il diodo a giunzione transistori ad effetto di campo (FETs) il transistore bipolare (BJT)

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1 Contenuti del corso Parte I: Introduzione e concetti fondamentali richiami di teoria dei circuiti la simulazione circuitale con SPICE elementi di Elettronica dello stato solido Parte II: ispositivi Elettronici il diodo a giunzione transistori ad effetto di campo (FETs) il transistore bipolare (BJT) Parte III: Circuiti amplificatori a transistori discreti amplificatori a BJT e FETs

2 Il transistor: principio di funzionamento Transistor Transfer Resistor (resistenza di trasferimento) dispositivo elettronico con 3 terminali la tensione (corrente) al terminale di controllo determina la conducibilità (corrente) tra i terminali A e B se la corrente assorbita dal terminale di controllo è trascurabile il dispositivo si comporta come un resistore non lineare tra A e B Applicazioni principali: interruttore controllato (elettronica digitale) amplificazione di segnali elettrici (elettronica analogica)

3 Il transistore MOSFET transistori FET (Field Effect Transistors): MOSFETs e JFETs il MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) è il componente fondamentale dei circuiti digitali LSI, come i microprocessori e le memorie. largamente utilizzato in elettronica analogica: amplificatori, riferimenti di tensione/corrente,... ideato da Lilienfield (198), Heil (1935) e Schockley (195). solo negli anni 60 viene sviluppato un processo affidabile per dispositivi commerciali

4 il sistema MOS gate: materiale a bassa resistività, inizialmente silicio policristallino, adesso metallo ossido: inizialmente SiO, attualmente HFO. La possibilità di realizzare un ossido di grande qualità è una delle ragioni fondamentali del successo del Silicio. substrato (Body) : silicio di tipo n (PMOS) o p (NMOS) il sistema MOS costituisce una capacità non lineare (condensatore MOS). In condizioni stazionarie la corrente di gate è nulla.

5 il sistema MOS polarizzato - G << 0 Regione di accumulazione ( G <<0): le lacune sono spinte dal campo elettrico verso l interfaccia creando uno strato di accumulo superficiale. Regione di svuotamento ( G >0): + + G > 0 lacune sono spinte dal campo elettrico lontano dall interfaccia, creando una SCR (carica fissa) elettroni sono attratti alla superficie (carica mobile) Tensione di soglia ( TN ): G per cui la concentrazione di elettroni diventa pari al drogaggio p (inversione di popolazione). alore tipico: ~1. - Regione di inversione: G TN

6 il sistema MOS polarizzato Q n Regione di soprasoglia (inversione) ( G TN ) Q n ( ) G TN G TN Regione di sottosoglia ( G < TN ) Q n e G T TN 0 La carica mobile può essere controllata dall elettrodo di gate: regione a conducibilità variabile (non lineare).

7 MOSFET a canale n (nmosfet) realizzando due elettrodi (rain, Source) che accedono alla regione di carica mobile (canale) si realizza un transistor nmosfet 4 terminali: Gate(G), rain(), Source(S) e Body o Bulk (B). canale: regione dello strato di inversione (carica mobile) L: lunghezza di Gate (canale) struttura simmetrica: S

8 MOSFET a canale n (nmosfet) le regioni di S e formano giunzioni pn con il substrato che vanno polarizzate in inversa B MIN 0, S 0, 0, I B 0 I G 0, I B 0I -I S il terminale B tipicamente non viene indicato la freccia indica il verso delle giunzioni B-S e B- la freccia indica il S e il verso della corrente positiva

9 MOSFET a canale n (nmosfet) larghezza di Gate

10 MOSFET a canale n (nmosfet) <<0 : MOS in accumulazione, non esiste canale, regioni di svuotamento SB e B. < TN : MOS in svuotamento, non esiste canale, la regione di svuotamento sotto il gate si unisce alle regioni di svuotamento di S e. TN : oltra alla regione di svutotamento si forma il canale tra S e.

