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SOMMARIO
I transistor sono dispositivi caratterizzati da elevate prestazioni ed affidabilità, le cui peculiarità li
hanno resi essenziali nello sviluppo di numerose discipline e di diversi ambiti di ricerca,
dall’elettronica all’automazione industriale, dalla robotica all’industria aerospaziale. Sono, in
definitiva, alla base di quella rivoluzione tecnologica che, a partire dal secondo dopoguerra, ha
profondamente mutato lo stile e la qualità della vita dell’uomo. Ad oggi, sono disponibili in
commercio transistor di diverse tipologie, forme e dimensioni, ciascuno specifico per una
determinata applicazione (MOSFET, IGBT, SCR, ecc). Il mercato e’ tuttavia indubbiamente
dominato dai transistor MOSFET, data la loro estrema versatilità. Relativamente semplici da
realizzare con gli attuali processi di fabbricazione, utilizzabili in un notevole numero di
applicazioni e generalmente interessati da pochi elementi parassiti, questi dispostivi sono infatti
il cuore dei circuiti integrati e delle memorie a semiconduttore ad alta densità di integrazione
presenti nei comuni Personal Computer, nonché dei circuiti digitali in generale. Le loro
caratteristiche hanno permesso la produzione a costi ridotti di sistemi complessi e con un gran
numero di transistor. Il grande vantaggio dei MOSFET risiede nel fatto che, idealmente, quando
sono spenti non permettono alla corrente di scorrere e ciò si traduce in una bassa dissipazione
di potenza. Considerata dunque la continua crescita a livello mondiale della richiesta di tali
componenti, risulta chiaro come si renda indispensabile verificarne il funzionamento in base
alle esigenze di utilizzo. Tutto ciò porta alla necessità di condurre test grazie ai quali sia
possibile analizzare in maniera chiara le variazioni dei parametri dei dispositivi stessi dai loro
valori nominali, al mutare di fattori di varia natura come temperatura, umidità, grado di
polarizzazione ecc. In tale modo si possono generare datasheet completi e precisi, che
aiutino a velocizzare la scelta degli utenti in base alle loro esigenze, evitando inutili
rallentamenti nella catena produttiva.
Con il presente documento, si intende in particolare effettuare, mediante apposito set-up
sperimentale, la caratterizzazione di un MOSFET di potenza agli effetti della temperatura. Dopo
un’introduzione relativa ai MOSFET e ai MOSFET di potenza, nonché all’ambiente di sviluppo
del programma utilizzato, LabView, saranno analizzate la strumentazione e la postazione di
laboratorio, descritti i vari passaggi dell’esperimento e infine presentati i risultati del test
condotto. Questi risultano utili per verificare il corretto funzionamento del dispositivo, ma
principalmente per testarne l’affidabilità e la qualità, indicazioni fondamentali per stimare la vita
utile e le prestazioni dei sistemi di cui tali componenti faranno parte.
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INTRODUZIONE
Per qualità (quality) di un transistor si intende la sua capacità di mantenere pressoché inalterate
le sue principali figure di merito (tensione di soglia e tranconduttanza), al variare delle condizioni
esterne (temperatura, umidità, ecc) e di polarizzazione.
Per affidabilità (reliability) si intende la capacità di presentare buoni livelli di qualità per tutta la
sua vita utile stimata. Rappresenta perciò una misura della durata dell’intervallo di tempo che
intercorre fra due guasti successivi, quindi della bontà del servizio reso (vedi appendice A).
Essendo fondamentale utilizzare dispositivi il più possibile immuni da fallimento, sono stati ideati
nel tempo una serie di esperimenti e test tali da verificarne il corretto funzionamento.
