Metal Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor...
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Dispositivi elettronici
MMetaletal--OOxidexide--SSemiconductoremiconductorFField ield EEffect ffect TTransistor ransistor
((MOSFETMOSFET) )
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Sommario
• Come è fatto un MOSFET a canale n• Principi di funzionamento• Canale di inversione• Calcolo di ID vs VDS• Curve ID vs VDS e ID vs VGS• Modulazione di lunghezza di canale• Simboli circuitali• Circuiti equivalenti in DC• Estensione ai MOSFET a canale p
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INTRODUZIONEIn questa parte iniziale studieremo il MOSFET a canale n ad arricchimento(o Enhancement n-channel MOSFET o
E-nMOSFET)
Successivamente si estenderà l’analisi agli altri dispositivi:
D-nMOSFET (canale n a svuotamento)E-pMOSFET (canale p ad arricchimento)D-pMOSFET (canale p a svuotamento)
(i significati di questi termini saranno chiariti in seguito)
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E-nMOSFET
n+
Substrato tipo-p(Body)
Canale
L
n+
Source (S) Drain (D)
Body (B)
Gate (G)
MetalloOssido (SiO2)
W
In genere W >> L
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n+
p
Source (S) Drain (D)
Body (B)
n+
Gate (G)Assenza di polarizzazione al Gate
E-nMOSFET
RCS
RCS
Tipica configurazione
Per ogni valore di VDS≥ 0, non c’è corrente
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Tensione al GateE-nMOSFET
n+
p
S D
n+
+ -VGSVGS
(G)
B
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Tensione al GateE-nMOSFET
n+
p
S D
n+
+ -VGSVGS
(G)
B
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Tensione al GateE-nMOSFET
n+
p
S D
n+
+ -VGSVGS
(G)
B
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n+
p
S D
n+
+ -VGSVGS
Vt Tensione di soglia
Canale n indotto
Tensione al GateE-nMOSFET
(G)
B
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n+
p
S D
n+
+ -VGSVGS
Vt Tensione di soglia
Canale n indotto
Tensione al GateE-nMOSFET
(G)
B
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Tensione al GateE-nMOSFET
Applicando una tensione positiva al GATE, inizialmente si “respingono” le lacune del semiconduttore “p” e si ha un allargamento della RCS sotto il gate;
Oltre una certa tensione di gate, detta tensione di soglia, Vt, Il campo elettrico presente sotto il gate riesce a richiamare elettroni “liberi” che tenderanno ad accumularsi sotto il gate, con la formazione di un canale conduttivo(canale n indotto) che collega il drain con il source.
Aumentando ulteriormente la tensione di gate, VG, si aumenta la popolazione di elettroni liberi nel canale n indotto.NOTA: Tale descrizione (concettualmente corretta) ha motivazioni fisiche qui non illustrate. Si rimanda al corso di microelettronica.
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E-nMOSFETTensione al Drain (piccola) con VGS>Vt
VDS
VGS
n+
p
S D
n+
Vt Tensione di soglia
+
-VGS
+
-IDIS
G
VDS
VGS≅Vt
ID
VDSB
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E-nMOSFETTensione al Drain (piccola) con VGS>Vt
VDS
VGS
n+
p
S D
n+
Vt Tensione di soglia
+
-VGS
+
-IDIS
G
VDS
VGS>Vt
ID
VDSB
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E-nMOSFETTensione al Drain (piccola) con VGS>Vt
VDS
VGS
n+
p
S D
n+
Vt Tensione di soglia
+
-VGS
+
-IDIS
G
VDS
VGS>>Vt
ID
VDSB
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E-nMOSFETTensione al Drain (piccola) con VGS>Vt
Applicando una tensione positiva (piccola) al drain, con al gate una tensione positiva maggiore della tensione di soglia, Vt, si ha flusso di elettroni (spinti dal campo elettrico) che danno luogo ad una corrente di drain ID.
La corrente di drain ID dipende dalla resistività del canale (ossia dal numero di elettroni liberi nel canale)
Aumentando la tensione di gate, VG, si aumenta la popolazione di elettroni liberi nel canale n indotto (con conseguente riduzione della resistività di canale) e di conseguenza si aumenta la corrente di drain.
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E-nMOSFETTensione al Drain elevata
n+
S
B
n+
+
-VGS VDS
+
-
p
VDS0
VGSVGS-VDS
G
Dal punto di vista statico:
applicando tensione al Drain, si induce una caduta di tensione lineare nel canale.
VGS>>VtD
Lo spessore del canale elettronico tenderà a ridursi in
prossimità del drain.
Ciò comporta una riduzione della
tensione tra il gate e il substrato lungo
il canale.
