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'