E), per quelli esterni. Attraverso la tensione ai propri terminali, il dispositivo ha il suo comportamento coinvolgendo portatori di carica maggioritari (elettroni) e minoritari (lacune). È la famiglia di transistor a effetto di campo più diffusa, con lo svantaggio di non avere un terminale di controllo isolato (gate).

Fig. 8 – Emitter Follower, circuito equivalente a piccolo segnale

Oggi la microelettronica è dominata da dispositivi Mosfet. La struttura di fisica del Mosfet è descritta nella figura 9: su un substrato monocristallino di tipo p sono realizzati due strati di tipo n+ dove sono collegati due terminali chiamati drain e source (D e S in Fig. 9). Nella zona fra drain e source viene fatto crescere uno strato di biossido di silicio (spessore inferiore a 0,01 μm), che isola il terminale di gate.

La corrente tra drain e source è controllata dalla tensione tra gate e source, che controlla a sua volta la formazione di canale. Le caratteristiche elettriche del Mosfet dipendono da L (lunghezza di gate) e W (larghezza gate), così come i parametri tecnologici quali lo spessore dell’ossido e la quantità di drogaggio. Valori tipici di L e W sono: L = 0,1-2 μm, W = 0,5-500 μm.

Fig. 9 – Struttura di un Mosfet

La breve panoramica sulla fisica dei semiconduttori ci condurrà prossimamente verso l’analisi di alcuni circuiti con diodi, BJT e Mosfet. Analizzeremo alcuni aspetti pratici di utilizzo e regole di design PCB per una corretta applicazione in termini di power management e rumore che influenzano le prestazioni del sistema. Faremo riferimento a circuiti maggiormente impiegati nei sistemi elettronici. 

Maurizio Di Paolo Emilio

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