Elettroni e Fotoni nei Semiconduttori

APRIAMO UN PC … I calcolatori sono macchine complesse; elaborano numeri, testi, suoni, immagini… Il “cervello” del calcolatore è costituito dalla CPU (unità centrale di elaborazione) o processore, che include al suo interno tutti i circuiti necessari per compiere le istruzioni elementari. computer motherboard CPU chip transistor 1 computer = 1 o + CPU 1 CPU = 1 chip 1 chip = 10 7 – 10 8 transistor 1 computer = 1 o + CPU 1 CPU = 1 chip 1 chip = 10 7 – 10 8 transistor Bussei 24 ore – Parma 21 febbraio 2003

Lo sforzo per raggiungere velocità di esecuzione delle istruzioni sempre maggiori ha portato alla realizzazione di processori sempre più complessi, con un numero via via crescente di moduli funzionali interni diversi. … la CPU o processore: sempre + veloci NomeDataTransistor mmmmMHz Pentium Pentium II Pentium III Pentium > > 3000 Transistor: ~ 1m 2 Chip: ~150 mm 2 Wafer:  300 mm Capello

… cosa è un transistor e come si collega con la fisica? I componenti microelettronici sono un po’ ovunque, fanno parte della nostra vita quotidiana: cellulari cellulari, telecomando della TV telecomando della TV, puntatore laser puntatore laser, lettoriMP3 lettori MP3, orologi al quarzo orologi al quarzo, sensori ottici delle macchine fotografiche digitali sensori ottici delle macchine fotografiche digitali, videocamere videocamere, … Il funzionamento di tutti questi apparecchi è stato possibile grazie alla comprensione delle leggi della fisica dello stato solido, in particolare dei … … semiconduttori

Un solido cristallino Le proprieta` di un materiale semiconduttore si possono capire tramite il modello del solido cristallino. In tale solido N atomi con n elettroni ciascuno si dispongono in una struttura ordinata e periodica. Gli elettroni piu` interni restano ben legati al nucleo dell’atomo, mentre quelli esterni sentono una forza risultante da TUTTI gli atomi del reticolo. Gli elettroni esterni non sono localizzati sul loro atomo, ma sono distribuiti su tutto il reticolo.

I semiconduttori, o semimetalli, sono elementi di “frontiera” e presentano proprietà intermedie fra i metalli (conduttori) e i non metalli (isolanti). Il silicio è un semiconduttore e la conducibilità di questo elemento può essere aumentata se alcuni nodi del suo reticolo vengono occupati da atomi di elementi del quinto gruppo (come arsenico o fosforo) o del terzo gruppo (come boro o alluminio). L’operazione di “ drogaggio ” consiste nell’introduzione delle impurezze per diffusione in forno ad alta temperatura ( °C) ponendo il silicio a contatto con un ambiente ricco dell’elemento specifico. Schematicamente si può dire che le proprietà che caratterizzano i semiconduttori sono le seguenti: a)sono sostanze non metalliche, di resistività variabile, e a temperature sufficientemente basse sono buoni isolanti b)la conducibilità elettrica dei materiali puri cresce rapidamente con la temperatura c)le proprietà elettriche sono molto sensibili al contenuto di impurezze caratteristiche d)sono fotoconduttori e)consentono la realizzazione di dispositivi attivi con applicazioni nel campo dell’elettronica e dell’optoelettronica. Michael Faraday : M. Faraday osserva che la conducibilità elettrica del solfuro d'argento e di altri materiali non metallici cresce all'aumentare della temperatura.

Conducibilità dei semiconduttori drogati Se un atomo si silicio viene sostituito da uno del quinto gruppo,che ha un maggior numero di elettroni esterni,l’elettrone in eccesso, non essendo impegnato in legami chimici, è libero di muoversi nell’ambito del cristallo in seguito a riscaldamento con un aumento della conducibilità (semiconduttore di tipo N con elettroni in eccesso, n indica la carica negativa). Se un atomo di silicio viene sostituito da un elemento del terzo gruppo che ha un minor numero di elettroni esterni, il quarto legame risulta incompleto con un buco o lacuna elettronica. Sotto l’azione di un campo elettrico si ha un movimento del buco elettronico dando luogo ad una corrente elettrica (semiconduttore di tipo P con lacune elettroniche, p indica la carica positiva o buco).