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E-nMOSFETTensione al Drain elevata
n+
S D
B
n+
VGS>>Vt+
-VGS VDS
+
-ID VDSG
ID
Per basse VDS lo “strozzamento”del canale è trascurabile.
Zona LINEARE VDS
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E-nMOSFETTensione al Drain elevata
n+
S D
B
n+
VGS>>Vt+
-VGS VDS
+
-ID VDSG
ID
Aumentando ulteriormente VDS lo “strozzamento” del canale comporta
un calo di conducibilità. VDS
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E-nMOSFETTensione al Drain elevata
n+
S D
B
n+
VGS>>Vt+
-VGS VDS
+
-ID
VDS=VGS-Vt
G
ID
Per VDS= VGS-Vt, il canale è completamente “strozzato”(pinch-off) e la ID satura. VDS
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E-nMOSFETTensione al Drain elevata
n+
S D
B
n+
+
-VGS VDS
+
-ID
VDS=VGS-Vt
Varizione PiccolaPer VDS> VGS-Vt, la ID rimane costante (vedremo più avanti che
non è proprio vero).
GVGS>>Vt
ID
VDS
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E-nMOSFETCalcolo delle caratteristiche ID-VDS
S D
0 L x
0 VDS
Voltage
dx
dxdt
Carica dq
dV(x)Edx
=
V(x)
dV(x)
Condizioni:
VGS>Vt
VDS< VGS- Vt(zona lineare)
Alla posizione x la tensione tra gate e
canale vale:VGS- V(x)
con V(x) ∈ [0 ÷ VDS]x
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E-nMOSFETCalcolo delle caratteristiche ID-VDS
S D
0 L x
0 VDS
Voltage
dx
dxdtdxdt
Carica dq
dV(x)Edx
=
V(x)
dV(x)
[ ]OX GS tdq(x) C Wdx V V(x) V= − − −
OXOX
OX
Ctε
=
La carica elettronica in dx vale:
con
dV(x)Edx
= −
Il campo elettrico E lungo il canale vale:
n ndx dV(x)E(x)dt dx
µ µ= − =Il campo elettrico induce una velocità di deriva pari a:
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E-nMOSFETCalcolo delle caratteristiche ID-VDS
S D
0 L x
0 VDS
Voltage
dx
dxdtdxdt
Carica dq
dV(x)Edx
=
V(x)
dV(x) Essendo la corrente costante lungo il canale: I = - ID
[ ]n OX GS tdV(x)I C W V V(x) V
dxµ= − − −
dq(x)dx
La corrente di deriva risultante può essere calcolata moltiplicando la
carica per unità di lunghezza ( )per la velocità di deriva:
si può quindi scrivere:
[ ]D n OX GS tI dx C W V V(x) V dV(x)µ= − −
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E-nMOSFETCalcolo delle caratteristiche ID-VDS
Integrando lungo il canale:
[ ]DSVL
D n OX GS t0 0
I dx C W V V(x) V dV(x)µ= − −∫ ∫
Si ottiene la relazione valida in zona lineare:
( ) ( )DS
2D n OX GS t DS
W 1I C V V V VL 2
µ = − −
In saturazione, ponendo VDS=VGS-Vt si ottiene:
( ) ( )2D n OX GS t
1 WI C V V2 L
µ = −
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E-nMOSFETCalcolo delle caratteristiche ID-VDS
NOTA: in saturazione la corrente non dipende da VDS, ma SOLO perché lo abbiamo imposto noi!! Infatti abbiamo supposto che per VDS>VGS-Vt la
configurazione del canale non cambi e che quindi la corrente, per tali valori di tensione, sia pari a
alla corrente calcolata per VDS=VGS-Vt
La quantità è una costante determinata dal processo tecnologico ed è nota come:
transconduttanza di processo:
n OXCµ
'n n OXk Cµ=
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D-nMOSFETMOSFET a canale n a svuotamento
Nel E-nMOSFET, con tensione nulla al gate non c’è il canale formato. Bisogna dare tensione positiva al gate, oltre la tensione di soglia (Vt positiva), per
“arricchire” il canale di elettroni.
Nel D-nMOSFET (canale n a Svuotamento o Depletion), con tensione nulla al gate il canale è già formato. Bisogna dare tensione negativa al gate, inferiore alla tensione di soglia (Vt negativa), per
svuotare il canale e spegnere il dispositivo.
Per il D-nMOSFET, valgono tutte le relazioni dell’ E-nMOSFET con la sola differenza Vt < 0.
