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 1 / 20 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 Valentino Liberali (UniMI) Elettronica – Funzionamento del transistore MOS – 13 maggio 2015 1 2 / 20 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. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica – Funzionamento del transistore MOS – 13 maggio 2015 3 / 20 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). Valentino Liberali (UniMI) Elettronica – Funzionamento del transistore MOS – 13 maggio 2015 2 4 / 20 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. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica – Funzionamento del transistore MOS – 13 maggio 2015 5 / 20 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. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica – Funzionamento del transistore MOS – 13 maggio 2015 3 6 / 20 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 Valentino Liberali (UniMI) Elettronica – Funzionamento del transistore MOS – 13 maggio 2015 7 / 20 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 Valentino Liberali (UniMI) Elettronica – Funzionamento del transistore MOS – 13 maggio 2015 4 8 / 20 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 ) Valentino Liberali (UniMI) 2 (la corrente è indipendente da VDS ) Elettronica – Funzionamento del transistore MOS – 13 maggio 2015 9 / 20 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 . Valentino Liberali (UniMI) Elettronica – Funzionamento del transistore MOS – 13 maggio 2015 5 10 / 20 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. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica – Funzionamento del transistore MOS – 13 maggio 2015 11 / 20 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. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica – Funzionamento del transistore MOS – 13 maggio 2015 6 12 / 20 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 ) Valentino Liberali (UniMI) 2 Elettronica – Funzionamento del transistore MOS – 13 maggio 2015 13 / 20 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”) Valentino Liberali (UniMI) Elettronica – Funzionamento del transistore MOS – 13 maggio 2015 7 14 / 20 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”) Valentino Liberali (UniMI) Elettronica – Funzionamento del transistore MOS – 13 maggio 2015 15 / 20 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. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica – Funzionamento del transistore MOS – 13 maggio 2015 8 16 / 20 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. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica – Funzionamento del transistore MOS – 13 maggio 2015 17 / 20 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 Valentino Liberali (UniMI) Elettronica – Funzionamento del transistore MOS – 13 maggio 2015 9 18 / 20 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. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica – Funzionamento del transistore MOS – 13 maggio 2015 19 / 20 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. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica – Funzionamento del transistore MOS – 13 maggio 2015 10 20 / 20