Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS Valentino Liberali Dipartimento di Tecnologie dell’Informazione Università di Milano, 26013 Crema e-mail: [email protected] http://www.dti.unimi.it/˜liberali Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 1 Funzionamento del transistore MOS (1/6) source (S) gate drain (D) (G) + ++ + + + ++ + + - - - - n - - n p substrato o bulk (B) Il gate è isolato dal canale per effetto dello strato di SiO2 (biossido di silicio) −→ IG = 0 Le correnti di drain e di source sono uguali: ID = IS Quando il transistore MOS conduce, i portatori si muovono dal source verso il drain (il dispositivo è simmetrico: il source è il terminale che emette i portatori, il drain quello che li raccoglie). Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 2 1 Funzionamento del transistore MOS (2/6) Versi (convenzionali) delle correnti e delle tensioni D ID VGD VGS IG = 0 S IS IG = 0 VDS G VGS VDS G VGD S D IS ID I versi sono scelti in modo che le correnti siano positive: −→ N-MOS: la corrente entra nel drain ed esce dal source −→ P-MOS: la corrente esce dal drain ed entra nel source Se la corrente cambia segno, allora S e D sono scambiati. Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 3 Funzionamento del transistore MOS (3/6) Per un transistore N-MOS ad arricchimento: Vth > 0; VDS ≥ 0 Se VDS < 0, si scambiano S e D; quindi è sempre VGS ≥ VGD . Esistono TRE possibili modi di funzionamento: Vth > VGS ≥ VGD • tensioni minori della soglia −→ transistore spento VGS > Vth > VGD • VGS maggiore e VGD minore della soglia −→ transistore acceso in regione attiva VGS ≥ VGD > Vth • tensioni maggiori della soglia −→ transistore acceso in triodo Per il transistore P-MOS tutte le tensioni sono negative e tutte le disuguaglianze cambiano verso. Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 4 2 Funzionamento del transistore MOS (4/6) Tensioni VGS e VGD minori della soglia: Vth > VGS ≥ VGD source (S) gate drain (D) (G) n n p substrato o bulk (B) INTERDIZIONE: la tensione sul gate è inferiore alla soglia e non si forma il canale. Il MOS è spento (“off” ) e la corrente è nulla: ID = 0 Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 5 Funzionamento del transistore MOS (5/6) Tensioni VGS e VGD maggiori della soglia: VGS ≥ VGD > Vth source (S) gate drain (D) (G) + ++ + + + ++ + + - - - - n - - n p substrato o bulk (B) REGIONE LINEARE o REGIONE OHMICA o REGIONE DI TRIODO: la tensione sul gate è superiore alla soglia, sia dal lato S sia dal lato D; c’è il canale e il transistore MOS conduce. Il canale è una resistenza non lineare: 2 ID = K 2(VGS − Vth ) · VDS − VDS Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 6 3 Funzionamento del transistore MOS (6/6) VGS maggiore e VGD minore della soglia: VGS > Vth > VGD source (S) gate + ++ + + - - - drain (D) (G) + ++ + + - - n n p substrato o bulk (B) REGIONE ATTIVA o REGIONE DI SATURAZIONE: la tensione sul gate è superiore alla soglia dal lato S, ma è inferiore dal lato D; il canale c’è dal lato S ma è strozzato dal lato D. Il transistore MOS è un VCCS non lineare: ID = K (VGS − Vth )2 (la corrente è indipendente da VDS ) Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 7 Caratteristica V-I del transistore MOS iD vGS REGIONE ATTIVA vDS OFF iD = 0 CRESCENTE TRIODO iD = K 2(vGS − Vth ) · vDS − v2DS iD = K (vGS − Vth )2 La caratteristica tensione-corrente riporta la corrente di drain iD in funzione della tensione drain-source vDS . Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 8 4 Terminologia Attenzione ai nomi! Alcuni termini sono stati scelti in modo particolarmente infelice, ma ormai sono entrati nell’uso generale . . . Nel MOS la regione ohmica o regione lineare (o di triodo) non è lineare: la caratteristica VDS -ID è una parabola. La regione ohmica o lineare o di triodo del MOS corrisponde alla regione di saturazione del BJT. La regione attiva o di saturazione del MOS corrisponde alla regione attiva del BJT. Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 9 Impiego del transistore MOS (1/2) Transistore MOS come interruttore nei circuiti digitali: commutazione tra spegnimento (off) e regione di triodo. TRI OD O ON (interruttore ideale) iD REGIONE ATTIVA OFF vDS Il transistore MOS in triodo non si comporta come un interruttore ideale a causa della resistenza del canale. Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 10 5 Impiego del transistore MOS (2/2) Transistore MOS come amplificatore nei circuiti analogici: in regione attiva la corrente di uscita iD dipende dalla tensione di ingresso vGS −→ il transistore MOS si comporta come un generatore di corrente controllato in tensione (amplificatore a transconduttanza) Non è un amplificatore lineare perchè la corrente iD varia con il quadrato di vGS : iD = K (vGS − Vth )2 Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 11 Dipendenza dalle dimensioni (1/4) E C U SO E AT R G AI N R D W tox L tox = spessore dell’ossido di gate (“oxide thickness” ) W = larghezza del gate (“width” ) L = lunghezza del gate (“length” ) Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 12 6 Dipendenza dalle dimensioni (2/4) Il parametro di conduttanza del MOS dipende dai parametri della tecnologia di fabbricazione e dalle dimensioni geometriche: 1 εox W K= µ 2 tox L µ = mobilità dei portatori εox = costante dielettrica dell’ossido tox = spessore dell’ossido di gate (“oxide thickness” ) W = larghezza del gate (“width” ) L = lunghezza del gate (“length” ) Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 13 Dipendenza dalle dimensioni (3/4) C R U SO E E AT G R N AI D W tox L In un circuito integrato, alcuni parametri sono legati alla tecnologia di fabbricazione e devono essere gli stessi per tutti i transistori dello stesso tipo: kn′ = µn εox ; tox k′p = µ p εox tox µn > µ p perché gli elettroni si muovono con velocità maggiore delle lacune. Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 14 7 Dipendenza dalle dimensioni (4/4) Il parametro di conduttanza di un transistore MOS a canale N (o P) è: 1 W Kn = kn′ 2 L 1 W K p = k′p 2 L dove kn′ e k′p hanno lo stesso valore per tutti gli N-MOS e per tutti i P-MOS. La larghezza W e la lunghezza L possono essere diverse per ogni singolo transistore. Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 15 Parametri dei transistori MOS in SPICE I parametri geometrici di ogni transistore MOS possono essere specificati nelle proprietà del singolo transistore: larghezza W, lunghezza L, area e perimetro delle regioni di source e di drain (questi ultimi parametri vengono utilizzati per calcolare in modo più accurato il comportamento dei diodi parassiti tra source e substrato e tra drain e substrato). I parametri comuni a tutti i transistori di un certo tipo sono specificati una sola volta, all’interno di un file che viene letto all’inizio della simulazione: Vth (tensione di soglia): VTO in SPICE k′ (parametro di conduttanza): KP in SPICE tox (spessore dell’ossido di gate): TOX in SPICE µ (mobilità dei portatori): U0 in SPICE Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 16 8 Circuito con transistore MOS (1/2) +VDD RD vOUT + vIN M1 M1 : Vth = 1 V, k′ = 100 µA/V2 , W = 20 µm, L = 1 µm; VDD = 5 V; RD = 5 kΩ. Trovare il punto di lavoro per vIN = 0 V, 1.5 V e 5 V. Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 17 Circuito con transistore MOS (2/2) Per la soluzione di circuiti con transistori MOS, occorre: fare un’ipotesi sul funzionamento di ogni transistore MOS (spento, oppure in regione attiva, oppure in triodo); risolvere il circuito utilizzando le relazioni tensione-corrente della regione di funzionamento; verificare che la soluzione trovata sia compatibile con l’ipotesi fatta. Si osservi che le equazioni che esprimono le relazioni tra tensione e corrente nel transistore MOS sono di secondo grado rispetto alle tensioni; questo può dar luogo a più soluzioni numeriche, delle quali una sola è fisicamente accettabile. Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 18 9