A livello internazionale, gli standards e linee guida per lo svolgimento dei suddetti test sono
forniti dallo JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council) e dall’AEC (Automotive
Electronics Council). Seguendo le direttive da questi imposte, un dispositivo per potersi
considerare commerciabile, dovrà essere sottoposto a determinate verifiche:
● HTGB (High Temperature Gate Bias);
● HTRB (High Temperature Reverse Bias);
● NBTS (Negative Bias Temperature Stress);
● THBS (Temperature Humidity Bias Stress Test);
● HS (Hot Storage);
● TMCL (Temperature Cycling);
● Thermal Fatigue o Power Cycling;
● UHST (Unbiased Humidity Stress Test)
Come si può notare, la maggior parte dei test ha come parametro chiave la temperatura.
Questo perché la temperatura può variare nel tempo anche in modo significativo, a causa delle
condizioni esterne (ambientali) o interne ai circuiti, legate queste ultime al surriscaldamento e
alla dissipazione di potenza che caratterizza tutti i dispositivi a stato solido. Tali variazioni si
ripercuotono sul comportamento del transistore, che vede modificare i valori dei propri parametri
principali.
Risulta chiaro che queste variazioni, se incontrollate, determinano malfunzionamenti dei sistemi
complessivi: si prenda ad esempio il caso di una memoria a semiconduttore di tipo flash
EEPROM.
Banalizzandone il funzionamento, possiamo dire che in una tal memoria risulta fondamentale la
possibilità di cancellare e programmare le celle (di tipo ETOX, ciascuna costituita un transistor
FLOTOX, ovvero a gate flottante) agendo sulla tensione di soglia dei dispositivi: la fase di
programmazione della cella prevede l’iniezione a valanga degli elettroni, che passano dal
canale di gate al gate flottante (essendo questi separati da un sottile strato di biossido di silicio
detto ossido di tunnel) e ciò porta ad un incremento della tensione di soglia, che diviene
superiore alla tensione di alimentazione; la fase di cancellazione avviene mediante l’estrazione
degli elettroni stessi dal gate flottante, che, per effetto tunnel, ritornano al canale, determinando
una diminuzione di V
T
.
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La temperatura modifica la tensione di soglia di un transistor. Se dunque un tal sistema si
trovasse ad operare a temperature significativamente diverse da quelle nominali, il contenuto
delle sue celle potrebbe essere modificato dalle conseguenti variazioni di V
T
dei dispositivi.
La temperatura inoltre agisce, nei confronti dei dispositivi a semiconduttore, come un agente
accelerante di tutti i fenomeni di degrado e recupero. Si pensi al test denominato NBTS
(Negative Bias Temperature Stress): esso prevede di analizzare le variazioni dei parametri del
transistor, conseguenti all’applicazione di tensioni di gate negative molto elevate. Segue un
tempo di recupero (recovery), durante il quale la polarizzazione del gate viene ridotta ed i
meccanismi di danneggiamento indotti dagli elevati campi elettrici vengono (parzialmente)
compensati. La temperatura viene mantenuta alta (circa 150°C) sia durante lo stress che
durante il recovery, al duplice scopo di ridurne i tempi di sviluppo ed introdurre un ulteriore
effetto stressante.
Conoscere il comportamento dei dispositivi all’interno di un fissato range entro cui si ritiene
probabile vari la temperatura, consente di scegliere quello più adatto alla specifica applicazione;
oppure, dato un certo dispositivo, è possibile modificare la temperatura in modo da ottimizzarne
il funzionamento.
Essendo poi le temperature cui sono sottoposti i dispositivi durante il test, generalmente
responsabili della cosiddetta “mortalità infantile”, ovvero, della parte iniziale, ad alto tasso di
guasto, della curva a vasca da bagno relativa all'affidabilità dei componenti, tali verifiche si
rendono indispensabili per individuare quelli che andrebbero incontro a guasti se messi in
servizio (fase di rodaggio).
Ora, portando a compimento il lavoro iniziato da altri studenti, ci si propone di collaudare e
testare un MOSFET di potenza a canale p ai sensi delle variazioni di temperatura.
