Dispositivi e Tecnologie Elettroniche. Il transistore MOS

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1 Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS

2 Il transistore MOS La struttura MOS a due terminali vista può venire utilizzata per costruire un condensatore integrato È la struttura base del transistore MOSFET MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor Si tratta di un transistore in cui la corrente scorre tra due terminali (source e drain) controllata dal campo elettrico dovuto alla tensione di controllo sul terzo terminale (gate) è dovuta a un solo tipo di portatori (monopolare) Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS 2

3 La famiglia dei MOS Esistono 4 tipi di transistori MOS 2 a canale n e 2 a canale p I transistori MOSFET a canale n (nmos) sono realizzati su un substrato di tipo p nmos ad arricchimento (enhancement) o normalmente off nmos a svuotamento (depletion) o normalmente on I transistori MOSFET a canale p (pmos) sono realizzati su un substrato di tipo n pmos ad arricchimento (enhancement) o normalmente off pmos a svuotamento (depletion) o normalmente on Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS 3

4 / / *, 5 /, 5 *, 5 / / *, 5 /, 5 *, 5 Simboli circuitali 5 F 5 = H H E?? D E A J = I L K J = A J = H H E?? D E A J = H H E?? D E A J = I L K J = A J = H H E?? D E A J Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS 4

5 N nmos ad arricchimento Il MOSFET a canale n ad arricchimento ha la seguente struttura 5 K H? A / = J A, H = E Le zone n + devono essere il più possibile allineate ai lati del gate L è la lunghezza di canale F I K > I J H = J A? J = J J Corrente di elettroni tra il source e il E I K > I J H = J Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS 5

6 O N nmos: tecnologia Una sezione più realistica di un nmos 5 K H? A / = J A, H = E. E N A. E N A F I K > I J H = J A il contatto di substrato è realizzato mediante una diffusione p + di fianco al source o al drain Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS 6

7 F F pmos ad arricchimento Il pmos ad arricchimento ha drogaggio simmetrico rispetto al nmos 5 K H? A / = J A, H = E I K > I J H = J A? J = J E I K > I J H = J Corrente di lacune tra il source e il drain Studieremo il nmos e ricaveremo i risultati sul pmos per simmetria scambiando il segno delle correnti e delle tensioni Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS 7

8 5 nmos:funzionamento V GS > V th : si forma il canale conduttivo tra drain e source V DS > 0: I DS 0 positiva entrante nel drain? = = K J J E L = I L K J = J = I K > I J H = J F La corrente di gate è nulla in condizioni stazionarie * 5 V BS e V BD devono essere negative o nulle Le tensioni sono riferite al source Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS

9 4 5 5,, N nmos:modello distribuito 4 4? D N 4 4 * 5 B? D N Il potenziale di canale φ ch (x) è riferito al source φ ch (0) = 0 (source) e φ ch (L) = V DS (drain) Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS 9

10 F O N 5 O F O Potenziale alla sezione x N N, N? H A I? A J N O B B F B? D N * 5 J La tensione sull ossido V ox = V GS V FB φ S dipende solo da V GS e dal potenziale di canale (tensione V DS ) Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS 0

11 Carica Q t (x) La carica totale alla sezione x, Q t (x) vale: Q t (x) = C ox V ox (x) La tensione sull ossido V ox dipende dalla posizione x lungo il canale conduttivo attraverso φ ch (x): V ox (x) = V GS V FB 2φ p φ ch (x) La carica nella sezione in x vale: Q t (x) = C ox (V GS V FB 2φ p φ ch (x)) Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS

12 Carica Q d (x) La carica nella zona svuotata dipende dalla polarizzazione del substrato V BS e dal potenziale di canale. La tensione che cade sulla zona svuotata risulta pari a φ S V BS In regime di inversione vale φ S = 2φ p + φ ch La carica presente nella zona svuotata diventa: Q d (x) = 2qɛN A 2φp + φ ch V BS Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS 2

13 Carica Q n (x) La carica nello strato di inversione si determina come sempre da: Q n (x) = Q t (x) Q d (x) Sostituendo le espressioni di Q d e Q t si ricava Q n (x) = C ox (V GS V FB 2φ p φ ch ) + 2qɛN A (2φ p + φ ch V BS ) Ricordando l espressione della tensione di soglia di un sistema MOS con substrato di tipo p: (2φ V th = V FB + 2φ p + γ B p V BS ) Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS 3

