Table Of ContentLa cultura è un bene dell'umanità ([email protected])
COLLANA SCIENTIFICA TELETTRA
diretta da
GUIDO VANNUCCHI
La cultura è un bene dell'umanità ([email protected])
La cultura è un bene dell'umanità ([email protected])
fil telettra
EDIZIONI SCIENTIFICHE
TEORIA DEI DISPOSITIVI
A SEMICONDUTTORI
UNA INTRODUZIONE FENOMENOLOGICA
E. DE CASTRO
Istituto di Elettronica
Facoltà di Ingegneria
Università di Bologna
PÀTRON EDITORE - BOLOGNA 1983
La cultura è un bene dell'umanità ([email protected])
Copyright © 1983 by Telettra
I diritti di traduzione, di riproduzione e di adattamento,
totale o parziale, con qualsiasi mezzo (compresi i micro
film e le copie fotostatiche) sono riservati per tutti i Paesi.
Prima edizione, maggio 1983
Ristampa
5 4 3 2 o 1986 1985 1984 1983
Stampato nello Stabilimento Editoriale Pàtron
40127 Quarto Inferiore - Bologna
La cultura è un bene dell'umanità ([email protected])
PREFAZIONE
Come già annunciato in occasione dell'uscita del primo volume
(«Prospettive della Superintegrazione») della Serie «rossa» «Fisica e
Tecnologia dei Componenti» della Collana Scientifica Telettra, la pre
sente opera del prof. Ercole De Castro dal titolo «Teoria dei dispositivi a
semiconduttori. Una introduzione fenomenologica» va considerata, an
che se esce con un po' di ritardo, il naturale capostipite della serie tec
nologica della Collana stessa in quanto ricopre tutti i concetti generali al
la base della teoria dei dispositivi elettronici allo stato solido.
Si tratta di un'opera nella quale lAutore ha raccolto, ampliandolo in
modo significativo, il materiale didattico preparato per una serie di corsi
di aggiornamento tenuti alcuni anni fa presso i Laboratori Telettra.
Ouest' opera costituisce la base per la comprensione dei dispositivi
fondamentali ed è propedeutica ad altri volumi della serie Tecnologica
della Collana dedicati a specifiche classi di dispositivi che ad essa si rial
lacciano.
La trattazione della materia, pur conservando tutto il rigore necessa
rio, è'tale da rendere agevole la comprensione anche a chi non abbia in
precedenza affrontato lo studio della Fisica dello stato solido. Confido
pertanto che quest'opera, che arricchisce la Collana Scientifica Telettra,
possa costituire un utile volume di consultazione per tutti coloro che
operano nel campo delle telecomunicazioni e che, pur non essendo spe
cialisti della materia, sentono la necessità di avere una conoscenza più
approfondita del funzionamento di tutti quei dispositivi a semiconduttori
che costituiscono oggi il cuore degli apparati elettronici.
Guido Vannucchi
aprile 1983 Direttore della Collana
La cultura è un bene dell'umanità ([email protected])
La cultura è un bene dell'umanità ([email protected])
INTRODUZIONE
Questa introduzione fenomenologica alla Teoria dei dispositivi a se
miconduttori riproduce, con notevoli ampliamenti, un Corso che da
quindici anni a questa parte ho avuto occasione di tenere più volte pres
so i Laboratori di ricerca e sviluppo della Telettra.
L'insegnamento, di carattere monografico, è destinato a giovani lau
reati impegnati in attività assai qualificate in vari settori dei sistemi di te
lecomunicazione e desiderosi di apprendere o di rinfrescare le proprie
conoscenze sulla teoria dei dispositivi elettronici allo stato solido, di cui
si compongono i microcircuiti che Essi adoperano quotidianamente.