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E e D -nMOSFETIn sintesi:
VGS < Vt Dispositivo spento ID=0
VGS > Vt e V DS < VGS – Vt(o VGD > Vt)
Dispositivo acceso in zona lineare
( )DS
' 2D n GS t DS
W 1I k V V V VL 2
= − −
VGS > Vt e V DS > VGS – Vt(o VGD < Vt)
Dispositivo acceso in saturazione
( )2
2' GSD n GS t DSS
t
V1 WI k V V I 12 L V
= − = −
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E-nMOSFETGraficamente:
VGS
Vt
Saturazione
Vt
SOGLIAOFF
ON
Lineare
0 SOURCEDRAIN
VGS
GATEVDSTensione
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D-nMOSFETGraficamente:
VGS
Vt
Vt Lineare
SOURCE
SOGLIAOFF
Saturazione
ON
0
DRAIN
VDS
VGS
GATETensione
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E e D -nMOSFETSimboli circuitali
B
D
G
S
B
D
G
S
DG
S
DG
S
DG
S
DG
S
E-nMOSFET
D-nMOSFET
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Saturazione
D e E- nMOSFETCaratteristiche ID-VDS IG=0
ID
S
D
G
+
_VDS+
_VGS
Interdizione VGS< Vt
VDS (V)
VGS=Vt+1 VVt+2 VVt+3 VVt+4 V
0 1 2 3 4
VDS=VGS - Vt
Zona LineareID(mA)
543210
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ID(mA)
IG=0
ID
S
D
G
+
_VDS+
_VGS
IG=0
ID
S
D
G
+
_VDS+
_VGS
Vt Vt
Svuotamento(Depletion)
Arricchimento(Enhancement)
D e E- nMOSFETCaratteristiche ID-VGS
VGS (V)-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
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E-nMOSFET
n+
S
B
n+
+
-VGS VDS
+
-ID
VDS=VGS-Vt
L∆L
( )2'D n GS t
1 WI k V V2 L
= −
Modulazione di lunghezza di canale
VGS>>Vt GD
ID
Se L cala, ID aumenta! VDS
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E-nMOSFETModulazione di lunghezza di canale
Nell’analisi circuitale si tiene conto dell’effetto di modulazione della lunghezza di canale, considerando
costante L e inserendo un nuovo parametro, λ:
( )2'D n GS t DS
1 WI k V V (1 V )2 L
λ = − +
Questo comporta una “resistenza di uscita” finita:
( )GS
1 1'2D n
0 GS tDS DV cos t
I k W 1r V VV 2 L I
λλ
− −
=
∂ = = − = ∂
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n-MOSFETModulazione di lunghezza di canale
ID(mA)
VGS1
VGS2
VGS3
VGS4VGS5
543210
-VA = -1/λ
Simile alla TensioneEarly nei bjt
A0
D D
V1rI Iλ
= =
VDS (V)
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n-MOSFETModello circuitale
IG=0
IS
ID
S
DG+
_
r0VGS
+
_
VDS
( )2'n GS t
1 Wk V V2 L
−
Nell’analisi DC si
trascuraIN SATURAZIONE
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pMOSFET
p+
Substrato tipo-n(Body)
Canale
L
p+
Source (S) Drain (D)
Body (B)
Gate (G)
MetalloOssido (SiO2)
W
In genere W >> L
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pMOSFET
Il pMOSFET funziona, concettualmente, allo stesso modo dell’nMOSFET.
I versi delle tensioni e delle correnti sono invertiti:
ID esce dal drain,VDS < 0VGS<Vt per avere il canale
E-pMOSFET ad arricchimento Vt<0D-pMOSFET a svuotamento Vt>0
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E e D -pMOSFETSimboli circuitali
E-pMOSFET
D-pMOSFET
B
D
G
S
B
D
G
S
D
GSD
GS
D
GS
D
GS
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Caratteristiche ID-VGS
ID(mA)
VtVt
Svuotamento(Depletion)
Arricchimento(Enhancement)
D e E- pMOSFETIG=0
S
D +
_VDS+
_VGS
ID
GVDS+
_
VGS (V)-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
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E e D -pMOSFET
VGS > Vt Dispositivo spento IS=0
VGS < Vt e V DS > VGS – Vt(o VGD < Vt)
Dispositivo acceso in zona lineare
( )DS
' 2S n GS t DS
W 1I k V V V VL 2
= − −
VGS < Vt e V DS < VGS – Vt(o VGD > Vt)
Dispositivo acceso in saturazione
( )2
2' GSS n GS t DSS
t
V1 WI k V V I 12 L V
= − = −
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E-pMOSFETGraficamente:
VGSVt
Saturazione
Vt
0 SOURCEOFF
SOGLIA Lineare
ON
GATE DRAINTensioneVDSVGS
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D-pMOSFETGraficamente:
VGS
Vt
OFF
SOGLIA
VtLineare
0 SOURCE
ON
SaturazioneDRAIN
VGS
GATEVDS
Tensione