E COME SONO FATTI
Poichè è trascorso u n po' d i tem po da q uando avete letto i l capitolo 2, fermi amoci u n momento per rivedere la fu nzione d i un transistore i n u n c i rc u ito.
COSA FA U N TRANSISTOR E?
V i ricorderete che u n transistore può essere usato come a m p l ificatore o come com m utatore. La Fig u ra 7.1 i l l ustra una t i p i ca appl i cazione d i ampl ifi cazione:
Figura 7.1
u n transistore N PN che a m p l ifica la corrente p rove n i ente da u n m i c rofono per ecci tare un altoparlante. Parlando ora i n term i n i d i corrente elettronica, i l m i crofono converte la potenza del le onde sonore i n onde d i corrente elettrica. Il m i crofo no pompa dei riflussi d i elettro n i fuori dal la base ( reg i o n e P) del transistore. Q uando non c'è ness u n a onda sonora che az ioni i l m i c rofono, i l transistore blocca l a corren te i nviata dall'al i m entatore nel c i rcu ito di lavoro. M a quando deg l i elettro n i sono estratti dal la reg ione P del m i crofono, una quantità molto mag g i ore m a proporzio nale d i elettro n i scorrerà dall'emettitore al co l l ettore e p roseg u i rà attraverso i l c i r cu ito fino a l l 'altoparl ante.
V i ricorderete che avevamo bisog n o del transistore perchè la corrente prodot ta dal m icrofo no è così piccola che essa non può azion are d i rettamente l'altoparlan te. Così , ci occo rre più potenza - e noi l a otten iamo dall'ali mentatore, che in qu esto caso, è u n a batteria. I l transistore regola il flusso di elettro n i proven iente dal la batte ria e prod uce u n a co pia ampl ificata del m olto p i ù debole seg nale m i c rofo n i co.
S u l la base della nostra d iscussione dei diodi, potete vedere che q u esto pro
nel materiale sem icond uttore d e l transistore. Ved remo fra u n m omento come ciò avviene. M a richiam iamo come fu nziona u n transistore nell'altro genere d i applica zion i , /a commutazione.
I n F i g u ra 7.2 è i n d i cata l a nostra ormai fam i l i are applicazi one d i u n transistore com mutatore: u n sistema teleg rafi co i n trasmissione e ricezione. V i ricorderete che l ' i nterruttore nel c i rc u ito d i control lo prod u ce dei pu nti e del le l i n ee, ma la g rande
CICALINO
Figura 7.2
l u n g hezza di filo fra l'i nterruttore e il ricevitore ha u n a resistenza così g rande che i l seg nale d e l c i rcu ito d i comando è troppo debole, u na volta c h e esso s i a arrivato, per azionare il cical i no. Man mano che i l circuito d i contro l l o pompa deg l i elettro n i fuori d a l l a reg ione P, la tensione elettron ica nella base si abbassa fino a scen dere a l disotto d e l l a sog l i a d i comm utazione. Allora, i l transistore si " mette a condu rre" u n a g ran q uantità d i elettro n i prove n i enti all'ali mentatore p e r azionare i l cical i no.
Che cos'è q uesta "sog l i a" che abbiamo menzionato poco fa? La tensione di sog l i a d i u n transistore al s i l icio è, pressapoco, uguale a q u e l l a d i u n d iodo a l s i l icio che è d i ci rca 0,6 V . Quando ri chiamiamo abbastanza elettro n i dalla regione P, da prod u rre una differenza d i tensione di retta d i ci rca 0,6 V ai capi della g i u nzione emettitore - base, i l transistore andrà i n u no stato d i "conduzione", sem prechè con t i n u iamo a prelevare elettro n i dal la base, i n modo tale che nel c i rcu ito di lavoro pos sa scorrere u n a corrente proporzional mente maggiore. D i remo di più sulla "soq l ia" nelle pag i ne seg uenti.
QUAL E' LA D I FFERENZA FRA UN TRANSITOR E COM M UTATORE E UN TRANSISTOR E AMPLIFICATOR E?
Certi transistori sono costruiti i n modo da funzionare meg l io come comm uta tori, altri sono fatti in modo da funzionare meg l i o come ampl ificatori. M a, i n caso d i bisog no, la maggior parte d e i transistori p u ò ven i r usata, sia p e r c o m m utare c h e per ampl ificare. Il transistore del nostro sistema teleg rafico, per esempio, potrà funzio nare come ampl ificatore. Tuttavia, nella m aggior parte dei casi, dovremo sacrificare del le buone prestazion i . Per q uesta rag ione i transistori vengono general mente classificati come amplificatori o comm utato ri , ma non con entra m be le funzion i .
