1 STRUTTURA COSTRUTTIVA DEL MOSFET Il transistor MOS si

STRUTTURA COSTRUTTIVA DEL MOSFET
(Adattamento da http://users.unimi.it/metis/METIS-3MKB/courseware/fet/INDICE%20MOSFET.htm )
Il transistor MOS si presenta costruito fisicamente come nella figura accanto. Il dispositivo, considerando ad
esempio i transistori MOS a canale P, è costituito da un substrato di silicio N e da due zone di silicio P.
Mentre il substrato N è a bassa drogatura (circa 1015 atomi/cm3 ), le due zone P che costituiscono la Source
(sorgente) e il Drain (drenaggio) sono ottenute per diffusione con forte drogatura (1018÷1020 atomi/cm3).
Lo strato isolante di biossido di silicio, a seconda delle applicazioni ha uno spessore variabile fra i 500 e i
2000 Å nella zona dove si trova l'elettrodo di Gate (controllo) ed in questa zona viene anche chiamato "Gate
oxide" (ossido di controllo); raggiunge invece i 5000Å ed oltre nella zona esterna dove viene chiamato "Field
oxide" (ossido di campo).
L'elettrodo di Gate viene ottenuto mediante processo di vaporizzazione sotto vuoto e deposizione di alluminio
che forma lo strato conduttore: variando la tensione applicata a questo elettrodo si varia per effetto di campo
elettrico (Field Effect) la distribuzione e la densità delle cariche nella zona del substrato sottostante, compresa
fra le due regioni drogate P, zona che viene detta canale.
Varie tecnologie, con numerosi processi alternativi, sono state proposte e vengono adottate per costruire i
dispositivi MOS, i quali sono alle volte indicati anche con il nome di IGFET (Insulated-Gate-Field-EffectTransistor) oppure di MIS (Metal-Insulator-Semiconductor).
L'INDUZIONE ELETTROSTATICA E IL COMANDO DI TENSIONE DEL GATE DEL MOSFET
E' ben noto il fenomeno di induzione elettrostatica per cui se un corpo elettrizzato A si avvicina ad un altro
corpo conduttore B scarico, sulla superficie di quest'ultimo si genera una distribuzione di cariche tale che sulla
parte superficiale di B più vicina ad A si manifesta una carica di segno opposto alle cariche di A e una carica
dello stesso segno sulla parte più lontana come in figura (a).
L'induzione elettrostatica è dovuta al campo elettrico generato dal corpo elettrizzato. Nel caso di due elettrodi
a facce piane e parallele, che costituiscono l'esempio classico di un condensatore con le due armature piane
contrapposte, ad una distanza 'd' fra loro, il campo elettrico E è uniforme e in ogni punto fra le due armature è
dato da : E= V/d essendo V la differenza di potenziale applicata come in figura (b).
Il fenomeno dell'induzione elettrostatica ha un ruolo fondamentale nel funzionamento del MOSFET.
Volendo ricavare le caratteristiche di trasferimento del dispositivo MOS a canale N (NMOS) ad arricchimento
della figura (c) a fianco, notiamo che VGS =0 le regioni di SOURCE e DRAIN sono separate tra loro da
giunzioni pn contrapposte. Tali giunzioni sono formate tra le zone n di SOURCE e DRAIN e il substrato p, e
danno luogo a una resistenza molto elevata tra DRAIN e SOURCE quando il dispositivo è interdetto.
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Si considerino ora substrato, drain e source cortocircuitati a terra e si applichi al gate una tensione VGS positiva
come indicato nella figura (d). Gate e substrato costituiscono allora le armature di un condensatore piano con
lo strato di SiO2 come dielettrico.La carica positiva si accumula sul gate e quella negativa nel substrato.
Inizialmente la carica negativa nel substrato di tipo p si manifesta tramite la formazione di una zona di
svuotamento (si veda la figura (d)) con conseguente esclusione delle lacune al di sotto del gate come per una
giunzione pn.
(a)
(c)
(b)
(d)
LA MODULAZIONE DELLA DENSITA' DI CARICHE INDOTTE
In base al fenomeno di induzione elettrostatica, consideriamo come si distribuiscono le cariche sulle superfici
di una sequenza di tre strati successivi formati da conduttore-isolante-semiconduttore come mostrato nella
figura (a) qui accanto, che simula la situazione in cui si viene a trovare la zona del canale di un MOS
localizzata al di sotto dell'elettrodo di gate.
Sulla superficie dello strato semiconduttore il campo elettrico generato dalla tensione applicata alla lamina
metallica ha l'effetto di indurre, a seconda del segno della tensione, cariche di segno opposto e di provocare
quindi un accumulo oppure uno svuotamento delle cariche maggioritarie presenti negli strati superficiali della
regione a semiconduttore. La modulazione della densità di carica superficiale da parte della tensione applicata
alla lamina matallica può passare perciò tre diverse fasi: accumulo, svuotamento e inversione.
