Lezione 22 - Studenti di Fisica

Un po’ di storia
Fine anni 40 Transistor Bell Labs
Fine anni 50 I circuito integrato (JK-FF by Jack Kilby at TI)
Inizi anni 60 Small Scale Integration (SSI) :10 transistor in un chip
Fine anni 60 Medium Scale Integration (MSI): 100 transistor su un chip
Inizio anni 70 Large Scale Integration (LSI): 1000 transistor su un chip Inizio
anni 80 VLSI 104 transistor su un chip ( ora 109)
Dispositivi a semiconduttore
1
VLSI :low power consumption& dissipation
Ok sistemi con controllo in tensione
JFET
FET: transistor ad effetto di campo
MOSFET
Rispetto ai transistor bipolari:
-dispositivo unipolare
-alta impedenza ingresso
-coeff.temperatura negativo ( non tutti), cioè al crescere di T la corrente
diminuisce. Ne segue maggiore stabilità e uniformità termica
-manca storage minoritari ( come pol.diretta transistor bipolari) e quindi
tempi commutazione rapidi
Dispositivi a semiconduttore
2
JFET
Canale conduttivo con 2 contatti ohmici: S e D
Il Gate G forma una giunzione con il canale
JFET: voltage-controlled resistor
L: lunghezza canale
VG  0 VD  0
Source a massa: la corrente elettroni verso il drain
Dispositivi a semiconduttore
3
JFET a canale n
Dispositivi a semiconduttore
4
Caratteristiche
saturazione
lineare
Dispositivi a semiconduttore
5
JFET
W(x)
W(x)
Dispositivi a semiconduttore
6
Dispositivi a semiconduttore
7
JFET: caratteristiche statiche
VD , P
Dispositivi a semiconduttore
8
dx
JFET
W(X)
dV (x)  ID dR(x)
1 dx
dx
dR(x) 

 S(x) b2(a  W (x))
W(X)
x
2
W (x) 
(Vbi  VG  V (x))
qN D
Dispositivi a semiconduttore
9
W (x) 
2
(Vbi  VG  V (x))
qN D
W (0) 
2
(Vbi  VG ) : Dimensione regione svuotamento al source
qN D
W (L) 
2
(Vbi  VG  VD ) : Dimensione regione svuotamento al drain
qN D
Pinch - off quando W = a
Potenziale di pinch-off

Nella regione lineare:

qN D a

2
2
VD  VD,P    VG Vbi
Dispositivi a semiconduttore
10
JFET
Tensione di pinch-off
qN D a 2

2

Vbi  VG  V (x) 
dV (x)b2a1
 ID dx

  

VD
L


Vbi  VG  V (x)
  ID dx
 dV (x)b2a1


 0
0

b2a 
2 1
3/2
3/2
ID 
VD 
Vbi  VG  VD   Vbi  VG  
L 
3 


ID è continua nel canale e quindi
Dispositivi a semiconduttore
indipendente da x

11
b2a 

2 1
3/2
3/2
ID 
VD 
Vbi  VG  VD   Vbi  VG  
L 
3 

b2a
gmax 
: conduttanza max canale per W = 0
L


La corrente satura ad un valore IDsat che si ottiene al pinch-off:
W a
VD,P : tensione di pinch - off
Vbi  VG  VD,P
qa 2 N D


2
VD,P  VG  VT
dove :
VT    Vbi

 2 V  V 
bi
G
ID,sat  gmax   Vbi VG 1

 

 3
3

Dispositivi a semiconduttore
12
VD  VD , P    VG  Vbi
2
qN D a

2


2 1
3/2
3/2
ID  gmax VD 
Vbi  VG  VD   Vbi  VG  
3 



Vbi  VG  VD   gmax
ID


gD 
 gmax 
1
(a  W )


VD


 a
 V  V  V 

V

V
ID

bi
G
D
bi
G

gm 
 gmax 



VG




g : transconduttanza diretta g : transconduttanza di drain

m

D
Dispositivi a semiconduttore
13
JFET: caratteristiche statiche
VD , P
Dispositivi a semiconduttore
14
JFET
Onset della saturazione
VD  VD,P    VG Vb,i  VG VT
 V  V  V 
ID
bi
G
D
gm 
 gmax 


