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 Elettronica dei Sistemi Digitali – Il transistore MOS – p. 5 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. Elettronica dei Sistemi Digitali – Il transistore MOS – p. 6 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 = Elettronica dei Sistemi Digitali – Il transistore MOS – p. 7 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. Elettronica dei Sistemi Digitali – Il transistore MOS – p. 8 4 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 . Elettronica dei Sistemi Digitali – Il transistore MOS – p. 9 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 ) Elettronica dei Sistemi Digitali – Il transistore MOS – p. 10 5 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 Elettronica dei Sistemi Digitali – Il transistore MOS – p. 12 6