Elettronica dei Sistemi Digitali – Il transistore MOS Struttura del

Elettronica dei Sistemi Digitali –
Il transistore MOS
Valentino Liberali
Dipartimento di Tecnologie dell’Informazione
Università di Milano, 26013 Crema
e-mail: [email protected]
http://www.dti.unimi.it/˜liberali
29 settembre 2008
Elettronica dei Sistemi Digitali – Il transistore MOS – p. 1
Struttura del transistore MOS
source
(S)
gate
(G)
n
drain
(D)
n
p
substrato o bulk
(B)
Transistore MOS a canale N (NMOS)
M = metallo; O = ossido; S = semiconduttore
Invece del metallo si usa silicio policristallino molto drogato;
il semiconduttore è Si; l’ossido è SiO2 (vetro)
Elettronica dei Sistemi Digitali – Il transistore MOS – p. 2
1
Transistore MOS in triodo
source
(S)
gate
drain
(D)
(G)
+ ++ + +
+ ++ + +
-
-
-
-
-
-
n
n
p
substrato o bulk
(B)
Applicando all’elettrodo di gate (G) una tensione positiva
maggiore di un valore di soglia, vengono attirate cariche
negative (elettroni) sotto al gate, e può passare corrente tra
source (S) e drain (D) per effetto di una tensione tra D e S.
Elettronica dei Sistemi Digitali – Il transistore MOS – p. 3
Transistore MOS in saturazione
source
(S)
gate
(G)
+ ++ + +
-
-
-
drain
(D)
+ ++ + +
-
-
n
n
p
substrato o bulk
(B)
Se la tensione tra G e S è maggiore della soglia e la
tensione tra G e D è minore, il canale è strozzato e il
transistore MOS conduce una corrente che NON dipende
dalla tensione di drain (come un generatore di corrente).
Elettronica dei Sistemi Digitali – Il transistore MOS – p. 4
2
Equazioni del transistore MOS (1/2)
In interdizione (“cut-off”):
iD = 0
In triodo (regione ohmica o lineare):
iD =
β
2(vGS − Vth )vDS − v2DS
2
In saturazione (regione attiva):
β
iD = (vGS − Vth )2
2
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Equazioni del transistore MOS (2/2)
Fattore di guadagno (di transconduttanza) del MOS:
β=
µεox W
W
· = k′ ·
tox L
L
Attenzione: nonostante il nome, β NON è una
transconduttanza (si misura in A/V2 ).
Il transistore MOS è scalabile: riducendo W e L nello stesso
modo, le prestazioni rimangono (circa) invariate.
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3
Caratteristica V-I del transistore MOS
iD
vGS
REGIONE
ATTIVA
CRESCENTE
TRIODO
vDS
OFF
β
β
iD = (vGS − Vth )2
2(vGS − Vth ) · vDS − v2DS
2
2
Caratteristica tensione-corrente: corrente di drain iD in
funzione della tensione drain-source vDS .
iD = 0
iD =
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Transistore MOS come interruttore
Il transistore MOS è usato come interruttore nei circuiti
digitali, commutando tra spegnimento (off) e regione di
triodo.
OD
O
REGIONE
ATTIVA
TRI
ON
(interruttore ideale)
iD
OFF
vDS
Il transistore MOS in triodo non si comporta come un
interruttore ideale a causa della resistenza del canale.
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Modello semplificato del MOS
=
MOS
r
MOS ad arricchimento a canale N: Vth > 0;
spento (“off” ) per tensione di gate inferiore a Vth ;
acceso (“on” ) per tensione di gate superiore a Vth .
MOS ad arricchimento a canale P: Vth < 0;
spento (“off” ) per tensione di gate superiore a Vth ;
acceso (“on” ) per tensione di gate inferiore a Vth .
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Resistenza equivalente del MOS
=
MOS
r
β
In triodo: iD = 2 2(vGS − Vth ) · vDS − v2DS
La pendenza della caratteristica nell’origine è la
conduttanza
∂iD g=
= β (vGS − Vth )
∂vDS vDS =0
r=
1
1
=
g β (vGS − Vth )
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Non idealità del transistore MOS (1/2)
La tensione di soglia non è costante, ma dipende dalla
tensione di substrato (“body effect”):
p
p
Vth = Vt0 + γ 2ϕb + |vSB | − 2ϕb
Conduzione sotto soglia: per vGS < Vth la corrente iD
non è zero; l’effetto diventa più importante al diminuire
della lunghezza di gate
Modulazione della lunghezza di canale (in saturazione
la corrente non è costante, ma dipende anche dalla
tensione di drain):
β
iD = (vGS − Vth )2 · (1 + λvDS )
2
Elettronica dei Sistemi Digitali – Il transistore MOS – p. 11
Non idealità del transistore MOS (2/2)
Diminuzione della mobilità per campi elettrici elevati
(saturazione della velocità dei portatori)
Ionizzazione da impatto di elettroni “caldi”: gli elettroni
ad alta energia possono attraversare l’ossido di gate,
che a lungo andare si danneggia (problemi di
affidabilità)
Conduzione nel gate per tunneling (Fowler-Nordheim):
si usa per la programmazione/cancellazione delle
memorie non volatili; costituisce un limite alla riduzione
dello spessore dell’ossido di gate nelle porte logiche
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