Semiconductor Field. Transistor (MOSFET) Effect. Dispositivi elettronici INTRODUZIONE. E-nMOSFET. E-nMOSFET Tensione al Gate

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1 ommario isositivi elettroici MetalOxide emicoductor Field Effect Trasistor (MOFET) Come è fatto u MOFET a caale Pricii di fuzioameto Caale di iversioe Calcolo di vs V Curve vs V e vs V Modulazioe di lughezza di caale imboli circuitali Circuiti equivaleti i C Estesioe ai MOFET a caale NTROUZONE EMOFET questa arte iiziale studieremo il MOFET a caale ad arricchimeto (o Ehacemet chael MOFET) uccessivamete si estederà l aalisi agli altri disositivi: ource () W Metallo ate () Caale Ossido (io ) rai () MOFET (caale a svuotameto) EMOFET (caale ad arricchimeto) MOFET (caale a svuotameto) ubstrato tio (ody) (sarao chiariti i seguito il sigificato di questi termii). ody () geere W >> EMOFET Asseza di olarizzazioe al ate ate () ource () rai () V EMOFET Tesioe al ate () V RC Tiica cofigurazioe ody () RC Per ogi valore di V, o c è correte

2 MOFET Tesioe al ate EMOFET Tesioe al ate V V V V () () EMOFET Tesioe al ate Tesioe di soglia EMOFET Tesioe al ate Tesioe di soglia V () V V () V Caale idotto Caale idotto EMOFET Tesioe al ate Alicado ua tesioe ositiva al ATE, iizialmete si resigoo le lacue del semicoduttore e si ha u allargameto della RC sotto il gate; Oltre ua certa tesioe di gate, detta tesioe di soglia,, l camo elettrico resete sotto il gate riesce a richiamare elettroi liberi che tederao ad accumularsi sotto il gate, co la formazioe di u caale coduttivo (caale idotto) che collega il drai co il source. Aumetado ulteriormete la tesioe di gate, V, si aumeta la oolazioe di elettroi liberi el caale idotto. NOTA: Tale descrizioe (cocettualmete corretta) ha motivazioi fisiche qui o illustrate. i rimada al corso di microelettroica. EMOFET Tesioe al rai (iccola) co V > Tesioe di soglia V V V V V V

3 EMOFET Tesioe al rai (iccola) co V > Tesioe di soglia V EMOFET Tesioe al rai (iccola) co V > Tesioe di soglia V V V V V V V V > V >> V V EMOFET Tesioe al rai (iccola) co V > Alicado ua tesioe ositiva (iccola) al drai, co al gate ua tesioe ositiva maggiore della tesioe di soglia,, si ha flusso di elettroi (siti dal camo elettrico) che dao luogo ad ua correte di drai. a correte di drai diede dalla resistività del caale (ossia dal umero di elettroi liberi el caale) Aumetado la tesioe di gate, V, si aumeta la oolazioe di elettroi liberi el caale idotto (co coseguete riduzioe della resistività di caale) e di cosegueza si aumeta la correte di drai. EMOFET Tesioe al rai elevata V >> V V al Puto di vista tatico: Alicado tesioe al rai, si iduce ua caduta di tesioe V lieare el caale. V V Ciò comorta ua V riduzioe della tesioe tra il gate e il substrato lugo il caale. o sessore del caale elettroico tederà a ridursi i rossimità del drai. EMOFET Tesioe al rai elevata EMOFET Tesioe al rai elevata V >> V V V V >> V V V Per basse V lo strozzameto del caale è trascurabile. Zoa NEARE V Aumetado ulteriormete V lo strozzameto del caale comorta u calo di coducibilità. V

4 EMOFET Tesioe al rai elevata EMOFET Tesioe al rai elevata V >> V V V =V V >> V V V =V Per V = V, il caale è comletamete strozzato (ichedoff) e la satura. V Per V > V V Variazioe, la rimae Piccola costate (vedremo iù avati che o è rorio vero). V EMOFET Calcolo delle caratteristiche V EMOFET Calcolo delle caratteristiche V dt Carica dq E = V(x) Voltage V x x Codizioi: V > V < V (zoa lieare) Alla osizioe x la tesioe tra gate e caale vale: V V(x) co V(x) [ V ] dt Carica dq E = V(x) Voltage V x x l camo elettrico iduce ua velocità di deriva ari a: a carica elettroica i vale: dq ( x) = C W ( V V( x) V ) ox co C OX ε = t OX OX l camo elettrico E lugo il caale vale: E = = µ E(x) = µ dt EMOFET Calcolo delle caratteristiche V dt Carica dq E = V(x) Voltage V x x si uò quidi a correte di deriva risultate uò essere calcolata moltilicado la dq(x) carica er uità di lughezza ( ) er la velocità di deriva: dv = µ CoxW ( V V( x) V ) Essedo la correte costate lugo il caale: = ( x) C W ( V V( x) V ) dv( x) scrivere: = µ ox EMOFET Calcolo delle caratteristiche V = V tegrado lugo il caale: µ C ox W ( V V( x) V ) dv( x) i ottiee la relazioe valida i zoa lieare: W V = µ Cox ( V V) V saturazioe, oedo V =V V t si ottiee: ( ) = µ Cox V V