Nello specifico, l’elaborato si compone di quattro parti:
1. la prima (capitolo 1) ha carattere introduttivo ed in essa vengono descritte le peculiarità e le
principali grandezze che caratterizzano i transistor MOSFET e MOSFET di potenza;
2. nella seconda (capitolo 2) viene presentata l’implementazione software del test di laboratorio,
preceduta da informazioni di base relative all’ambiente di sviluppo del programma usato per
realizzare l’esperimento, LabView;
3. nella seconda (capitolo 3) vengono illustrati il set-up sperimentale, la configurazione hardware
della postazione di misura e poi descritti i vari passaggi dell’esperienza di laboratorio.
4. infine, la quarta parte (capitolo 4) si occupa di esporre e commentare i risultati ottenuti.
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CAPITOLO 1
I MOSFET
Nel campo ingegneristico è noto che concepire una costruzione complessa senza una
conoscenza preliminare degli elementi costruttivi di base porta a sicuro insuccesso.
Obiettivo di questo capitolo è allora quello di fornire la conoscenza necessaria relativa ai
transistor MOS, in quanto componenti basilari dei circuiti digitali odierni, in qualità di interruttori,
di circuiti analogici, in qualità di amplificatori e, a livello industriale, essi rappresentano il cuore di
alimentatori e convertitori di potenza.
Verrà data una descrizione funzionale del modo di operare dei dispositivi, in modo da metterne
in evidenza le proprietà e i parametri di particolare importanza, da cui poter astrarre modelli
relativamente semplificati del comportamento del dispositivo. Tali modelli, estremamente utili
perché permettono di non tenere in considerazione tutti gli aspetti fisici di ogni singolo
componente durante la progettazione di un sistema complesso, vanno però intesi come
un'approssimazione più o meno accurata del funzionamento del dispositivo, basandosi su
parametri nominali che nella realtà variano al variare della temperatura e a seconda della
tecnica di fabbricazione usata. Modelli più accurati dovrebbero, quindi, tener conto anche di
effetti parassiti del secondo ordine.
1. Struttura e regioni di funzionamento del MOSFET
Il transistor ad effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore (Metal-Oxide-Semiconductor
Field-Effect Transistor, MOSFET o in breve MOS) è un dispositivo a semiconduttore realizzato
in silicio. Come indicato in fig.1.1, presenta 4 terminali: gate, source, drain e body (substrato).
Figura 1.1 – Struttura di un MOSFET a canale n
Il nucleo della struttura del transistor è rappresentato dal condensatore MOS. Esso è formato da
uno strato di metallo, generalmente alluminio, o silicio policristallino, costituente l’elettrodo di
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gate, sovrapposto ad uno strato isolante, solitamente biossido di silicio, che prende il nome di
ossido di gate. Il biossido di silicio presenta eccellenti caratteristiche isolanti e può essere
ottenuto facilmente tramite ossidazione termica del sottostante substrato in silicio.
Il silicio utilizzato è di tipo estrinseco, ovvero drogato con atomi di impurità. Si possono
distinguere allora due tipi di MOSFET: il transistor NMOS o a canale n, formato da regioni di
drain e source di tipo n+ circondate da un substrato di tipo p, e il transistor PMOS o a canale p,
con substrato di tipo n e regioni di source e drain di tipo p+. Nei primi, la corrente è costituita
dagli elettroni che si muovono nel canale di tipo n dal source al drain, nei secondi la corrente è
costituita da lacune che attraversano il canale di tipo p.
In particolare,la tensione applicata al terminale di gate determina se e quanta corrente scorre
tra i poli di source e drain. Il substrato rappresenta il quarto terminale del transistor e presenta
l’unico effetto di modulare le caratteristiche e i parametri del dispositivo.
Quando viene applicata al gate una tensione maggiore di un determinato valore critico (la
tensione di soglia V
T
), si forma un canale conduttivo tra drain e source. In presenza di una
differenza di potenziale tra questi, si ha un flusso di corrente. La conducibilità del canale è
modulata dalla tensione di gate: maggiore è la differenza di tensione tra gate e source, minore è
la resistenza del canale conduttivo e quindi maggiore è la corrente. Quando la tensione di gate
è minore della tensione di soglia, il canale conduttivo non è presente.
