DISPOSITIVI ELETTRONICI, Slide di Elettronica

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Dispositivi elettronici Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) 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 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 Tensione al Gate E-nMOSFET n+ p S D n+ + -VGS VGS (G) B Tensione al Gate E-nMOSFET n+ p S D n+ + -VGS VGS (G) B n+ p S D n+ + -VGS VGS Vt Tensione di soglia Canale n indotto Tensione al Gate E-nMOSFET (G) B Tensione al Gate E-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. E-nMOSFET Tensione 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 E-nMOSFET Tensione 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. E-nMOSFET Tensione al Drain elevata n+ S B n+ + - VGS VDS + - p VDS0 VGS VGS-VDS G Dal punto di vista statico: applicando tensione al Drain, si induce una caduta di tensione lineare nel canale. VGS>>Vt D 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. E-nMOSFET Tensione 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 E-nMOSFET Tensione 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). G VGS>>Vt ID VDS E-nMOSFET Calcolo delle caratteristiche ID-VDS S D 0 L x 0 VDS Voltage dx dx dt Carica dq dV(x)E dx = 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 E-nMOSFET Calcolo delle caratteristiche ID-VDS S D 0 L x 0 VDS Voltage dx dx dt Carica dq dV(x)E dx = V(x) dV(x) [ ]OX GS tdq(x) C Wdx V V(x) V= − − − OX OX OX C t ε = La carica elettronica in dx vale: con dV(x)E dx = − Il campo elettrico E lungo il canale vale: n n dx dV(x)E(x) dt dx µ µ= − =Il campo elettrico induce una velocità di deriva pari a: E-nMOSFET Calcolo 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= D-nMOSFET MOSFET 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. E e D -nMOSFET In sintesi: VGS < Vt Dispositivo spento ID=0 VGS > Vt e V DS < VGS – Vt (o VGD > Vt) Dispositivo acceso in zona lineare ( ) DS ' 2 D n GS t DS W 1I k V V V V L 2    = − −       VGS > Vt e V DS > VGS – Vt (o VGD < Vt) Dispositivo acceso in saturazione ( ) 2 2' GS D n GS t DSS t V1 WI k V V I 1 2 L V   = − = −       E e D -nMOSFET Simboli circuitali B D G S B D G S D G S D G S D G S D G S E-nMOSFET D-nMOSFET Saturazione D e E- nMOSFET Caratteristiche ID-VDS IG=0 ID S D G + _ VDS+ _ VGS Interdizione VGS< Vt VDS (V) VGS=Vt+1 V Vt+2 V Vt+3 V Vt+4 V 0 1 2 3 4 VDS=VGS - Vt Zona LineareID (mA) 5 4 3 2 1 0 ID (mA) IG=0 ID S D G + _ VDS+ _ VGS Vt Vt Svuotamento (Depletion) Arricchimento (Enhancement) D e E- nMOSFET Caratteristiche ID-VGS VGS (V)-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 n-MOSFET Modulazione di lunghezza di canale ID (mA) VGS1 VGS2 VGS3 VGS4VGS5 5 4 3 2 1 0 -VA = -1/λ Simile alla Tensione Early nei bjt A 0 D D V1r I Iλ = = VDS (V) n-MOSFET Modello circuitale IG=0 IS ID S DG + _ r0VGS + _ VDS ( )2'n GS t 1 Wk V V 2 L   −    Nell’analisi DC si trascura IN SATURAZIONE pMOSFET p+ Substrato tipo-n (Body) Canale L p+ Source (S) Drain (D) Body (B) Gate (G) Metallo Ossido (SiO2) W In genere W >> L Caratteristiche ID-VGS ID (mA) VtVt Svuotamento (Depletion) Arricchimento (Enhancement) D e E- pMOSFET IG=0 S D + _ VDS+ _ VGS ID G VGS (V)-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 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 ' 2 S n GS t DS W 1I k V V V V L 2    = − −       VGS < Vt e V DS < VGS – Vt (o VGD > Vt) Dispositivo acceso in saturazione ( ) 2 2' GS S n GS t DSS t V1 WI k V V I 1 2 L V   = − = −       E-pMOSFET Graficamente: VGS Vt Saturazione Vt 0 SOURCE OFF SOGLIA Lineare ON GATE DRAINTensione VDSVGS