E-nMOSFET Metallo Dispositivi elettronici Ossido (SiO2) Gate (G) Source (S) Drain (D) W Metal-OxideSemiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) n+ Canale n+ L Substrato tipo-p (Body) Body (B) In genere W >> L E-nMOSFET Sommario Assenza di polarizzazione al Gate • • • • • • • • • Come è fatto un MOSFET a canale n Principi di funzionamento Canale di inversione Calcolo di ID vs VDS Curve ID vs VDS e ID vs VGS Modulazione di lunghezza di canale Simboli circuitali Circuiti equivalenti in DC Estensione ai MOSFET a canale p Gate (G) Source (S) Drain (D) n+ n+ RCS p RCS Body (B) Tipica configurazione Per ogni valore di VDS≥ 0, non c’è corrente E-nMOSFET INTRODUZIONE In questa parte iniziale studieremo il MOSFET a canale n ad arricchimento (o Enhancement n-channel MOSFET) Tensione al Gate VGS + V GS (G) Successivamente si estenderà l’analisi agli altri dispositivi: D-nMOSFET (canale n a svuotamento) E-pMOSFET (canale p ad arricchimento) D-pMOSFET (canale p a svuotamento) (saranno chiariti in seguito il significato di questi termini). S D n+ n+ p B 1 n-MOSFET E-nMOSFET Tensione al Gate Tensione al Gate Vth Tensione di soglia VGS VGS + V GS + V GS (G) (G) S D n+ S n+ D n+ n+ Canale n indotto p B B E-nMOSFET E-nMOSFET Tensione al Gate VGS Tensione al Gate Applicando una tensione positiva al GATE, inizialmente si “respingono” le lacune del semiconduttore “p” e si ha un allargamento della RCS sotto il gate; + V GS (G) S D n+ n+ p Oltre una certa tensione di gate, detta tensione di soglia, Vth, Il campo elettrico presente sotto il gate riesce a richiamare elettroni “liberi” che tenderanno ad accumularsi sotto il gate, con la formazione di un canale conduttivo (canale n indotto) che collega il drain con il source. Aumentando ulteriormente la tensione di gate, VG, si aumenta la popolazione di elettroni liberi nel canale n indotto. NOTA: Tale descrizione (concettualmente corretta) ha motivazioni fisiche qui non illustrate. Si rimanda al corso di microelettronica. B E-nMOSFET E-nMOSFET Tensione al Gate Tensione al Drain (piccola) con VGS>Vth Vt Tensione di soglia VGS Vth Tensione di soglia + V GS VGS (G) S IS D n+ n+ Canale n indotto B p p + - S VGS VDS + - ID VDS G ID D n n + + p B VGS≅Vth VDS 2 E-nMOSFET E-nMOSFET Tensione al Drain (piccola) con VGS>Vth Vth Tensione di soglia VGS IS + - VGS + - ID VDS G S VDS S n+ + E-nMOSFET Vth Tensione di soglia - S VGS VDS + - ID VDS G 0 VDS B ID + + - G - S p B VGS>>Vth VDS E-nMOSFET Tensione al Drain (piccola) con VGS>Vth Applicando una tensione positiva (piccola) al drain, con al gate una tensione positiva maggiore della tensione di soglia, Vth, si ha flusso di elettroni (spinti dal campo elettrico) che danno luogo ad una corrente di drain ID. La corrente di drain ID dipende dalla resistività del canale (ossia dal numero di elettroni liberi nel canale) Aumentando la tensione di gate, VG, si aumenta la popolazione di elettroni liberi nel canale n indotto (con conseguente riduzione della resistività di canale) e di conseguenza si aumenta la corrente di drain. ID VDS n+ + Ciò comporta una riduzione della tensione tra il gate e il substrato lungo il canale. Lo spessore del canale elettronico tenderà a ridursi in prossimità del drain. n+ Tensione al Drain elevata D VDS ID n+ n + VDS VGS-VDS VGS VGS>>Vth