Per la derivazione del modello statico del transistor MOS possiamo focalizzare l’attenzione sul
dispositivo NMOS (tutte le considerazioni sono valide anche per il PMOS, con l’unica
accortezza di invertire la polarità delle tensioni e la direzione delle correnti).
Consideriamo dapprima il caso di una tensione Vgs negativa e drain, source e body connessi a
massa. Il drain ed il source sono connessi tra loro da due giunzioni pn in serie con l’anodo in
comune (configurazione back-to-back). È importante che tali diodi siano polarizzati
inversamente durante il normale funzionamento del transistor (per evitare l’iniezione di portatori
nel substrato) e ciò si può ottenere polarizzando opportunamente il body, connettendolo a
massa nei dispositivi NMOS e alla tensione positiva di alimentazione nei PMOS.
Nelle condizioni di polarizzazione ipotizzate, si verifica, all’interfaccia ossido-silicio, un accumulo
di lacune (cariche positive), che può essere assimilato ad una distribuzione superficiale,
conseguente ad un accumulo di elettroni sul gate (condizione detta di accumulamento). Man
mano che la tensione Vgs aumenta, le lacune mobili vengono respinte e la zona sotto il gate
risulta completamente svuotata da portatori liberi: si forma quella che viene chiamata regione di
svuotamento.
Superato un determinato valore critico da parte di Vgs, si ha l’inizio di un fenomeno conosciuto
con il nome di forte inversione: la superficie del semiconduttore infatti si inverte e diviene di tipo
n, determinando la formazione di uno strato superficiale di cariche negative, provenienti da
fenomeni di generazione elettrone-lacune all’interno della regione di svuotamento sottostante e
dalle diffusioni di source e drain, in definitiva un vero e proprio canale che collega le due
diffusioni.
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Il valore di Vgs per cui si instaura la forte inversione è detto tensione di soglia (threshold voltage
V
T
). V
T
è funzione di numerosi fattori, come lo spessore dell’ossido, la carica delle impurità
intrappolate alla superficie tra canale e ossido e, soprattutto, le condizioni di polarizzazione del
substrato. Per il suo calcolo possiamo sfruttare un parametro empirico V
T0
che equivale alla
tensione di soglia per Vsb = 0.
La tensione di soglia può essere espressa come:
V
T
= V
T0
+
-
(1.1)
Il parametro viene chiamato coefficiente dell’effetto body e quantifica l’effetto delle variazioni
di Vsb.
e’ invece il potenziale di Fermi, circa pari a -0,3 V per substrati in silicio di tipo p. Si
osservi che la tensione di soglia ha un valore positivo per un tipico transistor NMOS, mentre è
negativa per un normale transistor PMOS.
Fin qui si è visto che per Vgs < V
T
, il transistor è interdetto e non può condurre corrente,
essendo assente il canale tra source e drain. Per Vgs > V
T
invece si instaura un flusso di
corrente se presente una differenza di potenziale tra drain e source.
A seconda del valore assunto da Vds (con Vgs > V
T
), il transistor si trova ad operare in una
delle seguenti regioni: resistiva, di saturazione, saturazione di velocità.
● La regione resistiva o lineare
Sia Vgs > V
T
; consideriamo una piccola tensione Vds applicata tra drain e source. In questo
caso, si avrà un flusso di corrente dato dagli elettroni che si muovono dal source al drain.
Figura 1.2 – Modello del MOSFET per il calcolo delle caratteristiche i-v
In un determinato punto x lungo il canale, fig.1.2, la tensione è pari a V(x) e la tensione gate-
canale in tale punto vale Vgs - V(x). Assunta l’ipotesi che tale tensione superi la tensione di
soglia in ogni punto del canale, la carica per unità di area indotta nel canale al punto x può
essere calcolata con la seguente espressione:
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