N o n è i l transistore i n sè stesso c h e determ ina s e dovrà com m utare o ampl ifi care, ma, pi uttosto il c i rcu ito d i contro l l o, il d i spositivo che contro l l a i l transistore, che ne determ i n a il funzion amento nel l ' u n o o nell'altro modo.
COME FU NZIONA UN TRANSISTO RE?
V i aveva mo p romesso che m olti dei pri ncipi dei diodi ed i l l oro comporta mento ci avre bbero aiutato nel l o stu dio deg l i altri semicond uttori. Q u este n oz i o n i d i base dan no ora i l oro frutti per com prendere come funziona un transistore. La F i g u ra 7.3 dà u n a sezione schematica d i u n elemento d i transistore N P N .
R icorderete c h e i l materiale semi cond uttore d i t i p o N conduce l'elettricità per mezzo del la sua sco rta d i elettroni l i beri e che il tipo P cond u ce, g razie a l l a sua scor ta d i lacune cariche positivamente.
In questa d iscussione, consideriamo la corrente com posta di elettro n i . N ote rete che la reg ione P del nostro transistore è molto p i ù stretta del le reg i o n i N . Q u esta reg ione P è anche molto meno " d rogata" del le g i u nzioni N; val e a d i re che le lacune sono i n m i nor n u mero e p i ù distanziate, i n confronto ag l i elettro n i l i beri contenuti nella reg ione N .
S u pponiamo d i pom pare deg l i elettron i l i beri dal term i nale d i e m ettitore al ter mi nale d i co l l ettore e rag ionate come abbiamo fatto n e l l e nostre precedenti d i scus sioni sui diodi, si ve rifica u n fatto sorprendente. G l i elettro n i l i beri conti n uano al le g ramente per l a l oro strad a, dal l a regione N del l 'emettitore, attraverso l a reg ione P della base, a l l a reg ione N del collettore e via d i segu ito per i l filo. Q uesto processo cont i n u erà solo per un breve istante di tempo, ma dobbiamo com prenderlo se vo gl iamo app rezzare pienamente il funzionamento del transistore.
FLUSSO CORRENTE ELETTRONI N COLLETTO R E
ELETTRO N I POMPATI FUORI
Figura 7.3
Voi penserete che q u i qualche cosa non vada. La regola che abbiamo appreso, parlando dei diodi, è che g l i elettroni possono scorrere da N a P, ma non possono scorrere da P a N . Poi chè ciò vale anche nel caso attuale, come possono g l i el ettro n i , u na volta entrati nella mesa, passare nel col l ettore? Vi pot reste aspettare che q uesti elettroni l i beri ven gano cattu rati nel l'area d i base, cadendo nelle lacune, per c u i nessu n elettrone passa dal la base al col lettore. La spiegazione del m istero è che
i l transistore è fatto c o n u n a reg ione di base molto st retta c h e è"droga ta " molto leg
germen te, per c u i le lac u n e sono in ord i n e sparso. Così avviene che la maggior parte
deg l i e l ettro n i e messi - tip icamente i l 98% - può attraversare qu esta terra di nessuno senza cadere i n u na l acuna.
Tuttavia, i poc h i elettro n i che, in vece, cadono nelle lacune, vi rimangono i n trap polat i . Essi si acc u m u lano n e l l a reg ione di base, ammassando u na carica nega tiva nel l a base. Q uesto è ciò che permette al transistore di eseg u i re i l suo compito ri d u cendo la corrente di l avoro emettitore - col l ettore. R icordatevi che cari che s i m i l i si respi ngono.
Gli elettro n i v i n co l ati i n eccesso n e l l a reg ione d i base res p i n gono g l i elettroni l i beri che cercano d i passare dall'emettitore al col l ettore, rendendo più d iffici l e i l passag g i o a q uesta corrente. N o n ci vuole molto tempo - forse 5 0 nanosecon d i perchè la corrente ven ga i nteramente bloccata.
