Elettronica – Funzionamento del transistore MOS

Elettronica – Funzionamento del transistore MOS
Valentino Liberali
Dipartimento di Fisica
Università degli Studi di Milano
[email protected]
Elettronica – Funzionamento del transistore MOS – 13 maggio 2015
Valentino Liberali (UniMI)
Elettronica – Funzionamento del transistore MOS – 13 maggio 2015
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Contenuto
1
Funzionamento del transistore MOS
2
Caratteristica tensione-corrente del transistore MOS
3
Uso del transistore MOS nei circuiti integrati
4
Scalabilità del transistore MOS
5
Parametri dei transistori MOS in SPICE
6
Risoluzione di circuiti con transistori MOS
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Programma - Parte 6
6
Dispositivi e circuiti elettronici.
a.
b.
c.
d.
e.
f.
I semiconduttori.
Il diodo a giunzione.
Il transistore bipolare a giunzione.
Il transistore MOS.
La tecnologia CMOS.
Porte logiche in tecnologia CMOS.
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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).
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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.
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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
VGS > Vth > VGD
VGS ≥ VGD > Vth
• tensioni minori della soglia
−→ transistore spento
• VGS maggiore e VGD minore della soglia
−→ transistore acceso in regione attiva
• tensioni maggiori della soglia
−→ transistore acceso in triodo
Per il transistore P-MOS tutte le tensioni sono negative e tutte le
disuguaglianze cambiano verso.
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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
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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 DI TRIODO o REGIONE LINEARE o REGIONE OHMICA: 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 variabile:
2
ID = K 2(VGS − Vth ) · VDS − VDS
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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 )
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(la corrente è indipendente da VDS )
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Caratteristica V -I del transistore MOS
iD
vGS
REGIONE
ATTIVA
vDS
OFF
iD = 0
CRESCENTE
TRIODO
2
iD = K 2(vGS − Vth ) · vDS − vDS
iD = K (vGS − Vth )
2
La caratteristica tensione-corrente riporta la corrente di drain iD in funzione della
tensione drain-source vDS .
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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.
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Impiego del transistore MOS (1/2)
Transistore MOS come interruttore nei circuiti digitali:
commutazione tra spegnimento (off) e regione di triodo.
O
TRI
OD
ON
(interruttore ideale)
iD
REGIONE
ATTIVA
OFF
vDS
Il transistore MOS in triodo non si comporta come un interruttore ideale a causa
della resistenza (non lineare) del canale.
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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 perché la corrente iD varia con il quadrato di vGS :
iD = K (vGS − Vth )
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Dipendenza dalle dimensioni (1/4)
E
C
R
U
SO
E
AT
G
N
AI
R
D
W
tox
L
tox = spessore dell’ossido di gate (“oxide thickness”)
W = larghezza del gate (“width”)
L = lunghezza del gate (“length”)
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Dipendenza dalle dimensioni (2/4)
Il parametro di conduttanza del MOS dipende dai parametri della tecnologia di
fabbricazione e dalle dimensioni geometriche:
K=
1 εox W
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”)
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Dipendenza dalle dimensioni (3/4)
E
C TE
N
AI
U GA
R
D
SO
R
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
kp′ = µp
εox
tox
µn > µp perché gli elettroni si muovono con velocità maggiore delle lacune.
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Dipendenza dalle dimensioni (4/4)
Il parametro di conduttanza di un transistore MOS a canale N (o P) è:
Kn =
1 ′W
k
2 n L
1 ′W
k
2 p L
dove kn′ e kp′ hanno lo stesso valore per tutti gli N-MOS e per tutti i P-MOS.
Kp =
La larghezza W e la lunghezza L possono essere diverse per ogni singolo
transistore.
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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
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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.
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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.
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