Struttura schematica di un MOSFET a canale n

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