Elettronica I Funzionamento del transistore MOS

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1 Elettroica I Fuzioameto del trasistore MOS Valetio Liberali Dipartimeto di Tecologie dell Iformazioe Uiversità di Milao, Crema liberali@dti.uimi.it liberali Elettroica I Fuzioameto del trasistore MOS p. 1 Fuzioameto del trasistore MOS (1/6) source (S) gate (G) drai (D) p substrato o bulk (B) Il gate è isolato dal caale per effetto dello strato di SiO 2 (biossido di silicio) I G = 0 Le correti di drai e di source soo uguali: I D = I S Quado il trasistore MOS coduce, i portatori si muovoo dal source verso il drai (il dispositivo è simmetrico: il source è il termiale che emette i portatori, il drai quello che li raccoglie). Elettroica I Fuzioameto del trasistore MOS p. 2 1

2 Fuzioameto del trasistore MOS (2/6) Versi (covezioali) delle correti e delle tesioi D I D S I S I G = 0 V GD I G = 0 V GS G V DS G V DS V GS S V GD D I S I D I versi soo scelti i modo che le correti siao positive: N-MOS: la correte etra el drai ed esce dal source P-MOS: la correte esce dal drai ed etra el source Se la correte cambia sego, allora S e D soo scambiati. Elettroica I Fuzioameto del trasistore MOS p. 3 Fuzioameto del trasistore MOS (3/6) Per u trasistore N-MOS ad arricchimeto: V th > 0; V DS 0 Se V DS < 0, si scambiao S e D; quidi è sempre V GS V GD. Esistoo TRE possibili modi di fuzioameto: V th > V GS V GD V GS > V th > V GD V GS V GD > V th tesioi miori della soglia trasistore speto V GS maggiore e V GD miore della soglia trasistore acceso i regioe attiva tesioi maggiori della soglia trasistore acceso i triodo Per il trasistore P-MOS tutte le tesioi soo egative e tutte le disuguagliaze cambiao verso. Elettroica I Fuzioameto del trasistore MOS p. 4 2

3 Fuzioameto del trasistore MOS (4/6) Tesioi V GS e V GD miori della soglia: V th > V GS V GD source (S) gate (G) drai (D) p substrato o bulk INTERDIZIONE: la tesioe sul gate è iferiore alla soglia e o si forma il caale. Il MOS è speto ( off ) e la correte è ulla: I D = 0 (B) Elettroica I Fuzioameto del trasistore MOS p. 5 Fuzioameto del trasistore MOS (5/6) Tesioi V GS e V GD maggiori della soglia: V GS V GD > V th source (S) gate (G) drai (D) p substrato o bulk REGIONE LINEARE o REGIONE OHMICA o REGIONE DI TRIODO: la tesioe sul gate è superiore alla soglia, sia dal lato S sia dal lato D; c è il caale e il trasistore MOS coduce. Il caale è ua resisteza o lieare: I D = K ( ) 2(V GS V th ) V DS VDS 2 (B) Elettroica I Fuzioameto del trasistore MOS p. 6 3

4 Fuzioameto del trasistore MOS (6/6) V GS maggiore e V GD miore della soglia: V GS > V th > V GD source (S) gate (G) drai (D) p substrato o bulk REGIONE ATTIVA o REGIONE DI SATURAZIONE: la tesioe sul gate è superiore alla soglia dal lato S, ma è iferiore dal lato D; il caale c è dal lato S ma è strozzato dal lato D. Il trasistore MOS è u VCCS o lieare: I D = K (V GS V th ) 2 (la correte è idipedete da V DS ) (B) Elettroica I Fuzioameto del trasistore MOS p. 7 Caratteristica V-I del trasistore MOS i D TRIODO REGIONE ATTIVA vgs CRESCENTE i D = 0 OFF i D = K ( 2(v GS V th ) v DS v 2 DS ) v DS i D = K (v GS V th ) 2 La caratteristica tesioe-correte riporta la correte di drai i D i fuzioe della tesioe drai-source v DS. Elettroica I Fuzioameto del trasistore MOS p. 8 4

5 Termiologia Attezioe ai omi! Alcui termii soo stati scelti i modo particolarmete ifelice, ma ormai soo etrati ell uso geerale... Nel MOS la regioe ohmica o regioe lieare (o di triodo) o è lieare: la caratteristica V DS -I D è ua parabola. La regioe ohmica o lieare o di triodo del MOS corrispode alla regioe di saturazioe del BJT. La regioe attiva o di saturazioe del MOS corrispode alla regioe attiva del BJT. Elettroica I Fuzioameto del trasistore MOS p. 9 Impiego del trasistore MOS (1/2) Trasistore MOS come iterruttore ei circuiti digitali: commutazioe tra spegimeto (off) e regioe di triodo. i D ON (iterruttore ideale) TRIODO REGIONE ATTIVA OFF v DS Il trasistore MOS i triodo o si comporta come u iterruttore ideale a causa della resisteza del caale. Elettroica I Fuzioameto del trasistore MOS p. 10 5