14 Tensione di soglia l espressione della carica di canale alla sezione x diventa: Q n (x) = C ox (V GS φ ch V th ) + γ B C ox ( 2φp + φ ch V BS 2φ p V BS ) Il primo addendo corrisponde al controllo di carica lineare La parte non lineare è proporzionale a γ B (effetto body) e può essere trascurata se il drogaggio del substrato è sufficientemente basso Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS 4

15 Tensioni di pilotaggio Con la tensione V GS aumenta Q t e non varia Q d aumenta Q n Con la tensione V BS (negativa) aumenta Q d e non varia Q t decresce Q n Con la tensione V DS il potenziale di canale cresce in ogni sezione del canale ( x) diminuisce Q t e aumenta Q d decresce Q n La carica di canale al drain è minore che al source: il canale tende a strozzarsi al drain per V DS crescenti Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS 5

16 5 O N Regione lineare Se V DS 0 (V DS > 0) il canale conduttivo è popolato in maniera uniforme dal source al drain Il transistore si comporta come un resistore J D La conduttanza di canale, legata alla carica di canale, è pilotata dalla tensione di gate G ch = W L µ nc ox (V GS V th ) I K > I J H = J F La corrente I DS cresce linearmente con V DS (I DS = G ch V DS ) * 5 9 = H C D A E? = = A = I I A Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS 6

17 5 Strozzamento del canale Per V DS crescenti il canale si strozza verso il drain mentre la zona svuotata si estende I DS cresce meno che linearmente con V DS J D La corrente che scorre tra drain e source è costante in ogni sezione del canale, anche se la carica di canale varia.? = = K J J E L = I L K J = J = * 5 Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS 7

18 5 Saturazione Per V DS = V DSS tensione di saturazione il canale si strozza completamente al drain J D 5 I DS non cresce più al crescere di V DS I DS è controllata solo dalla tensione di gate? = = K J J E L = I L K J = J = * 5 Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS

19 Corrente I DS La corrente che scorre tra drain e source (positiva entrante nel drain) si calcola come: dove: I DS = W Q n (V GS, V DS, V BS, φ ch ) µ n E x E x = dφ ch dx Integrando a entrambi i membri lungo il canale: L VDS I DS dx = W µ n Q n (V GS, V DS, V BS, φ ch )dφ ch 0 0 Poichè I DS è costante, a primo membro ottengo I DS L Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS 9

20 Caratteristica di uscita Sostituendo la relazione del controllo di carica, l integrale si risolve analiticamente: ] I DS = W L µ nc ox [(V GS V th ) V DS 2 V DS 2 { [ W 2 γ B L µ nc ox (2φ p + V DS V BS ) 3 3 } 2φ p V BS V DS (2φ p V BS ) 3 ] Il primo addendo deriva dal controllo di carica lineare e fornisce la caratteristica quadratica del MOSFET. La correzione è proporzionale a γ B e può venire trascurata se il substrato ha drogaggio suff. basso Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS 20

21 Caratteristica quadratica La relazione ] I DS = W [(V L µ nc ox GS V th ) V DS 2 V DS 2 non ha valore per V DS > V GS V th = V DSS. Si dimostra che a tale tensione il canale è completamente strozzato al drain. In queste condizioni la corrente non cresce più con la tensione V DS e rimane costante al valore I DS,sat = 2 W L µ nc ox (V GS V th ) 2 Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS 2

22 !! Caratteristiche del nmos I DS = [ W L µ n C ox (V GS V th ) V DS ] 2 V DS 2 V DS < V DSS 2 W L µ nc ox (V GS V th ) 2 V DS > V DSS! #? = H = J J A H E I J E? D E K I? E J = J H = I? = H = J J A H E I J E? =! # 5 # # ) # % # # ) # J D # # # # # # #!! # " # # Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS 22

23 ! Regioni di funzionamento V DS 0 zona lineare: I DS è proporzionale a V DS J H I = J K H = E A V DS < V DSS zona triodo: I DS cresce meno che linearmente con V DS V DS > V DSS zona di saturazione: I DS non dipende da V DS, solo da V GS )! # # # # # # #!! # " E A = H A E J A E E A V GS < V th zona di interdizione: I DS = 0 Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS 23