1. Accumulo
Si ha un accumulo delle cariche distribuite superficialmente sul semiconduttore quando il segno della tensione
applicata sulla lamina è tale da indurre cariche dello stesso segno delle cariche maggioritarie già presenti nel
semiconduttore: è questo ad esempio il caso della figura (b) che rappresenta un semiconduttore di tipo n sulla
cui superficie perciò si ha un accumulo di elettroni, cioè di cariche negative, in presenza di una tensione
positiva applicata sulla lamina.
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2. Svuotamento
Si ha uno svuotamento nella distribuzione di cariche maggioritarie presenti sul semiconduttore quando da una
tensione positiva, nel caso di semiconduttori di tipo n, si inizia a passare ad una tensione leggermente negativa
applicata alla lamina: in questo caso si inducono cariche positive che aumentano man mano col valore della
tensione negativa, e vanno progressivamente a compensare le cariche negative già presenti nel semiconduttore
di tipo n, fino a fargli perdere sullo strato superficiale le caratteristiche n e fargli assumere quelle di un
semiconduttore non drogato. Si veda la figura (c).
3. Inversione
Si ha infine inversione quando, sempre nel caso di semiconduttore n, si aumenta il valore della tensione
negativa fino ad indurre un numero tale di cariche positive da formare sulla superficie un sottile strato di
cariche tutte positive, tali da dare al semiconduttore in questa zona le caratteristiche di drogaggio p.
L'inversione si ottiene quindi con una tensione negativa di sufficiente valore da indurre un numero di cariche
positive tali da creare uno strato di tipo p il cui spessore tende quindi ad aumentare se la tensione della lamina
diventa sempre più negativa. Questo strato nel MOS prende il nome di canale: sicché in un MOS con
substrato di tipo n e con le zone di source e drain di tipo p, il canale che si forma in fase di conduzione è di
tipo p, come mostrato in figura (d) nella quale si evidenzia il tipo di carica indotta dalla tensione applicata
sulla laminametallica, nel semiconduttore di tipo n fino a formare un canale di tipo p.
(a)
(c)
(b)
(d)
PROFILO DELLA TENSIONE LUNGO IL CANALE
All'aumentare di VDS (tensione tra drain e source), la caduta di tensione lungo il canale cresce e quindi la
differenza di potenziale fra il gate e la regione del canale prossima al drain VGD = VGS - VDS diminuisce.
Questa riduzione di potenziale limita il campo indotto nella regione di canale vicina al drain con la
conseguenza che la carica di inversione indotta in essa diminuisce. Il canale viene gradualmente strozzato e il
valore della corrente ID cresce sempre più lentamente rispetto all'aumentare di VDS. Idealmente, una volta
raggiunto il completo strozzamento, ogni ulteriore aumento di VDS non produce alcun cambiamento nella
corrente ID: si verifica il fenomeno della saturazione della corrente. Questa regione di saturazione è di natura
simile a quella che si riscontra a causa della saturazione della velocità dei portatori nel JFET. Il valore di ID
raggiunto in saturazione dipende dal valore di VGS. Un aumento di VGS > VT ha come conseguenza un
aumento della corrente di saturazione ID.
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(a)
(b)
IL MOSFET AD ARRICCHIMENTO
Nel JFET la sezione effettiva del canale è controllata dal campo elettrico applicato al canale mediante una
giunzione pn.Un altro tipo di dispositivo a effetto di campo si può ottenere utilizzando un elettrodo metallico
separato mediante uno strato di ossido da un canale semiconduttore. Un transistore cosi fatto è chiamato
MOSFET .
Esistono due tipi di tale transistore: a svuotamento e ad arricchimento . Per tutti e due i tipi di transistori esiste
sia la versione a canale n , sia quella a canale p .
La struttura di un MOS a canale n (NMOS), vista più volte nei paragrafi precedenti, è costituita da due
regioni di tipo n (drain e source) immerse nel substrato di tipo p. La regione compresa tra tali elettrodi
costituisce il canale ed è ricoperta da un sottile strato di ossido di silicio. L’ elettrodo di metallo posto sopra lo
strato di ossido è il gate .Per il MOS a canale p (PMOS) gli elettrodi di source e di drain sono di tipo p e il
substrato è di tipo n . La presenza dello strato di ossido di silicio è la ragione per la quale il dispositivo è
anche conosciuto con il nome di transistore ad effetto di campo a gate isolato , infatti tale strato isolante porta
ad una resistenza di ingresso estremamente alta .