6 Impiego del trasistore MOS (2/2) Trasistore MOS come amplificatore ei circuiti aalogici: i regioe attiva la correte di uscita i D dipede dalla tesioe di igresso v GS il trasistore MOS si comporta come u geeratore di correte cotrollato i tesioe (amplificatore a trascoduttaza) No è u amplificatore lieare perchè la correte i D varia co il quadrato di v GS : i D = K (v GS V th ) 2 Elettroica I Fuzioameto del trasistore MOS p. 11 Dipedeza dalle dimesioi (1/4) SOURCE GATE W DRAIN t ox L t ox = spessore dell ossido di gate ( oxide thickess ) W = larghezza del gate ( width ) L = lughezza del gate ( legth ) Elettroica I Fuzioameto del trasistore MOS p. 12 6

7 Dipedeza dalle dimesioi (2/4) Il parametro di coduttaza del MOS dipede dai parametri della tecologia di fabbricazioe e dalle dimesioi geometriche: K= 1 2 µε ox W t ox L µ = mobilità dei portatori ε ox = costate dielettrica dell ossido t ox = spessore dell ossido di gate ( oxide thickess ) W = larghezza del gate ( width ) L = lughezza del gate ( legth ) Elettroica I Fuzioameto del trasistore MOS p. 13 Dipedeza dalle dimesioi (3/4) SOURCE GATE W DRAIN t ox L I u circuito itegrato, alcui parametri soo legati alla tecologia di fabbricazioe e devoo essere gli stessi per tutti i trasistori dello stesso tipo: k =µ ε ox t ox ; k p=µ p ε ox t ox µ >µ p perché gli elettroi si muovoo co velocità maggiore delle lacue. Elettroica I Fuzioameto del trasistore MOS p. 14 7

8 Dipedeza dalle dimesioi (4/4) Il parametro di coduttaza di u trasistore MOS a caale N (o P) è: K = 1 W 2 k L K p = 1 W 2 k p L dove k e k p hao lo stesso valore per tutti gli N-MOS e per tutti i P-MOS. La larghezza W e la lughezza L possoo essere diverse per ogi sigolo trasistore. Elettroica I Fuzioameto del trasistore MOS p. 15 Parametri dei trasistori MOS i SPICE I parametri geometrici di ogi trasistore MOS possoo essere specificati elle proprietà del sigolo trasistore: larghezza W, lughezza L, area e perimetro delle regioi di source e di drai (questi ultimi parametri vegoo utilizzati per calcolare i modo più accurato il comportameto dei diodi parassiti tra source e substrato e tra drai e substrato). I parametri comui a tutti i trasistori di u certo tipo soo specificati ua sola volta, all itero di u file che viee letto all iizio della simulazioe: V th (tesioe di soglia):vto i SPICE k (parametro di coduttaza):kp i SPICE t ox (spessore dell ossido di gate):tox i SPICE µ (mobilità dei portatori): U0 i SPICE Elettroica I Fuzioameto del trasistore MOS p. 16 8

9 Circuito co trasistore MOS (1/2) +V DD R D v OUT v IN + M 1 M 1 : V th = 1 V, k = 100µA/V 2, W= 20µm, L=1µm; V DD = 5 V; R D = 5 kω. Trovare il puto di lavoro per v IN = 0 V, 1.5 V e 5 V. Elettroica I Fuzioameto del trasistore MOS p. 17 Circuito co trasistore MOS (2/2) Per la soluzioe di circuiti co trasistori MOS, occorre: fare u ipotesi sul fuzioameto di ogi trasistore MOS (speto, oppure i regioe attiva, oppure i triodo); risolvere il circuito utilizzado le relazioi tesioe-correte della regioe di fuzioameto; verificare che la soluzioe trovata sia compatibile co l ipotesi fatta. Si osservi che le equazioi che esprimoo le relazioi tra tesioe e correte el trasistore MOS soo di secodo grado rispetto alle tesioi; questo può dar luogo a più soluzioi umeriche, delle quali ua sola è fisicamete accettabile. Elettroica I Fuzioameto del trasistore MOS p. 18 9