I dispositivi elettronici. Dispense del corso ELETTRONICA L

Transcript

1 I dispositivi elettronici Dispense del corso ELETTRONICA L

2 Sommario I semiconduttori La giunzione pn Il transistor MOS Cenni sul principio di funzionamento Modellizzazione Fenomeni reattivi parassiti

3 Top-down Vs. Bottom-up SYSTEM MODULE + GATE CIRCUIT S n+ G DEVICE D n+

4 I semiconduttori intrinseci Formazione di una coppia elettrone-lacuna In presenza di un campo elettrico

5 I semiconduttori drogati

6 Il diodo B Al A SiO 2 p n Sezione trasversale di una giunzione pn in un circuito integrato A p n B Rappresentazione monodimensionale Al A B Simbolo negli schematici

7 Il modello drift-diffusion Eq. di Poisson ε 2 = V q( n p C ) Eq. di continuità della carica ij = q i R( V, n, p) ij = q ir( V, n, p) n Eq. del trasporto ohmico-diffusivo R( ): descrive la ricombinazione e la generazione di elettroni e lacune C: descrive il drogaggio del semiconduttore J = q ( µ in V D n) J = q ( µ i p V + D p) n n n p p p p

8 I fenomeni fisici diffusione lacune diffusione elettroni (a) Flusso di corrente. p n ρ - + x Distance (b) Densità di carica. ξ x (c) Campo elettrico. Forza elettr. lacune Forza elettr. elettroni V ψ 0 -W 1 W 2 x (d) Potenziale elettrostatico

9 Diodo: la caratteristica I/V Id Regione inversa Regione diretta Vd Modello ideale a soglia nulla I = 0 per V 0 V = 0 per I 0 V VT I = I ( e 1) d S d

10 Un applicazione del diodo

11 Il transistore MOS MOS: Metallo Ossido - Semiconduttore Alluminio Polisilicio - Modello statico ai grandi segnali - Fenomeni reattivi

12 Il transistor MOS DIFFUSIONI Gate Oxyde Gate Il gate è fisicamente isolato dal resto del dispositivo Source n+ Polysilicon Drain n+ Field-Oxyde (SiO 2 ) p-substrate p+ stopper Tra diffusioni e substrato ho una giunzione (un diodo) Bulk Contact CROSS-SECTION of NMOS Transistor 4 terminali Perfetta simmetria (anche nei drogaggi)

13 Principio generale di funzionamento - Normalmente Source e Drain sono isolati tra loro - effetto delle giunzioni verso il substrato (o la well) che sono tenute in polarizzazione inversa. - Applicando un potenziale sul gate, si può richiamare immediatamente sotto l ossido di gate della carica libera dello stesso segno di quella presente nelle diffusioni di source/drain - effetto capacitivo - Questa carica costituisce un canale conduttivo e permette il passaggio di corrente tra source e drain.

14 Funzionamento (II) - La conducibilità tra source e drain viene controllata attraverso il potenziale applicato sul gate - Nel MOST un solo tipo di cariche prende parte ai fenomeni fisici che determinano la conducibilità del dispositivo (dispositivo unipolare) - In altri tipi di transistor (BJT) elettroni e lacune partecipano contemporaneamente ai fenomeni (dispositivo bipolare).

15 Assenza di polarizzazione sul gate SiO 2 n+ n+ SiO 2 p-sub Regioni svuotate Per effetto delle regioni svuotate le diffusioni di drain e di source in condizioni normali risultano isolate dal substrato e tra loro. Se si applica una differenza di potenziale tra drain e source non può passare corrente.

16 Accumulazione Pol (-) del gate per l NMOS e (+) per il PMOS + SiO 2 n+ n+ SiO 2 p-sub Applicando una pol. (-) sul gate, per effetto capacitivo si accumula un sottile strato di carica positiva sotto il gate, provenendo dal substrato.

17 Svuotamento Pol lievemente (+) del gate per l NMOS e lievemente (-) per il PMOS + SiO 2 n+ n+ SiO 2 p-sub Mentre in accumulazione si ha uno strato di carica con spessore idealmente nullo, in svuotamento si ha una regione svuotata con spessore non trascurabile e crescente all aumentare di VG Applicando una lieve polarizzazione positiva sul gate per effetto capacitivo si allontana la carica positiva da sotto il gate, creando anche qui una regione svuotata.