11 MOSFET a canale n (nmosfet) se TN e >0, una corrente I > 0 fluisce tra e S. Tale corrente dipende da: : determina la R (non lineare) del canale : come in un resistore I/R

12 Caratteristica I del nmosfet I ( ) I f, I 0 K N ( TN ) K N ( ) TN TN TN TN TN TN interdizione triodo saturazione il modello è completamente definito dai due parametri K N e TN K N K ' N W L K ' N µ C C N OX OX ε t OX OX

13 Caratteristica I del nmosfet caratteristica di trasferimento: caratteristica di uscita: ( ) I f, ( ) I f,

14 Caratteristica di trasferimento ( ) I f, I K N ( ) K N 0 ( ) TN TN OFF TRIOO SAT. transconduttanza g m I Q TN TN TN TN TN g m, SAT I TN

15 Caratteristica di trasferimento I (ua) K N TN µa/ ()

16 Caratteristica di uscita ( ) I f, I K N ( ) K N 0 ( ) TN TN OFF TRIOO SAT. In saturazione il MOSFET approssima il comportamento di un generatore di corrente ideale. Applicazione: riferimenti di corrente

17 I (ua) K N TN Caratteristica di uscita µa/ () la corrente di saturazione cresce quadraticamente con per bassi valori di le caratteristiche sono lineari I, sat K N ( ) T

18 Regione lineare in zona triodo 500 I se K N ( ) / << TN TN (regione lineare) I ( u A ) I K N ( TN ) () R I R K N 1 ( ) TN in regione lineare il MOSFET si comporta come un resistore connesso tra S e (R ) controllato dalla Regione lineare: 10 TN 5 TN

19 Modelli equivalenti in C I G 0 G I 0 interdizione S G I G 0 I, sat K N ( ) T saturazione S G I G 0 R K N 1 ( ) T lineare S

20 nmosfet a svuotamento nmosfet con TN 0 sono detti ad arricchimento nmosfet con TN 0 sono detti a svuotamento viene realizzata una regione di tipo n che collega le regioni di source e drain per 0 la corrente di drain è diversa da zero, e per interdire il dispositivo è necessaria una negativa.

21 MOSFET a canale p (pmosfet) S G I S I G I pmosfetpmos+ regioni p + inversione di lacune per GB TP TP <0 per dispositivi ad arricchimento I B B arricchimento le regioni di S e formano giunzioni pn con il substrato che vanno polarizzate in inversa (I B 0) B MAX, SB 0, B 0, I G 0, I B 0I S -I struttura simmetrica: S ( 0) svuotamento

22 Caratteristica I del pmosfet I S ( ) I I f, I S I S K P 0 ( ) K P TP ( ) TP TP TP TP TP TP interdizione triodo saturazione K K P ' P K µ ' P P W L C OX tipicamente <0 il modello è completamente definito dai parametri K P e TP

23 Caratteristiche di uscita i primi MOSFET erano pmos. Col miglioramento dei processi ( 70) la tecnologia diventa nmos con aumento delle prestazioni dovuti alla maggiore mobilità degli elettroni rispetto alle lacune.

24 Analisi in C dei circuiti con MOSFET GG I GG f R I + (, ) risoluzione grafica risoluzione analitica 1. ipotesi su f (OFF, triodo o saturazione). si risolve il circuito e si determina Q 3. si verifica l ipotesi 1

25 Analisi C dei circuiti con MOSFET: Esempio 1 Problema: determinare Q ati: K N 50 µa/, TN 1 GG, 5, R 8.3 kω Soluzione: GG 1 - TN 1 0 M-ON - TN 1 </>? GG Hp: M-SAT K ( ) I n 5 µ A TN R I Hp TN OK Q: (I 5 µa, 1, 4.79)

26 Analisi C dei circuiti con MOSFET: Esempio K I n Hp M-TRIOO 4 ( / ) R TN I 4 I R K n ( / ) TN - TN 3 </>? <4 soluzioni:.3,8.7 Hp: M-SAT 4 K I n TN R I ( ) 1.13 ma.19 TN Hp 8.7 > - TN 3 Hp NO.3 - TN Hp OK, I 1.06 ma NO Q:(I 1.06 ma,.3, 4)

27 Analisi C dei circuiti con MOSFET: Esempio 3 R EQ EQ R 1 R 1 // R R1 + R 4 600kΩ I EQ f + ( R + R ) R S S I I (, ) +

28 Analisi C dei circuiti con MOSFET: Esempio 3 Hp M-SAT EQ + K n R S soluzioni: TN.71, +.66 < TN per -.71 (non valida) I ( R + R ) S - TN Hp OK Q: (I 34.4 µa, 6.08,.66 ) +.66 I 34.4 µa

29 Analisi C dei circuiti con MOSFET: Esempio 4 K n R TN soluzioni: 0.769, non accettabile (M-OFF) I G 0 G - TN M-SAT se ON Hp M SAT R I K I n TN ( ) +.00 I 130µ A 1 Hp OK TN Q: (I 130 µa,.00 )