VG




gm,sat  gmax 
1


V

V
 bi G  
 


V

V
 bi G   g
D,lin

 
gD,lin è la transconduttanza di drain in regime lineare per V
Dispositivi a semiconduttore
D
0
15
JFET: confronto modello dati
Dispositivi a semiconduttore
16
Effetti legati a mobilità cariche:
-saturazione velocità drift comporta una riduzione della corrente nel canale
e la transconduttanza diminuisce: non si può considerare costante la mobilità
-overshoot velocità riduce il tempo di transito in FET a canale corto
Risposta in frequenza:
-tempo di transito tr=L/E ≈L2/VG e tr=L/vs
Per un gate di 1 µm tr≈ 10 ps
-effetti capacitivi
ft=gm/(2CGS)
Dispositivi a semiconduttore
17
Diodo MIS
Dispositivi a semiconduttore
18
Diodo MIS
=SiO2
=Si
Dispositivi a semiconduttore
Diodo MOS
19
Diodo MOS
9 eV
Dispositivi a semiconduttore
20
Diodo MOS
eV0
eS
Dispositivi a semiconduttore
21
Diodo p-MOS
V=0
Dispositivi a semiconduttore
22
Diodo p-MOS
V=0
V>0
Dispositivi a semiconduttore
23
Diodo p-MOS
V=0
V>0
V=-V0- S
Dispositivi a semiconduttore
24
Diodo p-MOS : reale
Svuotamento
V=0
Inversione
V>0
Bande piatte
V=-V0- S
Accumulazione
V<-V0-S
Dispositivi a semiconduttore
25
Diodo p-MOS
V=0
Svuotamento
V>0
Inversione
Non polarizzato
V=-V0- S
Accumulo
V<-V0-S
Dispositivi a semiconduttore
26
Diodo p-MOS
VT>V>0
Svuotamento
V>VT
Inversione
Non polarizzato
V=0
Accumulo
V<0
Dispositivi a semiconduttore
27
Diodo p-MOS Ideale
VT>V>0
Svuotamento
V>VT
Inversione
Non polarizzato
V=0
Accumulo
V<0
Dispositivi a semiconduttore
28
Diodo n-MOS Ideale
0>V>-VT
Svuotamento
V<-VT
Inversione
Non polarizzato
V=0
Accumulo
V>0
Dispositivi a semiconduttore
29
Diodo p-MOS Ideale
Dispositivi a semiconduttore
30
Dispositivi a semiconduttore
31
Dispositivi a semiconduttore
32
Varactor
Dispositivi a semiconduttore
33
MOS Varactor
1
CMOS

d
O

Dispositivi a semiconduttore
W (V )
S
1
1


CO C j
34
Elettrostatica MOS
Accumulo
Svuotamento
Inversione
Dispositivi a semiconduttore
35
MOSFET : dispositivo a 4 terminali
>99% IC sono MOSFET (RAM, flash memory, processori,etc)
Annunciata per il prossimo anno la realizzazione di chip con tecnologia 22 nm
( da Technology Review giugno 2010)
Dispositivi a semiconduttore
36
Regime di inversione
Dispositivi a semiconduttore
37
Diodo p-MOS
VT>V>0
Svuotamento
V>VT
Inversione
Non polarizzato
V=0
Accumulo
V<0
Dispositivi a semiconduttore
38
Nel regime di inversione formazione di un canale in cui il
numero di elettroni dipende dalla tensione di gate
Dispositivi a semiconduttore
39
I vari regimi (Source a massa
e substrato a massa)
a) Schema
b) Condizione di equilibrio VD=VG= VSB=0
c) Equilibrio con VD=0 ma bias VG
d) Non equilibrio VD e VG ≠0
Nella condizione d) il quasi- livello
di Fermi delle lacune rimane al
livello del bulk mentre quello degli
elettroni si abbassa verso il drain
Dispositivi a semiconduttore
40
Nel caso di non equilibrio la regione di svuotamento alla superficie è funzione di VD
Dispositivi a semiconduttore
41
Caratteristiche
Dispositivi a semiconduttore
42
Regione lineare: canale
con conduttanza che dipende da
VD
Al crescere di VD il canale si
stringe fino al pinch-off:
diminuisce l’inversione
ID è costante e la
strozzatura del canale si
sposta all’indietro.
Dispositivi a semiconduttore
43
MOSFET (n channel=pMOS)
Dispositivi a semiconduttore
44
MOSFET
Dispositivi a semiconduttore
45
MOSFET
Dispositivi a semiconduttore
46
MOSFET
Dispositivi a semiconduttore
47
Tensione di soglia
Dispositivi a semiconduttore
48
Tipi di MOSFET
Dispositivi a semiconduttore
49
Normally off
Normally on
CMOS
Dispositivi a semiconduttore
50
Invertitore
Dispositivi a semiconduttore
51