VGS D n Dal Punto di vista Statico: Applicando tensione al D Drain, si induce una caduta di tensione lineare nel canale. E-nMOSFET Tensione al Drain (piccola) con VGS>Vth + G- VDS B IS - VGS>Vth p VGS + p n + + VGS>>Vth VGS ID D n Tensione al Drain elevata B Per basse VDS lo “strozzamento” del canale è trascurabile. Zona LINEARE VDS E-nMOSFET Tensione al Drain elevata + + - G - VGS>>Vth VGS S ID VDS n+ D n+ VDS ID B Aumentando ulteriormente VDS lo “strozzamento” del canale comporta un calo di conducibilità. VDS 3 E-nMOSFET Tensione al Drain elevata + + VGS>>Vth VGS S G - - ID VDS VDS=VGS-Vth E-nMOSFET Calcolo delle caratteristiche ID-VDS dx dx dt Carica dq S D E=− n+ ID n+ La carica elettronica in dx vale: D dq(x ) = −C ox W dx (VGS − V (x ) − Vth ) con dV(x) dx V(x) Voltage 0 0 Per VDS= VGS-Vth, il canale è completamente “strozzato” (pinched-off) e la ID satura. VDS L x Tensione al Drain elevata + + - G - VGS>>Vth VGS S ID VDS VDS=VGS-Vth ID dx La corrente di deriva risultante può essere calcolata moltiplicando la dq(x) carica per unità di lunghezza ( ) dx per la velocità di deriva: dV (x ) I = −µnC ox W (VGS − V (x ) − Vth ) Voltage dx dx dt Carica dq S D dV(x) dx V(x) 0 VDS dV(x) 0 B Per VDS> VGS-Vth, la ID rimane Varizione Piccola costante (vedremo più avanti che non è proprio vero). VDS dx dV(x) = − µnE(x) = µn dt dx Calcolo delle caratteristiche ID-VDS E=− n+ t OX E-nMOSFET D n+ x Il campo elettrico induce una velocità di deriva pari a: E-nMOSFET ε OX Il campo elettrico E lungo il canale vale: dV(x) E=− dx VDS dV(x) B COX = L x si può quindi scrivere: x Essendo la corrente costante lungo il canale: I = - ID IDdx = µnCox W (VGS − V (x ) − Vth )dV (x ) E-nMOSFET E-nMOSFET Calcolo delle caratteristiche ID-VDS Calcolo delle caratteristiche ID-VDS dx dx dt Carica dq S E=− Condizioni: D VGS>Vth VDS< VGS- Vth (zona lineare) dV(x) dx V(x) 0 Alla posizione x la tensione tra gate e canale vale: VDS 0 x L x VDS 0 0 ∫ IDdx = ∫ µnCox W (VGS − V (x ) − Vth )dV (x ) Si ottiene la relazione valida in zona lineare: ID = µnCox Voltage dV(x) Integrando lungo il canale: L VGS- V(x) con V(x) ∈ [0 ÷ VDS] 2 W (VGS − Vth )VDS − VDS L 2 In saturazione, ponendo VDS=VGS-Vt si ottiene: 1 2 W ID = µnCox (VGS − Vth ) 2 L 4 E-nMOSFET E-nMOSFET Calcolo delle caratteristiche ID-VDS Graficamente: NOTA: in saturazione la corrente non dipende da VDS, SOLO perché lo abbiamo imposto noi!! Infatti abbiamo supposto che per VDS>VGS-Vth la configurazione del canale non cambi e che quindi la corrente, per tali valori di tensione, sia pari a alla corrente calcolata per VDS=VGS-Vth La quantità µnCOX è una costante determinata dal processo tecnologico ed è nota come: transconduttanza di processo: k n' = µnCOX VGS ON SOGLIA Lineare OFF 0 VGS Tensione Nel D-nMOSFET (canale n a Svuotamento o Depletion), con tensione nulla al gate il canale è già formato. Bisogna dare tensione negativa al gate, inferiore alla tensione di soglia (Vt negativa), per svuotare il canale e spegnere il dispositivo. Per il D-nMOSFET, valgono tutte le relazioni dell’ E-nMOSFET con la sola differenza Vt < 0. E e D -nMOSFET Saturazione ON 0 VGS Vth Lineare SOURCE Vth SOGLIA VDS OFF Tensione DRAIN GATE VGS E e D -nMOSFET In sintesi: Simboli circuitali ID=0 VGS > Vt e V DS < VGS – Vth Dispositivo acceso (o VGD > Vth) in zona lineare D E-nMOSFET G VGS > Vt e V DS > VGS – Vth Dispositivo acceso (o VGD < Vth) in saturazione 2 B D G S D 2 W (VGS − Vth )VDS − VDS 2 L V 1 W 2 ID = kn′ (VGS − Vth ) = IDSS 1 − GS 2 L Vth VDS Graficamente: Nel E-nMOSFET, con tensione nulla al gate non c’è il canale formato. Bisogna dare tensione positiva al gate, oltre la tensione di soglia (Vt positiva), per “arricchire” il canale di elettroni. ID = k′n SOURCE DRAIN D-nMOSFET MOSFET a canale n a svuotamento Dispositivo spento Vth GATE D-nMOSFET VGS < Vth Saturazione Vth D-nMOSFET G B S S D G S 5 D e E- nMOSFET Caratteristiche ID-VDS 4 G VGS VDS=VGS - Vth 5 D IG=0 + Zona Lineare ID (mA) E-nMOSFET ID _ 3 Vth+4 V Vth+3 V 2 Vth+2 V 1 VGS=Vth+1 V Modulazione di lunghezza di canale + _ S VDS Vediamo come si modificano le equazioni che regolano la corrente nei MOSFET tenendo conto dell’effetto di modulazione della lunghezza di canale: 1 W 1 W 1 2 (VGS − Vth )2 ID = k n′ (VGS − Vth ) = k ′n 2 L − ∆L 2 L ∆L 1 − L Saturazione Generalmente ∆L << L e quindi: 1 ∆L ≅ 1+ ∆L L 1− L 0 0 1 2 VDS (V) 3 4 Interdizione VGS< Vth D e E- nMOSFET Caratteristiche ID-VGS + G _ ID (mA) Svuotamento (Depletion) -3 S Modulazione di lunghezza di canale + _ VDS 1 W 2 ID = kn′ (VGS − Vth ) (1 + λVDS ) 2 L Questo comporta una “resistenza di uscita” finita: Vth -2 La variazione relativa della lunghezza di canale ∆L/L è pressoché lineare con VDS, quindi nell’analisi circuitale si tiene conto dell’effetto di modulazione della lunghezza di canale, inserendo un nuovo parametro, λ: Arricchimento (Enhancement) Vth -4 D IG=0 VGS E-nMOSFET ID -1 0 1 −1 2 3 4 VGS (V) ∆I k′ W 2 r0 = D = λ n (VGS − Vth ) ∆VDS VGS =cos t 2 L E-nMOSFET Modulazione di lunghezza di canale + + - G - VGS>>Vth VGS S n+ ID VDS ∆L L n+ VGS5 VGS4 VGS3 5 VGS2 3 2 VGS1 1 1 W 2 ID = k n′ (VGS − Vth ) 2 L Se L cala, ID aumenta! ID (mA) 4 Simile alla Tensione Early nei bjt B 1 λID n-MOSFET V 1 = A r0 ≅ λID ID ID ≈ Modulazione di lunghezza di canale VDS=VGS-Vth D −1 0 VDS -VA = -1/λ VDS (V) 6 n-MOSFET E e D -pMOSFET Modello circuitale Simboli circuitali IN SATURAZIONE IG=0 G D + + VGS r0 _ S Nell’analisi DC si trascura ID B E-pMOSFET G S Gate (G) B D D Caratteristiche ID-VGS Ossido (SiO2) Drain (D) W Canale G D e E- pMOSFET Metallo p+ D-pMOSFET G 1 W 2 ID = kn′ (VGS − Vth ) 2 L pMOSFET Source (S) D S D S VDS _ IS S G D IG =0 + VGS Arricchimento (Enhancement) ID G _ S _ ID (mA) + VDS Svuotamento (Depletion) p+ L Substrato tipo-n (Body) Body (B) Vth In genere W >> L pMOSFET Il pMOSFET funziona, concettualmente, allo stesso modo dell’nMOSFET. I versi delle tensioni e delle correnti sono invertiti: ID esce dal drain, VDS < 0 VGS<Vth per avere il canale E-pMOSFET ad arricchimento Vth<0 D-pMOSFET a svuotamento Vth>0 -4 -3 -2 -1 Vth 0 1 2 3 4 VGS (V) E e D -pMOSFET VGS > Vth Dispositivo spento ID=0 VGS < Vth e V DS > VGS – Vth Dispositivo acceso (o VGD < Vth) in zona lineare W V2 ID = k′p (VGS − Vth )VDS − DS L 2 VGS < Vth e V DS < VGS – VthDispositivo acceso (o VGD > Vth) in saturazione V 1 W 2 ID = k ′p (VGS − Vth ) = IDSS 1 − GS 2 L Vth 2 7 E-pMOSFET Graficamente: 0 SOURCE OFF SOGLIA ON Tensione Vth Lineare VGS Vth GATE DRAIN VGS VDS Saturazione D-pMOSFET Graficamente: OFF SOGLIA Vth 0 ON VGS SOURCE Vth Lineare Saturazione Tensione GATE VGS DRAIN VDS 8