Concetti base dei semiconduttori
Da Hacknowledge.
Le tecnologie elettroniche odierne (tra cui la tecnologia CMOS, pilastro portante di tutto l'hardware fabbricato al giorno d'oggi) sono strettamente legate alla fisica dei semiconduttori. L'elemento più usato in elettronica, per le sue proprietà fisiche e per la sua estrema versatilità, è il silicio, atomo con numero atomico pari a 14. Il silicio puro è un cristallo con strutture tetraedriche (un atomo di Si al centro circondato da altri 4 atomi di Si, con i quali è legato tramite un legame covalente formato da 2 elettroni).
A 0 K (-273.16 °C, zero assoluto) gli elettroni degli atomi di silicio sono al livello energetico più basso, creano legami covalenti stabili tra gli atomi e non sono liberi di muoversi. A questa temperatura il silicio è un isolante, ovvero un materiale che impedisce il transito alla corrente elettrica. Con l'aumento della temperatura una piccola parte degli elettroni può acquisire un'energia necessaria per rompere il legame covalente ed essere libero di muoversi all'interno del cristallo. Un legame covalente rotto (lacuna) si può vedere come una carica positiva libera di muoversi nel cristallo, in quanto è venuto a mancare l'elettrone che conferiva la neutralità all'atomo. Se si applica un campo elettrico al cristallo di silicio in queste condizioni si ha un moderato flusso di corrente nel silicio stesso, flusso di corrente che è dovuto alla concentrazione di cariche positive (concentrazione di lacune, pi) e alla concentrazione di cariche negative (concentrazione di elettroni, ni). Tali concentrazioni in condizioni standard (ovvero di silicio neutro non drogato) sono uguali:
Tuttavia, la concentrazione di elettroni, già a 300 K, è modesta e molto inferiore rispetto a quella di un buon conduttore metallico (ma tuttavia tale da consentire un flusso di corrente che non si avrebbe in un isolante). Per questo motivo elementi come il silicio sono detti semiconduttori (o semimetalli).
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[modifica] Generazione e ricombinazione
Il tasso di generazione del silicio (ovvero la concentrazione di elettroni liberi e lacune) è direttamente proporzionale all'energia termica, e quindi strettamente legato alle condizioni di temperatura a cui si trova il silicio. Tale tasso è infatti nullo a 0 K, per poi crescere linearmente in funzione della temperatura (di conseguenza anche la conducibilità elettrica cresce in funzione della temperatura). Tuttavia, quando un elettrone libero incontra una lacuna l'energia di attrazione tra essi può anche formare un nuovo legame covalente (fenomeno di ricombinazione). Il tasso di ricombinazione è direttamente proporzionale alla concentrazione di elettroni e lacune (più cariche libere ci sono in ballo, più è probabile che qualcuna di esse si ricombini). Esiste una temperatura alla quale il tasso di generazione e quello di ricombinazione sono uguali.
[modifica] Drogaggio di tipo n
È possibile modificare il comportamento e la concentrazione di carica all'interno del silicio inserendo al suo interno una piccola concentrazione di impurezze (drogaggio). Aggiungendo per esempio in un cristallo di silicio puro piccole quantità di fosforo (P), o comunque un elemento appartenente al 5° gruppo, tale elemento forma con il silicio dei legami covalenti in cui impegna 4 dei suoi elettroni di valenza. Il 5° elettrone di valenza del fosforo risente poco del legame e, a temperatura ambiente o a temperature più elevate, è di fatto un elettrone libero di muoversi all'interno del cristallo. Tuttavia, non viene creata nessuna nuova lacuna all'interno del cristallo per compensare la nuova concentrazione di elettroni, quindi il silicio si dice drogato di tipo n. in quanto presenta una concentrazione di elettroni che è maggiore della concentrazione di lacune (e il flusso di corrente all'interno di un cristallo simile è proprio dovuto alle cariche negative). La concentrazione di elettroni n all'interno di un silicio così lavorato è uguale alla somma tra la concentrazione di lacune nel silicio e la concentrazione di atomi donori (ovvero atomi che hanno donato un elettrone libero al cristallo di silicio, nel nostro caso il fosforo):
Inoltre, abbiamo che un drogaggio di tipo n, e quindi una concentrazione all'interno del silicio di atomi donori, porta anche ad una diminuzione della concentrazione di lacune all'interno del silicio, in quanto un numero maggiore di elettroni rende più probabile la ricombinazione tra un elettrone e una lacuna (diminuendo quindi la concentrazione di lacune). Ad una certa temperatura, si dimostra sperimentalmente che la concentrazione di elettroni e lacune all'interno del silicio è costante e, poiché nel silicio neutro la concentrazione di lacune è uguale a quella di elettroni, si ha
Tale uguaglianza, detta legge dell'azione di massa, è fondamentale nello studio di componenti elettronici a semiconduttore come diodi e transistor.