PROPRIETA’ FISICHE DELLA MATERIA bande di energia Larghezza banda : qualche eV Nella formazione dei solidi, gli orbitali atomici si fondono a formare orbitali cristallini, estesi a tutto lo spazio occupato dal solido. Gli elettroni di valenza nei solidi, dunque, non sono più legati ai singoli atomi, ma sono delocalizzati. A questi elettroni non corrispondono più singoli livelli discreti di energia, ma moltissimi livelli con valori vicinissimi l’uno all’altro, ossia distribuiti in modo quasi continuo in un certo intervallo dell’energia. A questa distribuzione si dà il nome di banda di energia. Le varie bande possono essere separate da intervalli di energia proibiti, che non possono essere occupati da alcun elettrone.

elettroni e lacune Nei semiconduttori per effetto della temperatura può accadere che la banda di valenza non sia completamente occupata. A livello pittorico possiamo immaginare che in un livello non occupato della banda di valenza sia presente una particella immaginaria, detta “buca” o “lacuna”. Una delle conseguenze inaspettate della teoria delle bande è che questa “particella” si comporta come se avesse carica elettrica positiva: sotto l’azione di un campo elettrico esterno accelera nello stesso verso del campo elettrico applicato.

Proprietà dei semiconduttori: impurezze (donori e accettori) Donore è un’impurezza che cede facilmente (“dona”) uno dei suoi elettroni di valenza alla banda di conduzione del semiconduttore. Un donore tipico è il fosforo (pentavalente). Il livello di energia dell’elettrone del P è all'interno del gap, poco al di sotto della banda di conduzione. Il semiconduttore è detto "di tipo n ", perché i portatori sono gli elettroni, di carica negativa. Un analogo discorso vale se invece dei donori sono presenti impurezze accettori, come ad esempio il boro che è trivalente. I tre elettroni di valenza del boro sono legati in modo covalente a tre atomi di silicio adiacenti, lasciando vacante il legame con il quarto atomo. Questo equivale a dire che una lacuna sta intorno al boro. Allora i portatori maggioritari sono le lacune e il semiconduttore è detto "di tipo p ", perché le lacune si comportano come particelle di carica positiva.

Giunzione p-n. zona di svuotamento o “depletion layer” diffusione Un semiconduttore omogeneo ad una data T si comporta come una normale resistenza, sia esso intrinseco o drogato. Le applicazioni pratiche dei semiconduttori, in generale si basano su monocristalli nei quali è stata artificialmente creata una variazione nel drogaggio più o meno brusca: una giunzione p - n Al campo elettrico che si crea fra le due zone si devono le importanti caratteristiche elettriche della giunzione: applicando un campo elettrico concorde a quello generato si pilota il flusso di elettroni e lacune in una sola direzione. Giunzione rettificante: esiste un solo verso per la direzione della corrente.. Epitassia da fasci molecolari Crescita dal fuso

Applicazioni della giunzione Una struttura costituita da una giunzione p - n con contatti ohmici agli estremi delle zone neutre p ed n è detto diodo a giunzione p - n. Fotodiodi al Si per l’UV e un diodo laser Struttura di una cella solare a giunzione struttura del LED struttura di un diodo laser a giunzione transistor dispositivi optoelettronici (emissione e rivelazione della radiazione) celle solari dispositivi a microonde

Il transistor bipolare a giunzione motivi del successo dei transistor funzionano utilizzando correnti e tensioni bassissime sono ordini di grandezza più veloci economici affidabili La proprietà più importante è la possibilità di fabbricare transistor di dimensioni microscopiche in forma integrata Il transistor bipolare a giunzione è il primo dispositivo elettronico attivo affidabile costruito sfruttando le proprietà fisiche dei cristalli semiconduttori giunzioni

Transistor ad effetto campo Giunzioni p-n e transistor a giunzione: dispositivi BIPOLARI Esistono anche transistor UNIPOLARI: - JFET - MOSFET - CMOS Transistor di questo tipo sono detti “ad effetto di campo” o FET (Field Effect Transistor). I vari tipi di transistor ad effetto campo agiscono come amplificatori controllati in tensione Vantaggi: - lavorano con un minimo consumo di energia - possono essere ultra miniaturizzati - consentono la memorizzazione di segnali (gate) Queste caratteristiche hanno favorito lo sviluppo di calcolatori tascabili orologi digitali Very Large Scale Integration (VLSI) microprocessori

