6.5. IL TRANSISTORE MOS
Il transistore MOS (Metallo Ossido Semiconduttore) è un transistore a effetto di campo in cui il
passaggio dei portatori da una zona di source a una zona di drain avviene in un canale controllato
non più dalla tensione applicata a una giunzione polarizzata inversamente, come nel JFET, ma dalla
tensione applicata a un elettrodo di gate elettricamente isolato dal canale mediante uno strato di
ossido di Silicio (SiO2). Poiché il gate è isolato il dispositivo non assorbe potenza in continua
all’ingresso. All’ingresso il dispositivo
+
presenta infatti solo una capacità che deve
essere caricata e scaricata. Il canale può
venire creato dallo stesso campo di
+
controllo, nei MOS detti ad arricchimento,
oppure può esistere indipendentemente dal
B
S
G
D
campo di controllo nei MOS detti a
n+
svuotamento. Inoltre il canale può essere di
n+
canale
+
+
tipo n o p, a seconda che i portatori siano
rispettivamente elettroni o lacune. Esistono
Substrato p
quindi quattro tipi di MOS: ad
arricchimento, a canale n o p, e a
svuotamento, sempre a canale n o p.
Fig.6.15: MOS a canale n ad arricchimento.
6.5.1. MOS ad arricchimento a canale n
Per semplicità illustreremo in dettaglio il
Metallo, gen. Al
MOS a canale n ad arricchimento. La
fig.6.15 mostra la sezione del dispositivo.
Nei dispositivi attuali il canale ha una
lunghezza dell’ordine di 0,2 m. I contatti B;S;G;D stanno rispettivamente per Bulk (corpo del
semiconduttore), Source, Gate e Drain. B viene posto alla tensione più bassa disponibile nel
circuito, in modo che tutte le giunzioni esistenti siano polarizzate inversamente. Generalmente B e S
sono collegati.
Per piccoli valori di VGS il dispositivo è interdetto: tutte
le giunzioni sono polarizzate inversamente e non si ha
ID
passaggio di corrente tra S e D. Si dice che il dispositivo
è normalmente off. Quando VGS cresce si inizia ad avere
VGS = cost
un allontanamento delle cariche di maggioranza dal
corpo del Si sottostante al Gate (svuotamento). Al
crescere ulteriore di VGS, quando VGS supera un valore
VGS = VT
minimo chiamato VT, tensione di soglia, che può valere
alcuni V, si viene a formare al di sotto del gate una zona
VDS
di inversione, costituita da uno strato ricco di elettroni.
Questa zona crea una continuità elettrica, canale, tra S e
Fig.6.16: Caratteristiche di un MOS ad
D. Il valore di VGS modula la sezione del canale
arricchimento.
facendone variare la resistenza. Per piccoli valori di VDS
la corrente ID segue la legge di Ohm. Al crescere di VDS il canale viene a strozzarsi in prossimità del
Drain, (si raggiunge la situazione di pinch-off), analogamente a quanto visto per il JFET. Le
caratteristiche ID , VDS del MOS ad arricchimento si presentano quindi come in fig.6.16.
SiO2
6.5.2. MOS ad arricchimento a canale p
I transistori a canale p si sono sviluppati per primi, perché i transistori a canale n presentavano delle
difficoltà tecnologiche consistenti soprattutto nell’instabilità della tensione di soglia prodotta da
contaminazione dell’ossido. Attualmente i transistori a canale n hanno prestazioni migliori: gli
elettroni presentano una maggiore mobilità delle lacune e quindi i dispositivi a canale n sono più
veloci e, a parità di corrente, possono avere minori sezioni del canale. I p – MOS sono quindi
utilizzati sempre meno, salvo che nei MOS complementari, C – MOS, costituiti da coppie n – MOS,
p - MOS. I MOS complementari vengono usati in modo che i due elementi della coppia siano
attraversati dalla stessa corrente e che uno dei due sia sempre interdetto. Si ha così il passaggio di
corrente solo durante i transitori e il consumo viene ridotto al minimo.