30 Riferimenti di corrente a MOSFET rete di polarizzazione R L R G GG R S in saturazione la corrente sul carico R L è costante SS se GG >0, SS 0 > 0 (cond. necessaria) se R L ha bisogno del riferimento a massa ( 0) GG <0, SS <0 (cond. necessaria) per evitare tensioni negative è possibile usare riferimenti con pmosfets

31 il MOSFET come driver di corrente la max corrente erogabile dalla sorgente è S /R S la corrente I LE è limitata da R S I LE S R S LE + I G 0 S non deve erogare corrente! LE - R I LE la corrente I LE è fornita da e non da S I LE R LE S R S M 1 I G M 1 tipicamente si polarizza in zona lineare poichè la più bassa consente di avere una più bassa (minore potenza dissipata)

32 il MOSFET come driver di corrente Problema: dimensionare R in modo che I LE 0mA ATI: S 5, R S 5kΩ, 10, LE,ON 1.1 Q 1 : (K N 100µA/, TN 1, W100µm, L1µm ) + LE - R I LE Hp M 1 : LINARE, ON R R K N R 1 ( ) + I S LE LE, ON R TN LE, ON 5Ω R R 5 40Ω TN R R S M 1 S I G 53Ω Hp OK

33 il MOSFET in elettronica digitale Il MOSFET può essere utilizzato come un interruttore controllato dalla tensione di gate, la quale agisce come terminale di controllo in interdizione il MOSFET è assimilabile ad un interruttore aperto tra e S in zona lineare il MOSFET è assimilabile ad un interruttore chiuso tra e S ( 0) nmosfet interuttore normalmente ( 0) aperto pmosfet interuttore normalmente ( 0) chiuso

34 il MOSFET in elettronica digitale in elettronica digitale tale comportamento è usato per la realizzazione delle porte logiche le prime porte logiche erano realizzate usando solo transistori nmos. negli anni 80 la tecnologia nmos viene sostituita con la CMOS (complementary MOS) con drastica riduzione della potenza dissipata. invertitore logico CMOS

35 Lo scaling dei transistor: i circuiti integrati Transistors discreti minimum feat ture size (µm) Transistors integrati i miglioramenti nei processi tecnologici consentono la riduzione della minima L (minimum feature size) 1958: Kilby e Noice sviluppano il primo circuito integrato

36 Lo scaling dei transistor: la legge di Moore Legge di Moore: «Le prestazioni dei processori, e il numero di transistor ad esso relativo, raddoppiano ogni 18 mesi.»

37 Capacità del transistore MOS Gli effetti capacitivi più importanti sono C e C B : dovuti a Cox e C O (C GO ) dipendono dal punto di lavoro riduzione del guadagno ad alta f negli amplificatori limitano la f di funzionamento nei circuiti digitali

38 Capacità del transistore MOS: modello di Meyer C C ox WL GC capacità gate-canale zona lineare C C GC + C W O C C GC + C W G O saturazione C 3 C GC +C O W C G C GO W interdizione C C O W C G C GO W

39 MOSFET reali Modulazione di lunghezza di canale: nei MOSFET a canale corto (L<1µm) I, sat ( ) ( ) T K N 1+ λ Corrente di sottosoglia Effetto Body contribuisce alla potenza dissipata in applicazioni digitali

40 Modello SPICE per il MOSFET Sintassi: M<name> <N> <NG> <NS> <NB> <MNAME> [LAL] [WAL] +[AAL] [ASAL] [PAL] [PSAL] [NRAL] [NRSAL] +[OFF] [IC,, BS] [TEMPT] N, NG, NS, NB : nodi di drain, gate, source, sub. MNAME nome del modello L: lunghezza canale W: larghezza A, AS: aree di drain e source P, PS: perimetri di drain e source NR, NRS: source/drain sheet resistance 7 modelli impostabili attraverso il parametro LEEL Esempio: M TYPE1.MOEL TYPE1 NMOS LEEL3 LEEL1 : Shichman-Hodges model LEEL : geometry-based, analytic model LEEL3 : semi-empirical, short-channel model LEEL4 : BSIM model LEEL5 : EK model version.6 LEEL6 : BSIM3 model version.0 LEEL7 : BSIM3 model version 3.1