Arrestiam oci u n m o mento a considerare la natu ra di q uesta barriera che bl oc ca il flusso di corrente. Si noti che le reg i o n i di emettitore e di base formano una g i u nzione P N , oss i a u n d iodo. N o i sappiamo, adesso, che per avere u n a conduzione di retta apprezzab i l e attraverso q u esta g i u nzione d i diodo, come in qualu nque d i o do, l a pressione del la tensione elettron ica nel l'emettitore dev'essere almeno d i 0,6 Voi t più alta della tensione nel la base. M a gli elettro n i in eccesso, che si sono ora ac c u m u l ati n e l l e reg ione di base, hanno alzato la pressione deg l i elettro n i nella base ad un l ivel l o ta l e che la differenza è m i nore dei 0,6 Volt ri chiesti . Così , ness u n elet tro ne scorre p i ù attraverso q u esta g i u nzione.
L ' u n ico m odo per far sì che la corrente di lavoro rico m i nci ad affl u i re, consiste nel sottrarre a l c u n i deg l i elettro n i v i n colati i n eccesso dalla reg ione di base. Ciò av viene appl icando u n a p ressione di tensione di elettron i più bassa al term i nale di ba se e," succ h i ando" fuori deg l i elettro n i v i n colati nel c i rcu ito di controllo. Ciò crea d e l l e n u ove lacune n e l l a base, ten dendo a riprist i n are il g i u sto n u mero di lacu ne e abbassando l a pressione d i tensione deg l i elettro n i nella base. Con q u esto ab bassa mento d e l l a barriera, forn ita dalla p ressione deg l i elettro n i , ri p rende la corrente di elettron i d a l l 'emettitore al co l lettore. Per og n i elett rone richiamato dalla base, ti pi camente, 50 e l ettro n i passano dall'emettitore al co l l ettore pri m a che uno d i essi ca da i n u n a l ac u na. Così la p i ccola co rrente di base contro l l a proporzional mente la m ag g i o r corrente di lavoro.
Abbiamo ancora molto da d i re su l le caratteristi che dei transistori ma, prima, ved iamo come sono fatti .
C O M E VENGONO COSTR UITI l SEMICON DUTTOR I?
La costruz ione dei semicond uttori può essere sudd ivisa i n tre operazioni fon damenta l i . Per prima cosa viene la preparazione del materiale, che consiste nel pro d u rre del si l icio (o del germa n i o o certi com posti d i semicond uttori) p u re monocri sta l l i n o (a un solo crista l l o) , opportu namente "d rog ato" come tipo N e tipo P nelle
reg i o n i desiderate. La seconda operazione è l'assemblaggio meccanico. l m i n usco l i
c h i p d i u n crista l lo, opportunamente " d rogato",devono ven i r corredati di fi l i term i nal i , così da poteri i col l egare nei c i rcuiti elettrici del sistema e il dispositivo deve ve n i r racchi uso entro u n a custod ia per protaggerlo da eventual i dan n i e conta m i n a zion i . Terzo, i l prodotto deve ven i r provato per assicu rarsi del suo buon fu nzio na mento.
Adesso, diamo u n o sguardo p i ù dettag l i ato ai processi d i costruzione c h e for niscono i l g ran vol u m e d i prodotti semicond uttori ri c h i esti dai moderni siste m i elet tro n i c i .
COM E V I E N E PREPARATO I L MATER IALE?
Alcu n i costruttori d i sem i cond uttori comi nciano con il tricloros i l ane, u n com posto c h i m ico l i q u ido che contiene una gran q uantità d i s i l i cio, il q uale, a sua volta, è stato estratto dalla sabbia ord i n aria. La prima operazione consiste nel pu rificare q uesto s i l icio g rezzo medi ante u n trattamento c h i m i co, ottenedone del s i l icio me tal l ico pol i c ristal l i no puro ("policristal l i no" sign ifica "fatto d i molti crista l l i d iversi" e anche u n u n ico m i n uscolo pezzo d i q uesto materiale ha molti crista l l i , tutti mescola ti a l l a ri nfusa) . A l l a T I d i Dallas, per esem pio, abbiamo u n o stabi l i mento c h i m ico i n c u i viene raff i n ato molto d e l sil icio per sem i cond uttori usato i n tutto i l mondo. M olti costruttori di sem i cond uttori com prano i l s i l icio in questa forma raffinata, ma esso è p u r sempre po/icrista l l i no. Occorre pertanto u n u lteriore trattamento.