Si tratta dunque non già di formare giovani da awiare alle attività
specializzate di progettazione dei dispositivi e dei circuiti .integrati, ma di
portare nel più breve tempo possibile dei professionisti severamente se
lezionati e già awiati alle attività sistemistiche ad una conoscenza ragio
nevolmente approfondita dei modelli matematici della teoria dei disposi
tivi e della loro applicazione allo studio dei più importanti componenti a
semiconduttori, come premessa di un successivo approfondimento dei
processi tecnologici e delle problematiche di affidabilità dei circuiti inte
grati.
li limitato tempo disponibile (intorno a trenta ore) impone d'altra par
te pesanti tagli rispetto a quanto è possibile e doveroso fare nel normale
insegnamento universitario. Di qui, da un lato, l'approccio pressoché
esclusivamente fenomenologico ai suddetti modelli matematici, che in
duce ad una accurata scelta degli esperimenti su cui fondarli
(esperimenti che vengono interpretati con le leggi della Fisica Classica) e
ad una non meno accurata scelta degli esperimenti da tacere, per non
incappare in imbarazzanti contraddizioni, che impongono l'uso della
La cultura è un bene dell'umanità ([email protected])
8 Introduzione
Teoria Quantistica; d'altro lato il criterio di definire bensì il modello ma
tematico in termini piuttosto generali, ma di farne le applicazioni ai di
spositivi della pratica mediante drastiche semplificazioni, che ne rendo
no agevole la soluzione per via analitica pur consentendo di cogliere i
fatti essenziali e di stimare correttamente almeno l'ordine di grandezza
delle variabili in giuoco. Di tanto in tanto, dove mi è sembrato opportu
no, un cenno ai risultati delle analisi numeriche dà punti di riferimento e
conforta nell'attento uso delle approssimazioni.
I dispositivi considerati sono quelli di gran lunga più importanti nelle
applicazioni: i bipolari e gli unipolari ad effetto di campo sia del tipo a
giunzione od a barriera Schottky (JFET e MESFET), sia del tipo MOS,
con cenni ai processi ed ai problemi della tecnologia planare del Silicio,
che ha reso· possibili i circuiti integrati.
Il volume si chiude con una breve panoramica, che è insieme di sin
tesi e di prospettiva dell'evoluzione della Microelettronica, la quale pro
gredisce senza soste e, di decennio in decennio, rivoluziona in profondi
tà il modo stesso di pensare, oltre che quello di costruire e di applicare i
sistemi elettronici in una ormai enorme varietà di applicazioni.
La cultura è un bene dell'umanità ([email protected])
ENGLISH SUMMARY
The essentials of the theory of semiconductor devices is presented mainly
from a phenomenological point of view. The reason tor such an approach, in
spite of its limitations, is due to the need of providing in a short time the mathe
matical model of the device theory. In fact this book has grown from lectures
delivered to a number of system engineers of Telettra, as a prerequisite tor fur
ther training in the areas of Silicon device technology and of reliability.
The first three chapters are devoted to the fundamental properties of semi
conductor materials, to a qualitative description of ohmic contacts and of pn
junctions and finally to the development of the mathematical model of semicon
ductor devices.
Chapter 4 gives an idea of what semiconductor Physics is and presents a
short summary of its more relevant results. Chapter 5 deals with pn junctions in
equilibrium. In Chapter 6 band bending is defined and exploited in the explana
tion of depletion, accumulation and inversion phenomena at metal
semiconductor interfaces; consequently the performance of such junctions as
ohmic contacts and Schottky barriers can be understood. Chapter 7 deals with
the important concept of recombination centre and with the definition and mea
surement of carrier lifetimes.
Chapters from 8 to 12 are devoted to a fairly accurate study of the behaviour
(both static and dynamic) of pn junction diodes and of their ability to work as
rectifiers, mixers, varactors or Zener diodes. JFET's and MESFET's are studied
in chapter 13, where the limitations of the tormer and the high-frequency perfor
mance of the latter are derived from a simple inequality that gives lower and up
per bounds of their gain-bandwidth product.
Chapters 14 and 15 deal with bipolar transistors both from a qualitative and
quantitative point of view; in particular Ebers-Moll relations and Giacoletto equi
valent circuit are derived from the basic equations of the theory, making use of
suitable approximations and of the hypothesis of abrupt junctions.
La cultura è un bene dell'umanità ([email protected])