41 MOSFET: modello in continua (LEEL1)

42 MOSFET: modello in continua (LEEL1)

43 MOSFET: modello in continua (LEEL1) M<name> <N> <NG> <NS> <NB> <MNAME> [LAL] [WAL] +[AAL] [ASAL] [PAL] [PSAL] [NRAL] [NRSAL] +[OFF] [IC,, BS] [TEMPT] Le resistenze di source/drain possono essere calcolate come: RS R NRS RSH NR RSH RSH: resistenza corrispondente a NRS (NR) pari a 1 NRS (NR): numero di RSH Le correnti inverse di giunzione source/substrato e drain/substrato possono essere calcolate come I JS AS I SS S JS A AS (A): area di source (drain) JS: densità di corrente inversa di giunzione

44 MOSFET: modello per ampi segnali

45 Esempio Problema: simulare le caratteristiche di uscita di un transistore nmosfet (K N100µA/, W10µm, L1µm, TN 1.5, LEEL1) nell intervallo 0 15, per caratteristiche di uscita nmosfet gs 1 0 C 0 ds 0 C 0 M Mmodel L1u W10u.MOEL Mmodel NMOS KP100e-6 +TO1.5 LEEL1.C ds gs PROBE I(M1).EN

46 Junction Field-Effect Transistor (JFET) JFET a canale n: substrato n (canale) e due giunzioni pn che costituiscono il gate. Le giunzioni devono essere polarizzate in inversa così che i G 0 e i i S. La regione non svuotata è il canale. ispositivo a 3 terminali: gate, source e drain. Sebbene meno diffuso del MOSFET, il JFET è largamente impiegato sia in elettronica discreta che integrata, principalmente in applicazioni analogiche e RF. Negli IC è spesso impiegato in processi BiFET, che combinano BJT e JFET. La G modula la larghezza delle regioni di svuotamento e quindi la conducibilità del canale e la corrente. Per 0 il JFET si comporta tra S e come un resistore controllato in tensione di valore R ρ t W L

47 JFET con polarizzazione Gate-Source ( 0) v 0, le giunzioni sono polarizzate in inversa e i G 0 al diminuire di v 0 aumenta la larghezza delle regioni di svuotamento (diminuisce W) e aumenta la R ρ t W L quando v P <0 ( P tensione di pinchoff) il canale si strozza e R Se > 0, una corrente I /R scorre. Tale corrente è max per v 0 il JFET è un dispositivo a svuotamento

48 JFET con polarizzazione >0 all aumentare di v la larghezza della regione di svuotamento non è più uniforme e il canale si comporta come un resistore non lineare. quando v v - P il canale si strozza lato drain. per v v - P la corrente satura e il punto di pinch-off si avvicina lato source.

49 Caratteristica I del JFET a canale n Formalmente identico a quello del MOSFET, con P prende il posto di TN e I S / P che prende il posto di K N. che i 0 for v P P <0 interdizione (OFF) i I S P v P v v v P v P 0 triodo i v I 1 1+ λv S P v v P 0 saturazione (pinch-off)

50 Caratteristica I del JFET a canale n Caratteristica di trasferimento in saturazione Caratteristiche di uscita i I S v 1 P -5< P <0 10 µa<i S <10A

51 JFET a canale p

52 Modello SPICE del JFET Sintassi: J<name> <N> <NG> <NS> <model name> [area value] Esempio: J JNOM.model JNOM NJF BETA1e-5

53 Esempio Problema: simulare la caratteristica di uscita di un JFET a canale n ( P -, I S 40µA) per 0 nell intervallo 0 5. caratteristiche di uscita di un njeft gs 1 0 C 0 ds 0 C 0 J1 1 0 Jmodel.MOEL Jmodel NJF BETA1e-5 +TO-.C ds PROBE I(J1).EN

54 Analisi in C dei circuiti con JFET Il JFET è polarizzato come un MOSFET a svuotamento JFET a canale n nmosfet a svuotamento le giunzioni devono sempre essere polarizzate in inversa non è necessario collegare un circuito di alimentazione al gate poichè P <0

55 Analisi in C dei circuiti con JFET: Esempio Problema: determinare l OP di J. I G 0, I S I ON o OFF? I R S Hp M OFF I 0 0> P Hp NO M ON J TRIOO o SAT.? Hp SAT. I soluzioni : R S S 1 P 1.91, < P -5 non accettabile I I S - /R S 1.91 ma I ( R + R ) S P Q: (I 1.91 ma, 6.7, -1.91) Hp OK