La fase successiva di preparazione del materiale è chiamata "coltivazione (o accresci m ento) del c ristal lo" ( F i g u ra 7 .4) . Scopo d i q u esta operazione è d i prod u rre
SEME C R O G I O LO CRISTALLI N O A B Figura 7.4 c , CR ISTALLO OTTEN UTO PER ACCRESCIM ENTO
del si l i cio monocrista l l i n o (" monocrista l l i no" s i g n ifica una disposizione ord i n ata e conti nua di atom i per formare u n cristallo). l n questo processo, una certa q uantità di s i l i c i o policrista l l i no viene fusa i n u n crog i uolo avente c i rca l e d i mensioni d i u n a taz za da tè. S uccessivamente, un piccolo seme di si l i cio mon ocrista l l i n o (avente ci rca le d i mensi o n i di u n a gomma da cance l lare) viene calato nel crog i uolo quel tanto che basta per toccare la su perficie del sil icio fuso. Poichè il seme è più freddo, il sii i cio fuso com i ncia a crista l l izzarsi sul seme, riproducendo la struttura crista l l i n a del seme stesso. C rescendo, esso ri mane monocrista l l i no. I l seme viene, lentamente ma conti n u amente, sollevato via dal meta l l o fuso e u n a q uantità sem pre mag g i ore del m ateri ale fuso si accu m u l a fo rmando u n g rosso cristallo. Per mantenere u n ifor
me l 'accrescimento, i l c rista l l o e i l rec i p iente ven gono fatti ruota re i n d i rezi o n i oppo ste, man mano che i l cristallo viene ti rato su.
Il prodotto fin ito è u n c i l i n d ro dalle d i mensioni d i u n a carota, che contiene ab bastanza sil icio monocristal l i no puro da forni re m i l ioni di transistori o di diodi, q uan do viene segato in m i n usco l i chip. I n ciasc u n o dei c h i p , tutti g l i ato m i sono a l l i n eati esattamente nella g i u sta confi g u razione, o reticolo crista l l i no, per produ rre un se m i cond uttore.
S uccessivamente, q u esto s i l icio p u ro deve ven i r trattato i n modo da avere del materiale d i t i po P e del m ateriale d i t i po N al posto g i u sto. V i sono parecch i modi per ottenere ciò, ma tutti cadono in tre categorie: g i u nzione ad accresci mento, g i u nzio ne a lega e g i u nzione a d iffusio ne.
COME D I FA, CON LA TEC N I CA DELLA "GIUNZIONE AD ACCRESCIMENTO" A PRODURRE MATERIALE DI TIPO P E D I T I PO N?
Ci sono due modi per far crescere le g i u nzioni PN: partendo d a s i l icio fuso, o
per deposizione partendo da u n vapore (epitass i al e) . I l m etodo per fusione non è p i ù molto usato, ma è stato i l pri mo m etodo di prod uzione usato per fare dei transi stori al german io e i l pri m o m etodo per fare dei transistori al s i l icio. l m m ag i n i amo la stessa attrezzatu ra i n d i cata i n F i g u ra 7 .4. S u pponiamo che il materi ale fuso nel cro giuolo sia g ià " d rogato" per prod u rre del m ateriale di t i po N . Dopo aver otten uto al cuni crista l l i d i t i po N , s i l ascia cadere nel s i l icio fuso u n a past i g l i a di i m pu rità del ti po P ( c i rca delle d i m ensioni della capocchia d i uno s p i l l o ) . La pastigl ia, cance l l a precisamente g l i effetti del l ' i m p u rità d i tipo N e f a si che i l crista l l o cominci a formare una reg ione d i m ateriale di tipo P . Dopo pochi secon d i - stabi l iti con precisione - la reg ione P ha rag g i u nto lo spessore di c i rca u n m ezzo m i l les i m o d i poll ice ( 1 2,7 m i cron) e si lascia cadere u n a past i g l i a d i materiale d i tipo N . Questa cancel la i l t i po P e i l crista l l o rico m i ncia a far crescere del materiale d i tipo N . I l risu ltato è una struttu ra N P N . Essa è molto s i m i le a u n sandwich, con u n o strato sotti l e di materiale del tipo P fra due strati spessi d i materi ale del t i po N . E com e u n sandwich viene tag l i ato i n m i n usco l i tramezz i n i da aperitivo, ciasc u n o avente g l i stess i tre strati , i l crista l l o a g i u nzione per accresci m ento può ven i r tag l i ato i n molte sbarrette contenenti g l i stessi tre strat i .
