Struttura schematica di un MOSFET a canale n L Gate Drain Source W Ossido n n substrato p 3 Metallo Ossido Semiconduttore F E T Fondamenti di elettronica La funzione del CONTATTO di GATE • Variando VG varia (per induzione elettrostatica) la concentrazione di elettroni liberi nel Si sotto l’ossido tra i due contatti di S e D. VG>0V Se infatti V G aumenta: - le lacune sotto l’ossido vengono allontanate verso il substrato, e - elettroni liberi vengono richiamati all’interfaccia tra ossido e substrato. VD=0V VS=0V n _ _ + _ _ _ + + n substrato p M O S Field Effect T Si forma un cammino (CANALE) di elettroni tra S e D, anch’essi pieni di elettroni. 4 Fondamenti di elettronica IL CANALE CONDUTTIVO DI ELETTRONI • L’aggiunta di un campo elettrico lungo il canale (applicando una tensione VDS tra D e S) può mettere in moto gli elettroni … + - VG>0V VS=0V VD>0V nn _ _ _ nn VDS substrato p • … e produrre una corrente elettrica tra D e S. 5 Fondamenti di elettronica LA TENSIONE DI SOGLIA • La tensione da dare al Gate rispetto al Source (VGS) affinché la concentrazione di elettroni mobili sotto l’ossido raggiunga il valore che prima lì avevano le lacune è detta TENSIONE DI SOGLIA (VT) del MOSFET. VS=0V VG=VT elettroni liberi con densità pari a n=NA VD=0V ossido nn nn Zona priva di elettroni e di lacune substrato p drogato con N A lacune/cm 3 Quando VGS = VT si dice anche che si è raggiunta la condizione di inversione dei portatori sotto l’ossido. 6 Fondamenti di elettronica LA TENSIONE DI SOGLIA • La tensione di soglia per questo MOSFET ha segno positivo. • Il suo valore dipende: - dallo spessore dell’ossido, - dal drogaggio del substrato, - dall’eventuale presenza di ioni (positivi) nell’ossido. • La tensione di soglia è un dato tecnico fornito da ogni costruttore. 7 Fondamenti di elettronica IL M.O.S. COME UN CONDENSATORE L Qp VGS + Qp Q = n = Cox C ox W dox VG>VT Qn _ Ossido Cgate = Cox εox = Area gate d ox n nn substrato p Area gate = L ⋅ W 8 Fondamenti di elettronica CARICA NEL CANALE Quando VG > VT - si forma il condensatore con dielettrico spesso dox - … ai cui capi cade la tensione (VGS-VT) in eccesso rispetto alla soglia - …determinando una carica di elettroni mobili nel canale pari a : Q’n = C’ox (VGS - VT) VGS VS=0V (VGS-VT) nn nn substrato p dove Q’n = elettroni liberi sotto l’ossido per ogni cm 2 di area del Gate C’ox = capacità del condensatore di Gate avente area di 1cm2 9 Fondamenti di elettronica RESISTENZA DEL CANALE VG>VT L W Z R ch = ρ n n L W⋅Z substrato p 1 con ρ = [Ω ⋅ cm] qµ n n Notare che : Q’n=q.n.Z [elettroni/cm2], per cui 10 R ch = 1 L µ n ⋅ Q'n W Fondamenti di elettronica IL DISPOSITIVO COME RESISTORE VARIABILE VG>VT VS=0V VG-0 _ n VG-V(x) VD>0V VG-VD ID VDS ID = R ch _ x n VGS>VT crescenti VDS VDS Quando VDS è piccola, le curve sono praticamente delle rette. Si dice che il MOSFET è in ZONA OHMICA. Legge di Ohm : V = R.I 11 Fondamenti di elettronica CORRENTI ALL’AUMENTARE DI V DS VG>VT VS=0V VG-0 n _ VG-V(x) x _ VDS VD>0V ID V G-VD n VGS>VT crescenti VDS All’aumentare di VDS , la corrente aumenta meno che linearmente. 12 Fondamenti di elettronica Il PINCH-OFF del canale Quando VD raggiunge il valore (VG-VT) • la concentrazione di elettroni nel punto P finale del canale vicino al Drain si annulla (PINCH-OFF) • la tensione ai capi del canale vale (VG-VT) VG>VT VS=0V VG-0 VD=VDsat VG-VD=V T _ P n n VGS-VT La tensione al Drain quando si raggiunge il pinch-off è detta TENSIONE DI SATURAZIONE, VDsat = VG-VT 2 Fondamenti di elettronica LA CORRENTE AL PINCH-OFF VG>VT L W Z VG-0 VT nn R sat = 2 ⋅ R ch Ricordando che : R ch nn (VGS-VT) substrato p 1 L = µ n ⋅ Q 'n W Q’n = C’ox (VGS - VT) ( VGS − VT ) ID = R sat 3 1 ' W = µ n Cox (VGS − VT ) 2 2 L Fondamenti di elettronica LA CORRENTE IN SATURAZIONE VG>VT VS=0V VG-0 n VD>V Dsat ID VG -VD=V T P _ n (VGS-VT) (VD-VDsat) VDS All’aumentare di VD oltre VDsat: - esisterà sempre il punto P, la cui posizione al più arretra verso il Source, - il canale avrà sempre la stessa forma e quindi la stessa resistenza, - la tensione ai capi del canale sarà sempre pari a (VG-VT) sempre 4 ( VGS − VT ) ID = R sat 1 ' W = µ n Cox (VGS − VT ) 2 2 L Fondamenti di elettronica