[modifica] Drogaggio di tipo p
Aggiungendo a un cristallo di silicio puro una certa concentrazione di impurezze del 3° gruppo (generalmente boro) si ottiene un drogaggio di tipo p. Tali atomi infatti formano 3 legami covalenti con gli atomi di silicio intorno. Il 4° elettrone di valenza, necessario per completare il legame con gli atomi di silicio, manca, e per colmare questa lacuna si genera all'interno del cristallo un movimento di elettroni di valenza. Per rispettare la neutralità del cristallo di silicio, si ha
dove NA è la concentrazione di atomi accettori, ovvero di impurezze che drogano il silicio di tipo p.
Se in un cristallo sono presenti sia impurezze di tipo n che di tipo p, l'equazione di bilanciamento diventa
[modifica] Velocità di deriva
In condizioni di campo elettrico assente in un cristallo di silicio, i portatori di carica (elettroni e lacune) si muovo casualmente all'interno del cristallo per effetto dell'energia termica, e quindi la loro velocità lungo una generica direzione è nulla. Se viene applicato un campo elettrico, i portatori di carica risentono di una forza che li accelera in modo uniforme tra due collisioni successive. Le lacune si muoveranno nello stesso verso in cui è diretto il vettore del campo elettrico, gli elettroni si muoveranno nel verso opposto, e dopo una collisione tra portatori di carica o tra portatori di carica e reticolo cristallino, la velocità dei portatori cambia in maniera casuale. Il movimento delle cariche all'interno del silicio determina una velocità media costante diretta nella stessa direzione della forza, chiamata velocità di deriva. Per gli elettroni si ha una velocità di deriva
mentre per le lacune
Le costanti μ sono dette costanti di mobilità rispettivamente per gli elettroni e per le lacune, e variano in funzione della concentrazione di carica e della temperatura. A 300 K, μn = 1500cm2 / Vs, mentre μp = 475cm2 / Vs.
[modifica] Fabbricazione di circuiti integrati
Per fabbricare circuiti integrati (ovvero circuiti elettronici con componenti di piccole dimensioni) si usa tagliare lingotti di silicio puro in wafer, ovvero piccole fette spesse dai 300 ai 700 μm. I wafer vengono poi esposti a un processo di ossidazione con O2 (ossidazione dry) o tramite H2O (ossidazione wet), che genera sulla superficie del silicio una sottile superficie di ossido di silicio SiO2. Si ricopre tale strato con un sottile strato di materiale fotoresistente (photoresist), quindi il wafer così lavorato viene esposto a un fascio di luce ultravioletta. Le parti esposte alla luce ultravioletta (tramite una maschera) vengono drogate di tipo p. La parte di photoresist esposta alla luce ultravioletta viene rimossa chimicamente, quindi in seguito viene rimossa anche la parte esposta di ossido di silicio e la parte rimanente di photoresist, lasciando scoperto lo strato di silicio sottostante. I passi del processo (chiamato fotolitografia) sono di seguito riportati:
Con questa tecnologia è possibile costruire su un wafer di silicio milioni di transistor, diodi e resistenze di dimensioni nanometriche o deca-nanometriche.