18 Inversione Pol (+) del gate per l NMOS e (-) per il PMOS + SiO 2 n+ n+ SiO 2 p-sub Potenziale di gate diventa sufficientemente elevato => abbassamento della barriera di potenziale all interfaccia tra diffusioni, isolante di gate e substrato => carica libera delle regioni diffuse non più trattenuta. La carica libera delle regioni di diffusione si riversa nel substrato in un sottile strato all interfaccia tra substrato e isolante di gate.

19 Formazione del canale + SiO 2 n+ n+ SiO 2 p-sub Tensione di gate diventa sufficientemente alta => la carica delle regioni diffuse riversata nel substrato forma un sottilissimo strato di carica localizzata all interfaccia tra substrato e ossido d isolamento (CANALE). Drain/source ancora isolati rispetto al substrato, non più isolati tra loro

20 Modello ai grandi segnali del MOS - Modello che si impiega per fare i conti = modello ampiamente semplificato - Modello a regioni di funzionamento: - In realtà un insieme di modelli (3): ne viene selezionato uno in funzione delle differenze di potenziale tra i terminali del dispositivo - Si è già vista una regione di funzionamento: lo spegnimento, per VGS < VTH

21 Funzionamento in regione lineare Ipotesi: Vds piccola, in queste condizioni il transistor si comporta come un resistore controllato elettricamente 2 W V DS W ID = µ ncox ( VGS VTN ) VDS µ ncox ( VGS VTN ) VDS L 2 L ( ) I G V V D GS DS G Conduttanza del dispositivo S D

22 Tensione di soglia DEFINIZIONE (per il dispositivo a canale N): VTN tensione (positiva) che da applicare al gate affinché all interfaccia tra substrato e ossido si abbia una densità di carica pari alla densità di carica libera alla stessa interfaccia in assenza di polarizzazione, ma di segno opposto. VTN dipende dai drogaggi e dalle caratteristiche del materiale di gate. Tipicamente è dell ordine di V. Convenzionalmente:VGS < VTN => non esiste canale: drain e source sono isolativgs > VTN => si ha il canale: drain/source connessi tra loro dal canale. Perchè VGS e non VGB?... Quello che conta è la barriera di potenziale tra il substrato all interfaccia con l isolante e la diffusione che in conduzione deve fornire i portatori di carica, cioè il source.

23 Pinch off Qui è dato da V GS -V TN V DS SiO 2 n+ n+ SiO 2 Qui è dato da V GS -V TN -V DS p-sub Perché il modello precedente vale solo quando VDS è piccola? Al crescere di VDS il canale diventa asimmetrico... Quando VGS-VTN -VDS < 0 (cioè VDS >VGS-VTN) il canale scompare dalla parte del drain. Pinch-off (chiusura del canale): in queste condizioni occorre un nuovo modello.

24 Il transistor in saturazione Quando il canale è strozzato può ancora passare corrente tra drain e source? V DS SiO 2 n+ n+ SiO 2 Sì, perché gli elettroni possono arrivare dal source sino alla zona di strozzamento. Qui è presente un forte campo elettrico che li propelle rapidissimamente sul drain. p-sub source elettroni canale drain pinch-off e salto di potenziale

25 Analogia fluidodinamica

26 La corrente in saturazione Modello di pinch-off o saturazione: descrive il comportamento del MOST solo quando la VDS è grande (>VGS-VTN ) D G S In queste condizioni il transistor funziona come un generatore di corrente controllato La corrente è legata alla tensione VGS con un legame di tipo quadratico. I D ' n 2 W L V GS V TN 2

27 Tipi di amplificatore

28 La modulazione di lunghezza di canale In realtà la formula precedente è un approx. Infatti, i conti che portano alla formula indicata ipotizzano che la lunghezza del canale sia L, ma è po meno, perchè la zona svuotata di pinch-off ha uno spessore non nullo, che cresce al crescere di VDS (VGS -VTN ): modulazione di lunghezza di canale. Se ne tiene conto con un modello semi-empirico: I D ' n 2 W L V GS V TN 2 1 nv DS λn: coefficiente semiempirico di mod. di lunghezza di canale