5 EMOFET Calcolo delle caratteristiche V NOTA: i saturazioe la correte o diede da V, OO erché lo abbiamo imosto oi!! fatti abbiamo suosto che er V >V la cofigurazioe del caale o cambi e che quidi la correte, er tali valori di tesioe, sia ari a alla correte calcolata er V =V a quatità µ COX è ua costate determiata dal rocesso tecologico ed è ota come: trascoduttaza di rocesso: ' k = µ C OX MOFET MOFET a caale a svuotameto Nel EMOFET, co tesioe ulla al gate o c è il caale formato. isoga dare tesioe ositiva al gate, oltre la tesioe di soglia ( ositiva), er arricchire il caale di elettroi. Nel MOFET (caale a vuotameto o eletio), co tesioe ulla al gate il caale è già formato. isoga dare tesioe egativa al gate, iferiore alla tesioe di soglia ( egativa), er svuotare il caale e segere il disositivo. Per il MOFET, valgoo tutte le relazioi dell EMOFET co la sola differeza <. E e MOFET sitesi: EMOFET raficamete: V < isositivo seto = V > e V < V isositivo acceso (o V > ) i zoa lieare ( ) W V = k V V V V > e V > V isositivo acceso (o V < ) i saturazioe = k ( V V ) = V 1 V ON OA OFF Tesioe V ATE V RAN V aturazioe ieare OURCE MOFET raficamete: E e MOFET imboli circuitali ON OA OFF V RAN V aturazioe ieare OURCE EMOFET MOFET Tesioe ATE V

6 (ma) e E MOFET Caratteristiche V = Zoa ieare V V =V 4 V 3 V aturazioe V V = 1 V V (V) terdizioe V < V e E MOFET Caratteristiche V = vuotameto (eletio) (ma) V Arricchimeto (Ehacemet) V (V) V EMOFET Modulazioe di lughezza di caale V >> V V V =V EMOFET Modulazioe di lughezza di caale Vediamo come si modificao le equazioi che regolao la correte ei MOFET teedo coto dell effetto di modulazioe della lughezza di caale: = k ( V V ) = k ( V V ) 1 W W ( ) = k V V e cala, aumeta! V eeralmete << e quidi: EMOFET Modulazioe di lughezza di caale MOFET Modulazioe di lughezza di caale a variazioe relativa della lughezza di caale / è ressoché lieare co V, quidi ell aalisi circuitale si tiee coto dell effetto di modulazioe della lughezza di caale, iseredo u uovo arametro, λ: 1 W = k ( V V ) ( 1 λv ) Questo comorta ua resisteza di uscita fiita: r = V 1 V = cos t k W = λ ( V V ) 1 1 λ 1 V r = λ imile alla Tesioe Early ei bjt V A = 1/λ A (ma) V 5 V (V) V 4 V 3 V V 1

7 = MOFET Modello circuitale N ATURAZONE V r V = k Nell aalisi C si trascura ( V V ) ource () MOFET W Metallo ate () Caale ubstrato tio (ody) ody () Ossido (io ) rai () geere W >> MOFET E e MOFET imboli circuitali l MOFET fuzioa, cocettualmete, allo stesso modo dell MOFET. versi delle tesioi e delle correti soo ivertiti: esce dal drai, V < V < er avere il caale EMOFET ad arricchimeto < MOFET a svuotameto > EMOFET MOFET e E MOFET Caratteristiche V Arricchimeto (Ehacemet) (ma) V vuotameto (eletio) = V V (V) E e MOFET V > isositivo seto = V < e V > V isositivo acceso (o V < ) i zoa lieare W V = k ( V V) V V < e V < V isositivo acceso (o V > ) i saturazioe = k ( V V ) = V 1 V

8 EMOFET raficamete: MOFET raficamete: OA OFF OURCE ieare OFF OA OURCE ON V aturazioe ON V V ieare Tesioe ATE V RAN V Tesioe ATE V RAN V aturazioe