Fine della legge di Moore? “ Il numero di transistor (e quindi la potenza di calcolo) raddoppia ogni 18 – 24 mesi” Le dimensioni dei transistor stanno raggiungendo fondamentali limiti fisici e tecnologici:LimiteSituazionePrevisioniProblemi Spessore dell’ossido di Si sotto il gate 2-3 nm  1.5 nm ~ Se diventa + sottile gli e - “tunnelano” Larghezza del gate130 nm 25 – 30 nm ~ 2010 Effetti di “canale corto” Tensione al gate1.2 – 1.5 volt  1 volt ~ Per tensioni minori il transistor non conduce correttamente Possibili soluzioni: Raffreddare i transistor a –40°C  2010 Design + efficiente dei circuiti  2010 Singolo computer su un unico chip  2010 – 2020 Sistemi multiprocessore, parallelizzazione  2020 …--  2020 Oltre? Opinioni contrastanti…

Può la luce provocare il movimento di e- ? Verso la fine del XIX°secolo gli esperimenti con la radiazione emessa dai corpi riscaldati (e successivamente altri nuovi effetti) evidenziarono i limiti della teoria classica.

Fenomeni fisici spiegabili con la teoria ondulatoria della radiazione EM: Diffrazione e Interferenza Le onde luminose che incidono ai bordi della fessura, infatti, non proseguono in direzione rettilinea, ma invadono la zona d’ombra, deviando di un angolo che dipende dalla lunghezza d’onda e dalle dimensioni dell’ostacolo Lo sparpagliamento della luce e la perdita di dettaglio dovuti alla diffrazione limitano le possibilità di ingrandimento utile dei microscopi, per cui i particolari di dimensioni inferiori a circa due millesimi di millimetro non sono osservabili con strumenti ottici comuni. Per limitare questo effetto è necessario utilizzare luce di lunghezza d’onda relativamente piccola, nella fattispecie luce ultravioletta.microscopi ultravioletta Polarizzazione Fenomeni fisici spiegabili con la teoria corpuscolare della radiazione EM: Radiazione emessa da un corpo nero effetto Fotoelettrico ed effetto Compton

La luce si comporta come un’onda: Figure di interferenza di onde acquatiche Figura di interferenza di onde luminose

La luce si comporta come una particella: Effetto fotoelettricoEffetto Compton

Lo spettro elettromagnetico 3.1 eV 1.6 eV keVMeV meV  eV

Effetto Fotoelettrico Non si spiega con la teoria ondulatoria! gli elettroni sono emessi istantaneamente Se aumento l’intensità della luce, cresce il numero di fotoni ma non la loro energia Se invio luce di lunghezza d’onda “rossa” o inferiore non accade nulla

Effetto Fotoelettrico II I fotoni “rossi” non possiedono energia sufficiente per strappare un elettrone

Le bande energetiche La natura regolare e periodica delle forze nel solido cristallino forza gli elettroni a distribuirsi nelle cosiddette “bande energetiche”. Se una banda (che ha un numero di “posti” fissato) e` piena, non da` luogo a conduzione elettrica. Nemmeno se una banda e` vuota da` luogo a conduzione elettrica. Pero` se una banda e` “mezza piena” o “mezza vuota”, essa da` luogo a conduzione elettrica.

Energy Gap Un isolante ed un semiconduttore (non-metalli) hanno sempre: n bande piene a bassa energia una banda piena ad energia maggiore, detta “banda di valenza”. una banda vuota, detta “di conduzione”, ad energia ancora maggiore EgEg

Isolanti e Semiconduttori Eg > 4 eV es. SiO 2 9 eV Si 3 N 4 5 eV C diamante5.6 eV etc. Eg < 4 eV es. Si1.1 eV Ge0.7 eV SiC 4H3.1 eV GaN W3.48 eV etc.

Interazione radiazione materia: Assorbimento Trasmissione e Riflessione Materiale illuminato esposto a un flusso di fotoni di frequenza, ciascuno dei quali ha energia h. Fascio di luce incidente Fascio di luce riflessa Fascio di luce trasmessa luce assorbita L’intensità del fascio incidente cala al crescere dello spessore di materiale attraversato Fascio di luce trasmessa Fascio di luce incidente << Cristalli isolanti: (quarzo, salgemma) sono trasparenti alla luce visibile Vetri colorati: sono trasparenti per certi colori (  di luce visibile) e ne assorbono altri Metalli: sono riflettenti e opachi

Dubbio atroce Cosa succede se l’energia del fotone Ep e` inferiore all’energy gap Eg ??? Eg Banda di valenza fotone E p <E g Nessuna transizione e` possibile, ed il fotone passa senza essere assorbito.