6.5.3. Caratteristica di trasferimento
La corrente di un MOS cresce leggermente per alti valori di VDS , tuttavia il dispositivo può essere
simulato abbastanza bene con un generatore di corrente comandato da V GS . Dalla caratteristica di
fig. 6.16, ponendo VDS = costante, si ricava la caratteristica di trasferimento ID = f (VGS). Questa
caratteristica, riportata in fig.6.17, risulta essere di
tipo quadratico. Nella regione in cui il dispositivo si
ID
comporta da generatore di corrente comandato si ha:
C0 W
ID
( VGS VT )2 ( 1 VDS ) ,
2L
dove
, mobilità dei portatori, C0 capacità per unità di
superficie presentata dallo spessore di ossido, L, W
1 1
V ,
lunghezza e larghezza del canale,
VT + 1,5 V
40
VGS
coefficiente che tiene conto della pendenza delle
Fig.6.17: Caratteristica di trasferimento
caratteristiche ID , VDS.
di un MOS ad arricchimento a canale n.
Il termine
rapporto
C0
2
dipende dal processo tecnologico, il
W
si dice fattore di forma ed è una scelta del progettista.
L
6.5.4. MOS a svuotamento
ID
ID
arricchimento
VGS = 0
svuotamento
VDS
-4
Fig:6.18: Caratteristiche di un MOS a
svuotamento.
-2
0
VGS
Fig.6.19: Caratteristica di trasferimento
di un MOS a svuotamento a canale n.
Nei MOS a svuotamento il canale è preformato da
un opportuno strato drogato e può venire allargato o svuotato al variare di VGS, quindi passa
corrente anche per VGS = 0: si dice che il dispositivo è normalmente on. La caratteristica si
modifica quindi come in fig.6.18 e la transcaratteristica come in fig.6.19. I transistori a svuotamento
sono meno usati, proprio perché normalmente on e richiedono di poter fornire tensioni di due
polarità (canale n, VDS positiva, VGS negativa per interdirli).
6.5.5. Applicazioni dei MOS
Il MOS è il transistore più usato nei circuiti logici VLSI. Ai contatti metallici in Al si sostituisce il
poli-Si (Silicio policristallino), che garantisce una maggiore precisione e una soglia più bassa.
Il MOS è sempre più usato negli interruttori di potenza: esistono dei dispositivi che sopportano
correnti di centinaia di A e tensioni dell’ordine dei kV. Come amplificatore di segnale è poco usato,
salvo che in sistemi VLSI, in cui è integrato con sistemi logici. Quando usato come interruttore il
MOS deve avere una bassa resistenza Drain – Source, RDS , in conduzione e una piccola corrente
Drain – Source quando interdetto. Nelle applicazioni digitali devono essere piccole la resistenza, la
capacità di ingresso e la tensione VT. Infatti la velocità è limitata dalla carica della capacità di
ingresso, nel cui circuito di carica entra anche RDS. Inoltre più è bassa la soglia, prima il transistore
va in conduzione e minore è il valore della tensione di alimentazione richiesta.
6.5.6. Simboli
I simboli usati per i transistori MOS sono mostrati nella fig.6.20.
arricchimento
svuotamento
Canale n
S
S
Canale p
S
S
Fig.6.20: Simboli dei quattro tipi di
transistori MOS
6.5.7.Circuito equivalente ai piccoli segnali
La fig.6.21 riporta il circuito
equivalente ai piccoli segnali di un
generico transistore MOS.
D
G
D
Osserviamo che in ingresso è
presente solo una capacità;
rd
G
Vi
il fattore di comando del generatore
gmVi
è la transconduttanza gm, che
dipende dal punto di lavoro;
S
S
il generatore di corrente non è
ideale: la resistenza rd tiene conto
Fig.6.21: Circuito equivalente ai piccoli segnali di un transistore MOS.
della pendenza delle caratteristiche.
