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Advanced techniques for high temperature system-on-chip

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Valutazione dei transistor a effetto di campo ad elevate temperature

La sicurezza e l'efficienza dei sistemi elettronici utilizzati in molti settori dell'industria deve essere garantita anche nel funzionamento in presenza di elevate temperature. Il progetto ATHIS ha studiato il comportamento dei transistor a effetto di campo a tali temperature.

Tecnologie industriali

Il transistor a effetto di campo a semiconduttore metallo-ossido (MOSFET) è un dispositivo utilizzato principalmente per l'amplificazione di segnali elettronici. Costituisce la pietra angolare di tutti i circuiti integrati, e può essere utilizzato anche in circuiti analogici. Un DMOS (Double-diffused Metal Oxide Semiconductor) è un potente MOSFET presente in qualunque amplificatore audio. La parola 'metallo' nel nome di questi dispositivi ha una valenza puramente storica. La componente metallica, in realtà, è stata sostituita da silicio policristallino. I dati per i parametri caratteristici di funzionamento, quali una specifica resistenza dello stato On, la tensione di soglia e la corrente di fuga di tali dispositivi di potenza a semiconduttori, in genere sono disponibili solo per temperature che non superano i 150°C. Al giorno d'oggi, tuttavia, i circuiti devono funzionare in ambienti a temperature elevate, spesso superiori ai 200°C, in numerosi settori dell'industria high-tech, ad esempio nel settore aerospaziale, nell'avionica, nella marina e nell'industria petrolifera. Il progetto ATHIS ha condotto una ricerca approfondita del comportamento di transistor VDMOS (Vertically DMOS), reperibili in commercio, a temperature superiori a 150°C. Il transistor VDMOS è una forma speciale di transistor DMOS con due tipi di elementi droganti, generalmente il fosforo e l'arsenico, coimpiantati nella regione di svuotamento. I VDMOS presentano il vantaggio di una minore resistenza dello stato On e una dimensione laterale inferiore rispetto ai transistor DMOS. A causa dell'elevata tensione di intervento, questo tipo di transistor generalmente viene utilizzato per dispositivi di potenza, ad esempio nell'elettronica applicata agli autoveicoli. Nel corso dello studio, i partner del progetto hanno ottenuto molti dispositivi MOSFET a bassa tensione e a bassa resistenza nello stato On con temperature di funzionamento superiori a 175°C. Per aumentare la temperatura di funzionamento fino a 200°C, le modifiche necessarie sono state indicate da simulazioni numeriche della cella elementare di un MOSFET. L'alterazione della distanza tra i diodi della cella, la riduzione dell'area di giunzione epitassiale, l'impiantazione ad alta dose nella regione del canale e un pacchetto più efficiente hanno consentito un corretto funzionamento alle temperature richieste.

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