Lezione 4

Dispositivi unipolari
– Il contatto metallo-semiconduttore
– Il transistor JFET
– Il transistor MESFET
– Il diodo MOS
– Il transistor MOSFET
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Elettronici
Leonello
1
JFET = Junction Field Effect Transistor
JFET (1)
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JFET (2)
Il principio di funzionamento è paragonabile al caso di un tubo per
l'acqua dove fluisce una corrente che possa venire “strozzato” in un
punto da un controllo esterno.
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3
JFET (3)
•Un canale conduttore tra sorgente (source)
e collettore (drain).
•Un elettrodo di controllo (porta o gate)
•In funzionamento normale VD > 0 e VG = 0 o negativa
la giunzione gate-canale conduttore è polarizzata
inversa.
 fluiscono cariche attraverso il canale, e sono
elettroni (semiconduttore di tipo n)
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4
Esempio di cella di memoria EPROM (1)
Applicando una tensione elevata tra G e D (~25 V), si ha un
elevato campo elettrico nella regione di svuotamento pn 
Elettroni veloci  penetrano e giungono al gate fluttuante.
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Esempio di cella di memoria EPROM (2)
Allora il gate fluttuante si carica negativamente.
Quando si rimuove la polarizzazione le cariche rimangono
intrappolate perché l’ossido è un isolante 
Se si applica a G una tensione di 5 V, la carica presente
sul gate fluttuante controbilancia il campo,  che il canale
tra source e drain rimane chiuso  ho sempre lo stesso stato
Cioè ho memorizzato un bit di informazione.
Il 70% della carica si mantiene anche per 10 anni.
Può essere cancellata se esposta per breve periodo a luce UV.
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Componenti integrati (1)
Schema di resistenza
integrata
Si usa la resistenza di
volume del silicio
drogato
R = 20  – 30 k
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Componenti integrati (2)
Cmax = 4x10-4pF/m2
J2 = giunzione polarizzata
inversa da cui si ricava
la capacità C2
(a) Modello di Capacità integrata
(b)Circuito equivalente
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Diodo MOS
Il diodo MOS (Metal-OxideSemiconductor) è un dispositivo
fondamentale per la maggior
parte delle applicazioni VLSI.
p+
Si ottiene interponendo uno strato
di ossido isolante (Si02) tra il
semiconduttore ed il metallo
Il semiconduttore può essere
drogato tipo p (a) o n (b).
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n-
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Transistor MOSFET (1)
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Transistor MOSFET (2)
1) Se si applica un differenza di potenziale tra Source e Drain non
scorre corrente tra le regioni di tipo n perché il potenziale del
substrato p viene reso negativo  due giunzioni n-p polarizzate
inversamente.
2) Se si applica una tensione positiva al gate metallico  gli
elettroni delle regioni n saranno attirati nella regione sottostante che
diventerà anche essa di tipo n  si crea un canale di tipo n tra
Source e Drain  passa una corrente.
Questa tecnica si chiama FET ad arricchimento
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Tipi di MOSFET
NMOS
NMOS
PMOS
PMOS
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A che serve un MOSFET?
•
•
•
•
Amplificatore;
Condensatore;
Resistenza;
Interruttore

un circuito integrato complesso può
essere realizzato quasi soltanto con
MOSFET!
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IL MOSFET come resistenza
VGS = VDS
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Famiglie MOS
Ci sono due tipi di MOSFET:
nMOS (con canale di tipo n, portatori elettroni)
pMOS (con canale di tipo p, portatori lacune)
Inoltre esiste un’altra distinzione:
MOSFET a svuotamento (VGS = 0, canale aperto)
MOSFET ad arricchimento (VGS = 0, canale chiuso)
VGS = tensione Gate-Source; VDS = tensione Drain-Source
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Invertitore nMOS (1)
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Invertitore nMOS (2)
Q1 = transistor pilota; Q2 = transistor di carico;
Se Q1 è ON  Vo deve essere basso = V(0)
Q1 deve fornire una corrente elevata, e Q2 una
resistenza elevata, cosicchè la caduta di potenziale
su Q2 porti Vo ad un valore basso.
Viceversa, se Q1 è OFF  non passa corrente
 Vo = V(1)
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Invertitore nMOS (3)
VDG = VD - VG = -5 – (-17) = 12 Volts
Quindi, poiché VDG > VTL (12 Volts > 2,3 Volts),
Il transistor di carico lavora in saturazione.
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Porta NAND nMOS (1)
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Porta NAND nMOS (2)
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Porta NAND nMOS (3)
V(0) = tensione inferiore alla tensione di soglia
V(1) = tensione superiore alla tensione di soglia
Se V1 o V2 o entrambi sono a V(0)  solo TL conduce.
V0 = VGG - VT o a VDD (il valore più basso) = V(1)
Se V1 e V2 sono a V(1)  sia T1 che T2 conducono
V0 = somma delle tensioni su T1 e T2 <VT ;
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Porta NOR nMOS (1)
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Porta NOR nMOS (2)
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Porta NOR nMOS (3)
V(0) = tensione inferiore alla tensione di soglia
V(1) = tensione superiore alla tensione di soglia
Se V1 o V2 o entrambi sono a V(1)  T1 e/o T2 conduce.
V0 = tensioni su T1 e/o T2 <VT = V(0);
Se V1 e V2 sono a V(0)  sia T1 che T2 sono OFF,
e solo TL conduce
V0 = VGG - VT o a VDD (il valore più basso) = V(1)
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Esempi di funzioni
logiche nMOS
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Invertitore CMOS (1)
CMOS = Complementary MOS
Due tipi di MOSFET:
Uno a canale n ed uno
a canale p.
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Invertitore CMOS (2)
•Connessione comune dei due drain;
•Vi comune ai due gate;
•0 < Vi
< VSS ;
•Tra i due source c’è la tensione VSS ;
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Invertitore CMOS (3)
Se Vi < VT(n),  T1 è OFF, T2 è ON e V0 = VSS ;
Se Vi > VSS - VT(p)  T2 è OFF, T1 è ON e V0 = 0 Volts;
Inoltre T1 è in saturazione se:
VDS1 > VGS1 - VT(n) , cioè se: VT(n) < Vi < V0 + VT(n)
Mentre T2 è saturo se:
VDS2 > VGS2 - VT (p) , cioè se: V0-VT(p)< Vi < VSS - VT(p)
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Invertitore CMOS (4)
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