Transistor MOS (MOSFET = Metal Oxide Semiconductor Field Effect

Transistor MOS (MOSFET = Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)
Struttura ∼ simile a quella del JFET, ma:
Canale non formato al momento della costruzione
→ In assenza di polarizzazione = p , come substrato
Gate isolato dal canale da strato di ossido (SiO 2 ∼ vetro → Isolante)
→ Accoppiamento capacitivo gate-canale
Meccanismo (non del tutto ovvio):
Formazione di uno strato conduttivo (← concentrazione di elettroni liberi )
nel canale con applicazione di una tensione (+va o − va ) sul gate
Substrato p → Canale n → NMOS
Substrato n → Canale p → PMOS
Punto di partenza:
Elettrostatica dei semiconduttori → Capacita' MOS
Equilibrio (come visto prima):
n0 = ni eVn /VT ≃ N D → Vn ≃ VT ln
−V p /VT
p0 = ni e
ND
∼ 0.55 V per N D ∼ 1019 cm−3
ni
≃ N A → Vp ≃ −VT ln
Vn > Vp → Vnp = 0.55 V + VT ln
NA
ni
NA
ni
Tensione → Campo elettrico
→ Spopolamento di lacune dal substrato vicino all'isolante
→ Accumulo di carica spaziale -va (accettori)
Tensione fra n+ e p senza passaggio di corrente ( ← isolante)
In p : gradiente di potenziale
Origine: Carica spaziale, causata da strato di svuotamento
Carica sul gate: +va
Tensione esterna negativa: compensazione
→ 'Banda piatta' → Nessuno strato di svuotamento
VGB = −Vnp ≡ VFB < 0
Tensione esterna ancora piu' negativa:
→ 'Banda ≠ piatta'
VGB < VFB < 0
→ ∼ Capacita' MOS: carica disponibile sulle due 'armature'
Campo elettrico diretto da substrato verso gate
→ Accumulo di lacune sotto il gate
Tensione positiva: Strato di svuotamento
→ Carica spaziale negativa nel substrato (come all'equilibrio)
Quando VGB = VT > 0:
Pot. alla superficie → Concentraz. elettroni = N A
ns = ni e
Vs
VT
= N A → Vs = −VP
→ Strato di svuotamento non aumenta piu'
→ Carica in piu' consiste in elettroni vicini alla superficie
Origine: Regioni n+ Source e Drain
(Giunzioni ∼ polarizzate direttamente)
Tensione di soglia:
VGB t.c. vicino alla superficie portatori cambiano da p a n
→ Inversione
Si puo' dimostrare che:
VTh = VFB − 2VP +
2 −qε N AV p
Cox
Visualizzazione intuitiva:
MOSFET: Simboli circuitali
App. analogiche
App. digitali
Schema & Layout
NMOS
CMOS
Caratteristiche di un MOS:
VT
Reg. ‘ohmica’:
Reg. di ‘pinch-off’:
Ricostruzione caratteristica del MOS :
ID =
dQ
dQ dx
v=
dx
dx dt
Corrente nello strato di inversione
dQ
densita' lineare di carica, Cox cap. per unita' di superficie del gate
dx
→ Q ( x ) = WCox VGS −V ( x ) −VTH 
v=
dx
dV
= µn E = µn
dt
dx
dV
→ I D = WCox VGS −V ( x ) −VTH  µn
dx
L
VD
VD
VS
VS
→ ∫ I D dx = ∫ WCox [VGS −VTH ] µn dV − ∫ WCoxV ( x ) µn dV
0
I D in principio funzione di x, costante in pratica
1
2
→ I D L = WCox µn [VGS −VTH ]VDS − WCox µnVDS
2
1W
2 
→ ID =
Cox µn  2 (VGS −VTH )VDS −VDS

2 L
Andamento parabolico:
1W
2
→ I Dmax =
Cox µn (VGS −VTH ) 


2 L
Correzione dovuta alla dipendenza di L da VDS :
Confronto BJT vs MOS:
Note tecnologiche:
a) Stato dell'arte
b) Zoologia
c) Layout 'realistico'