CARATTERISTICHE TENSIONE CORRENTE DEL MOSFET AD ARRICCHIMENTO
Tale dispositivo non lascia passare alcuna corrente per tensione di gate nulla e l’intensità della corrente di
uscita cresce al crescere del modulo della tensione di gate al di sopra della tensione di soglia . Analiticamente
per VDS =0 il canale tra drain e source di un MOS esiste solo per VGS >VT. Per VGS<VT non ci sono cariche
mobili nel canale e ID è nulla .
Le condizioni VGS<VT e ID=0 indicano che il MOSFET è in interdizione : esso si comporta come un
interruttore aperto .
regione ohmica
Tale regione è caratterizzata da una tensione di gate-source maggiore della tensione di soglia e per bassi valori
della tensione di drain-source , la conducibilità del canale è controllata dalla tensione gate-source .
Un’ analisi teorica del funzionamento nella regione ohmica porta al risultato che la corrente di drain è data da
ID= K[ 2( VGS - VT ) VDS - VDS ²]
dove K è una costante.
regione di saturazione
In tale regione , per VGS-VT < VDS ( ma >0) , la corrente ID è costante e indipendente da VDS . Il valore della
corrente di drain dipende solo dalla tensione di controllo VGS-VT , come segue
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ID =K ( VGS - VT)2
La linea di divisione tra la regione di saturazione e quella ohmica è data da VGS-VT=VDS. Sostituendo questo
valore di VDS con la ID della regione ohmica si ottiene la IDS .La curva tratteggiata nella figura (c) , che indica
il confine fra la regione ohmica e quella di saturazione, è data da
ID =K VDS²
(c)
MOSFET DI POTENZA
Il MOSFET di potenza, anche detto power MOSFET, è un particolare tipo di MOSFET usato nelle
applicazioni con alti valori di tensione e corrente. Si tratta di un transistor a effetto di campo dotato di una
struttura verticale a più strati ed è caratterizzato da un'alta velocità di commutazione rispetto ai tradizionali
dispositivi.
Il MOSFET di potenza è stato introdotto alla fine degli anni '70 grazie all'evoluzione della tecnologia CMOS,
e condivide lo stesso principio di funzionamento del tradizionale MOSFET. È usato come interruttore a basse
tensioni (meno di 200 Volt) e come convertitore DC-DC.
Struttura del MOS di potenza verticale
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Il guadagno in corrente del MOSFET in generale può essere considerato idealmente infinito, cosicché gli stadi
di pilotaggio possano essere semplificati (il gate non assorbe corrente). Il componente è caratterizzato da un
basso valore della RDS(ON), cioè della resistenza tra drain e source nella regione ohmica (corrispondente alla
condizione di saturazione nel transistore bipolare). Esistono coppie di MOSFET complementari (con canale N
e con canale P). Le caratteristiche dei singoli modelli di MOSFET di potenza variano in funzione delle
specifiche richieste, ed appare evidente la necessità di scegliere accuratamente il modello di MOSFET
necessario per ogni singola applicazione, evitando di sovradimensionare eccessivamente la tensione massima
rispetto a quella di lavoro.
Il MOSFET di potenza MTB75N05HD ha ad es. una RDS(ON) massima di 0,0095 Ω (tipica 0,007 Ω a VGS =
10V) ; utilizzandolo per interrompere una corrente di 10 Ampere la caduta di tensione massima VDS sarà
quindi di 0,095 V.
In analoghe condizioni di lavoro, un transistor BJT di potenza avrebbe una VCESAT di almeno 1 volt o più. In
questo modo il dispositivo consente di migliorare il rendimento e diminuire la dissipazione termica di
apparecchi di potenza alimentati a basse tensioni, come il caso degli inverter.
Inoltre questa caratteristica consente di migliorare lo slew rate degli amplificatori audio, oltre a diminuirne la
dissipazione termica. Il componente in oggetto presenta piccole dimensioni, in contenitore D2PACK (per
montaggio superficiale), in grado di lavorare con correnti molto elevate, fino a 75 A, e tensioni fino a 50 volt.
In genere i MOS, pur richiedendo una potenza praticamente nulla per il pilotaggio, presentano una capacità
d’ingresso tra gate e source relativamente elevata (tipicamente qualche nanofarad). Ciò comporta l’uso di
sorgenti del segnale VGS a bassa resistenza d’uscita per permettere una carica/scarica veloce di tale capacità
durante la commutazione (si hanno dei brevissimi ma forti picchi di corrente verso il gate).
I tempi di commutazione del MOFET sono comunque brevi (decine di ns con commutazioni di correnti di
qualche decina di Ampere), a prescindere dai tempi di carica e scarica della capacità di gate.
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