Programma del corso
Obiettivi formativi
Il corso intende fornire gli strumenti di base necessari alla comprensione del funzionamento dei dispositivi elettronici e della loro tecnologia. La prima parte del corso riguarda i fondamenti della fisica dei semiconduttori ed è volta ad acquisire le conoscenze fisiche di base per lo studio e l´analisi dei dispositivi elettronici. Nella seconda parte si applicano i concetti acquisiti all´analisi del funzionamento di alcuni importanti dispositivi quali: i contatti metallo/semiconduttore, la giunzione pn, il condensatore e il transistore MOS. La terza parte del corso descrive i processi di fabbricazione dei dispositivi.
Programma del corso
- Elementi di fisica dello stato solido (25 ore)
- I materiali semiconduttori; proprietà dei cristalli; strutture cristalline dei semiconduttori; indici di Miller; struttura cristallina del silicio e dell´GaAs; modello a bande; equazione di De Broglie; livelli energetici dell´atomo isolato; modello di Bohr; energia dei livelli permessi; raggio di Bohr; formazione delle bande; bande di conduzione e di valenza; band gap; Band gap di Silicio e Arseniuro di Gallio e dipendenza dalla temperatura; conduzione nei metalli/semiconduttori/isolanti; modello a legame covalente; calcolo dell´energia dello stato eccitonico; portatori liberi; concetto di corrente di lacune; impulso del cristallo; diagrammi energetici del Si e del GaAs; massa efficace; semiconduttori indiretti/diretti; equilibrio termodinamico e legge dell´azione di massa; calcolo della densità degli stati permessi; distribuzione di Fermi-Dirac; approssimazione di Maxwell-Boltzmann; calcolo della densità di portatori; densità efficace di stati; semiconduttori intrinseci; livello di Fermi intrinseco; accettatori e donatori secondo i modelli a legame covalente/bande; attivazione del drogaggio; compensazione del drogaggio; portatori maggioritari e minoritari; semiconduttori estrinseci; semiconduttori degeneri; difetti cristallini e stati profondi; concentrazione di portatori maggioritari nelle regioni neutre all´equilibrio termodinamico; livelli di Fermi in semiconduttori drogati; equazioni di Shockley; velocità termica media dei portatori in un cristallo; tempo medio di collisione; libero cammino medio; probabilità di urto a velocità costante; introduzione al concetto di sezione di cattura; velocità di trascinamento (drift) e introduzione della mobilità con il teorema dell´impulso; meccanismi di riduzione della mobilità; conducibilità del semiconduttore; corrente di diffusione; relazioni di Einstein; generazione e ricombinazione diretta; velocità netta di ricombinazione; tempo di vita medio dei minoritari; iniezione di portatori; bassi livelli di iniezione; generazione/ricombinazione indiretta; generazione di portatori per irraggiamento; generazione/ricombinazione superficiale; equazioni di trasporto; equazione di continuità; iniezione laterale a regime; lunghezza di diffusione; corrente di diffusione; esperimento di Haynes-Shockley; tempo di rilassamento dielettrico; portatori minoritari alla superficie; equilibrio nei sistemi elettronici e costanza del livello di Fermi; effetto Gunn; dimostrazione matematica della costanza del livello di Fermi in condizioni di correnti nulle.
- Analisi di dispositivi (25 ore)
- Giunzione pn all´equilibrio; potenziale di built-in; modello di giunzione brusca; giunzione brusca asimmetrica; regimi di polarizzazione e diagrammi a bande; potenziale di contatto; capacità di svuotamento; il varactor; caratteristica del diodo ideale; condizioni al contorno di Shockley; corrente di generazione in inversa; corrente di generazione in diretta e fattore di idealità; metodo CV per la determinazione dei profili di impurità; scostamenti dall´idealità: alti livelli di iniezione,resistenza serie, temperatura; rottura della giunzione; carica immagazzinata in diretta; capacità di diffusione; parametri SPICE del diodo; rottura della giunzione: moltiplicazione a valanga, perforazione diretta, rottura per effetto tunnel BBT, effetto della temperatura; verifica delle approssimazioni di giunzione brusca; lunghezza di Debye estrinseca; giunzione ideale metallo semiconduttore; Diodo Shottky; circuito equivalente per piccoli segnali del diodo; determinazione del potenziale di barriera nel caso reale; valori misurati e discordanza con la teoria; densità degli stati superficiali; corrente per emissione termoelettronica, costante di Richardson efficace; contatti ohmici (metallici); resistenza di contatto; contatti tunnel; contatti Shottky; Condensatore MOS; tipi di cariche nell´ossido; potenziale di Fermi; soluzione dell´equazione di Poisson nel MOS; espressione della carica nel semiconduttore; capacità di flat band; condizione di accumulazione dei portatori, inversione e forte inversione; relazione tra potenziale superficiale e tensione di gate; momento di carica nell´ossido; tensione di banda piatta; tensione di soglia del MOS; carica interfacciale; capacità differenziale ideale e reale in alta/bassa frequenza; modello reattivo del MOS a piccoli segnali; metodo CV per la misura della tensione di flat band, potenziale superficiale e densità di carica interfacciale; MOSFET; condizioni di non equilibrio: pseudo-potenziali di Fermi e proprietà; carica nel semiconduttore; carica di svuotamento; carica invertita; analisi quasi 2D e relazione tra pseudo potenziale di Fermi e potenziale superficiale; funzione MATLAB di esempio del calcolo dei parametri del MOSFET; potenziale superficiale di saturazione; corrente di drain in funzione della carica invertita; condizioni di trasporto ohmico; condizioni al contorno; tensione VDS di saturazione e interpretazione fisica del pinch-off; concentrazione degli elettroni nel canale; tensione di soglia del MOSFET; dipendenza dai parametri tecnologici; controllo della tensione di soglia mediante impiantazione ionica; modello di Shichmann Hodges; circuito equivalente a piccoli segnali; modello di corrente sottosoglia; effetti del secondo ordine: modulazione della lunghezza di canale, canale corto/stretto, campo tangenziale e normale, DIBL e punch-through; elettroni caldi, rottura a valanga della giunzione, mobilità superficiale, scaling del modello a canale lungo; MESFET; HEMT.
- Elementi di tecnologia (10 ore)
- Formazione del silicio e dell´GaAS EGS; tecnica Czochralski; drogaggio del cristallo; segregazione del drogaggio; contaminazioni; presenza dell´ossigeno; lavorazione della fetta; gettering; epitassia da fase vapore, liquida e molecolare; processo di fabbricazione degli SOI; classificazione dei film sottili; ossidazione termica; tecniche di deposizione: CVD, LPCVD, a potenziamento energetico; ricopertura dei gradini; isolamento fra strati metallici; nitruro di silicio; silicio Poly; i siliciuri; le metallizzazioni; teoria della diffusione; caso di diffusione a concentrazione superficiale costante e caso di diffusione a concentrazione totale costante; caratterizzazione sperimentale della diffusione; diffusione estrinseca; emitter-push-effect; mascheratura con ossidi; diffusione laterale; redistribuzione del drogante; Impiantazione ionica; channeling; annelaing; litografia e attacco chimico; camera pulita; litografia ottica; litografia a raggi X, a fascio elettronico, a fascio di ioni; attacco chimico in umido e a secco; esempi di processi di fabbricazione di dispositivi integrati: MOS, MOSFET, gate NOR, invertitore CMOS.