CLORURO D I S I L I C I O
E B O R O GASSOSO SI LI CIO E BORO
DEPOSITATI PIASTRINA D I SILICIO N CLORO E M ESSO TO P OTTENUTO ACCRESCIM ENTO ASSIALE PER EPIT
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PIASTRA Figura 7.5Oggig iorno, u n m etodo molto p i ù usato per ottenere u na g i u nzione ad acc re sci mento è q u e l l o chiamato a "crescita ep itassiale" ("epitassiale" s i g n ifica cristallo otten uto per accresci m ento a part i re da u n vapore ) . In q u esta tecn ica, l a pri m a ope razione consiste nel far crescere una sbarra completa di s i l icio, per esempio a " d ro gag g i o" di t i po N. La sbarra viene q u i n d i segata in d ischi sott i l i o "wafer" , in modo si mile a quando si affetta una pag notta. Ogni d isco viene molato per renderlo piatto e l ucidato fino ad essere levigato come u no specchio. U na piastri na d i tipo N viene
posta su u n a piastra riscaldata i n u na camera chi usa, co m e i n F i g u ra 7.5. La pi astri na viene riscaldata dal d isotto. S i pompa nella camera del cloruro di s i l i cio gassoso. Q uando il gas colp isce la piastri na di si l ici o calda, esso s i decom po n e e l asc ia del si l icio monocrista l l i n o depositato su l l a piastri na. Poichè il gas, in q u esto caso, avrà u na piccol a quantità d i i m p u rità del tipo P, come i l boro, lo strato cresci uto epitas sialmente sarà del tipo P . l n qu esto modo abbiamo otten uto u n a g i u nzione P N . I l p i ù d e l l e volte l'accresci mento epitassiale non v i e n e portato p i ù oltre e l'altra reg i o n e N viene ag g i u nta con la tec n i ca d i d iffusione, che stu d ieremo poi.
COME SI PRODUCONO LE G I U N Z I O N I COL M ETODO D ELLA LEGA?
I l secondo m etodo fondamentale per produ rre d e l l e g i u nz i o n i per sem i con d uttori è i l metodo a lega. Benchè questo metodo sia stato usato per produ rre m i l i ar d i d i transistori e d i diodi al germanio, relativamente poc h i d i s positivi al s i l ico ven gono fatti in q uesto modo, principal mente a causa dei prob l e m i che sorg o n o i n segu ito al l'elevato pu nto d i fusione d e l s i l icio. Tuttavia, per evitare confus i o n i , fare
mo uso, per spiegare il processo, di un d iodo al s i l icio a lega.
Nella tecn ica a l ega, la pri m a operazione fatta consiste nel coltiva re un c ristal lo del tipo N. S u ccessivamente, i l crista l l o viene tag l iato i n p i astri ne, e le piastri ne vengono poste su u n vassoio piatto ( Figura 7.6) . S u l l a piastri na viene posato u n d i sco d i g rafite avente l o stesso diametro della piastri na stessa. I n q u esto d i sco sono stati praticati molti forel l i n i . In ciascuno d i q u esti forel l i n i viene col l eg ata una m i n u sco la pal l i n a d'al l u m i n i o pu ro, i n m o d o t a l e c h e l e pal l i ne pog g i n o s u l s i l ici o. L'a l l u m i n io, proprio come i l boro, è u n ' i m p u rità di t i po P - così l e pal l i n e d i al l u m i n io, i n questo caso, servono d a " d rogaggio" d i t i po P .
PALLI N E D I ALLU M I N I O D I S C O D I G RAFITE
NEI FORI
PIASTR INA D I SILICIO
Figura 7.6
Il vassoio con la p iastri na, il d i sco di g rafite e le pal l i n e di al l u m i n io , vengono
posti i n u n forno, che è a tem peratu ra abbastanza alta d a far fondere l'al l u m i n io. U na
parte dell'al l u m i n i o fuso sciog l i e u n pò del s i l icio sottostante - proprio come u n a goccia d'acq ua che resta su u n cu betto d i zucchero sciog l i e u na parte del l o zucc he . ro. A q u esto pu nto, l'al l u m i n io fuso si m escol a con i l s i l icio. Diciamo che l'al l u m i n i o
I l complesso viene poi tolto dal fo rno e l'al l u m i n i o s' i n d u risce. Ciò lascia del l'al l u m i n i o p u ro i n alto, una lega d i a l l u m i n i o-si l i cio nel mezzo (la nostra reg ione P) e
i l nostro origi nario s i l icio d i tipo N sul fondo.
S u ccessivamente, pe r evitare u n corto c i rcu ito fra l'al l u m i n i o e il silicio d i tipo N i ntorno al bordo del pu ntino, l'i ntera piastri na viene i m mersa o risciacq uata i n un acido che sciog l ie i l s i l icio ma non l'al l u m i nio. Con ciò si e l i m i n a la s u perficie d i si li cio fuorchè dove esso è protetto dal la pal l i n a di a l l u m i nio.