29 Caratteristica I/V del MOS I D (ma) 2 1 V DS = V GS -V T Triode V GS = 5V Saturation V GS = 4V V GS = 3V square relation SAT I D I D Subthreshold Current V GS = 2V V GS = 1V V DS (V) V T V GS (V) (a) I D as a function of V DS (for V DS = 5V). (b) as a function of V GS Qui la pendenza (conduttanza) è prop. a V GS -V TN I D Qui la pendenza è minima e sarebbe nulla se non ci fosse la modulazione di lunghezza di canale

30 Dispositivo complementare (PMOS) SiO 2 p+ p+ SiO 2 n-sub PMOS: canale di tipo P. Vgs<Vtp Per formare il canale bisogna applicare una tensione negativa sul gate VTP tensione di soglia del dispositivo PMOS: negativa (ordine di grandezza, in modulo, analogo a quello di VTN).

31 NMOS PMOS V GS V TN V SG V TP I D 0 I D 0 V GS V TN, V DS 0, V DS V GS V TN V SG V TP, V SD 0, V SD V SG V TP I D ' n W L 2 V V GS V TN V DS DS 2 I D ' p W L 2 V SD V SG V TP V SD 2 V GS V TN, V DS V GS V TN V SG V TP, V SD V SG V TP I D ' n 2 W L V GS V TN 2 I D ' p 2 W L V SG V TP 2

32 Tecnologia CMOS I I Substrato e well sono contattati e tipicamente tenuti ad un potenziale fisso, uguale per tutti i dispositivi di un IC. Deve essere tale da tenere in inversa le giunzioni con le diffusioni di source e drain. La Well fa da substrato per uno dei 2 tipi di dispositivo (in questo caso il PMOS)

33 Comportamento dinamico del transitor MOS Condensatori parassiti non-lineari tra tutti i terminali. Le capacità più importanti sono quelle di gate (il MOST funziona grazie a fenomeni capacitivi). Per effetto delle capacità di gate il comportamento dinamico del dispositivo può essere fortemente alterato rispetto a quello statico......dinamicamente passa corrente sul gate che dovrebbe essere un terminale di controllo isolato. Il comportamento della capacità di gate dipende dalla regione operativa del dispositivo.

34 Capacità sottosoglia La carica sul gate è compensata dalla carica fissa della regione svuotata SiO n+ + n+ SiO 2 + che compare perchè alcune lacune libere sono drenate dal terminale di bulk p-sub La capacità dominante è tra gate e substrato. La capacità tra gate e drain/source è trascurabile. Capacità difficile da valutare con precisione perchè lo spessore della regione svuotata varia al variare della polarizzazione di gate. In genere si approssima per sovrastima: C = C WL C = ε / t GB OX OX ox ox

35 Capacità a canale formato le quantità A variazioni di incrementali V G ora + di carica corrispondono variazioni sono fornite nella dalle carica del diffusioni. canale SiO 2 n+ n+ SiO 2 p-sub La capacità dominante è tra gate e diffusioni di drain/source La capacità tra gate e substrato è trascurabile. Siccome lo strato è aderente all interfaccia tra substrato e isolante di gate, la capacità complessiva è CoxW L. Come si ripartisce tra CGS e CGD? Difficile da valutare in modo esatto. In generale si approssima: 1 CGS = CGD = COXWL 2

36 Capacità in pinch-off ancora a variazioni di V G corrispondono variazioni nella carica del canale SiO 2 n+ n+ + quantità incrementali di carica fornite da una sola diffusione SiO 2 p-sub La capacità dominante è tra gate e diffusione di source La capacità tra gate e substrato e tra gate e drain è trascurabile. Siccome il canale è fortemente asimmetrico, è difficile valutare in modo esatto questa capacità. Generalmente si approssima in: 2 CGS = COXWL 3

37 Capacità delle diffusioni (S e D) Side wall W Source N D Bottom x j L S Side wall Substrate Channel

38 Approfondimenti Giustolisi, Palumbo. Introduzione ai dispositivi elettronici. Ed. FrancoAngeli Rabaey. Digital Integrated Circuits. Prentice Hall Eds. Lucidi del prof. Callegari.