24 5 5 Regolazione di V th La tensione di soglia può venire regolata mediante un impiantazione ionica superficiale di drogante La tensione di banda piatta viene modificata E F E = J = E A J A? H A I? A I K > I J H = J F V FB = V FB qn dd C ox + qn da C ox N dd,a : concentrazioni impiantate per unità di area (dose) V th = qn dd C ox + qn da C ox * 5 * 5 E F E = J = E A F J D? H A I? A I K > I J H = J F Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS 24

25 !! nmos normalmente on Mediante impiantazione ionica di tipo n la tensione di soglia può diventare negativa In questo caso il canale è preformato (nmos a svuotamento o normalmente ON) Per V GS = 0 il dispositivo è già in conduzione! #! # # # ) % # ) J D # # # # # # # # # #!! # " # # Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS 25

26 Transistore pmos Scambiando i segni alle tensioni e alle correnti il canale si forma per V GS < V th V th è negativa per il dispositivo normalmente off (cfr. lucidi Sistema MOS ) I DS entrante nel drain è negativa per V DS < 0 V DSS = V GS V th è negativa I DS = W L µ pc ox [(V GS V th ) V DS 2 V 2 DS 2 W L µ pc ox (V GS V th ) 2 ] V DS > V DSS V DS < V DSS Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS 26

27 Caratteristiche pmos V DS 0 zona lineare: I DS è proporzionale a V DS V DS > V DSS zona triodo: I DS cresce meno che linearmente con V DS V DS < V DSS zona di saturazione: I DS non dipende da V DS, solo da V GS "! #! # # # # # # # # # % # # ) J D # # ) # #!!! # Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS 27! #

28 pmos normalmente on Mediante una impiantazione ionica superficiale la tensione di soglia del pmos può diventare positiva In questo caso il canale è preformato (pmos a svuotamento o normalmente ON) Per V GS = 0 il dispositivo è già in conduzione "! #! # # # # # # # # # % # # ) J D # # ) # #!!! #! # Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS 2

29 !! J D J D J D J D Sintesi transitori MOS 5 H = A J A B B # F 5 H = A J A B B # "! #! # # #! # # # # ) # % # # # % # # ) # # #!! # # # #!! # " 5 H = A J A # F 5 H = A J A # "! #! # # #! # # # # ) # % # # # % # # ) # # #! # # #!! # "! # Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS 29

30 5 Effetti di non idealità Per V DS > V DSS il punto in cui il canale è strozzato si sposta verso sinistra La corrente cresce lentamente con V DS per effetto dell aumento della conduttanza del canale J D 5 Gli elettroni sono trasportati attraverso la zona svuotata dal campo elettrico creato da V DS V DSS. * 5 N Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS 30

31 "! Transistore nmos reale I DS = [ W L µ n C ox (V GS V th ) V DS ] 2 V DS 2 V DS < V DSS 2 W L µ nc ox (V GS V th ) 2 [ + λ (V DS V DSS )] V DS > V DSS " #! # ) # % # # # # #! " Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS 3

32 Breakdown Per V DS 0 la corrente I DS cresce bruscamente per fenomeni di breakdown Breakdown della giunzione drain-bulk (source-bulk) Moltiplicazione a valanga per effetto di elettroni ad alta energia nella parte strozzata del canale (campi elettrici elevati) breakdown dell ossido (E ox > 0.07 V/Å) I primi due fenomeni sono reversibili se non si crea un danneggiamento del reticolo di Si, mentre il terzo è distruttivo per l ossido. Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS 32

33 / *, 5 Tensione di substrato In un nmos deve essere V BS 0 per evitare di polarizzare direttamente la giunzione source-bulk. Per V BS < 0 e V BS crescente la tensione di soglia cresce è più difficile pilotare il nmos in conduzione In molte applicazioni il source e il bulk sono collegati tra di loro e il transistore si può studiare come un dispositivo a tre terminali Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS 33

34 , /, *, 5, / *, 5, * Misura della tensione di soglia La tensione V th si misura con il MOS in saturazione: V DS = V GS V DS > V GS V th I DS varia linearmente con V GS V th * 5 * 5 * 5 " # # # # # # J D J D J D J D Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Il transistore MOS 34