Struttura del condensatore MOS

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1 Struttura del condensatore MOS Primo elettrodo - Gate: realizzato con materiali a bassa resistività come metallo o silicio policristallino Secondo elettrodo - Substrato o Body: semiconduttore di tipo n o p Dielettrico Diossido di silicio: isolante di buona qualità tra gate e substrato.

2 Transistore NMOS: Struttura Dispositivo a 4 terminali: Gate(G), Drain(D), Source(S) e Body(B). Le regioni di source e drain formano giunzioni pn con il substrato. v SB, v DS e v GS sono sempre positive nelle normali condizioni di funzionamento v SB sempre < v DS e v GS per polarizzare inversamente le giunzioni pn

3 Transistore NMOS: Analisi qualitativa del comportamento I-V V GS <<V TN : Passa solo una debole corrente di saturazione inversa. V GS <V TN : Si forma una regione di svuotamento sotto il gate che si unisce alle regioni di svuotamento di source e drain. Non c è passaggio di corrente tra source e drain. V GS >V TN : Si forma un canale tra source e drain. Se v DS >0, una corrente i D fluisce tra drain e source i B =0 e i G =0.

4 Transistore NMOS: Caratteristiche della regione di triodo per v GS V TN v DS 0 dove, K n = K n W/L K n =m n C ox (A/V 2 ) C ox = ox /T ox i K D n v V v DS GS TN 2 v DS ox = permittività dell ossido (F/cm) T ox= spessore dell ossido (cm)

5 Transistore NMOS: Caratteristiche della regione di triodo (cont.) 1 Le caratteristiche di uscita sembrano essere lineari. Il FET si comporta come un resistore connesso tra source e drain controllato dalla tensione gate-source R on i D 1 v DS v 0 K DS n ' W 1 Q pt L V GS V TN V DS K n ' W vds 0 L V GS V TN

6 MOSFET come resistore controllato in tensione Esempio : Attenuatore controllato in tensione v o vs R on R on R 1 1 K n RV V GG TN Se K n =500mA/V 2, V TN =1V, R=2k e V GG =1.5V, quindi, v o vs ma V V Per rimanere nella regione di triodo, v v V v o V V DS GS TN GG TN o 0.667v (1.5 1)V o S v S 0.750V

7 Transistore NMOS: Regione di saturazione Se v DS cresce oltre il limite della regione di triodo, scompare lo strato di inversione, condizione anche detta strozzamento del canale (pinch-off). La corrente satura ad un valore costante, indipendente da v DS. Il funzionamento in regione di saturazione è utilizzato principalmente per l amplificazione analogica.

8 Transistore NMOS: Regione di saturazione (cont.) i D K n 2 W L v GS V TN v DSAT v GS V TN 2 per v DS v GS V TN È anche chiamata tensione di saturazione o di pinch-off

9 Transconduttanza di un dispositivo MOS La transconduttanza lega i cambiamenti nella corrente di drain a variazioni nella tensione gatesource g m di D dv GS Q pt Prendendo la derivata dell espressione della corrente di drain in regine di saturazione, g m K n ' W L (V GS V TN ) 2I D V V GS TN

10 Modulazione della lunghezza di canale Quando v DS cresce oltre v DSAT, la lunghezza della regione di svuotamento, DL, aumenta determinando una riduzione di L. i D cresce leggermente con v DS invece di rimanere costante. i K n ' W D 2 L v GS V TN 2 1vDS parametro di modulazione della lunghezza di canale

11 MOSFET a svuotamento Transistori NMOS con V 0 TN Viene utilizzato un processo di impiantazione ionica per creare una regione di tipo n che collega le regioni di source e drain Per v GS =0 la corrente di drain è diversa da zero, e per interdire il dispositivo è necessaria una v GS negativa.

12 Caratteristiche di trasferimento dei MOSFET Grafico della corrente di drain rispetto alla tensione gatesource per una tensione drain-source definita

13 Effetto body Valori di v SB diversi da zero modificano la tensione di soglia, causando l effetto body che puo essere descritto da V V TN TO v SB 2 F 2 F dove V TO = Valore della tensione di soglia per V TN (V) parametro relativo all effetto body V 2F F = parametro relativo al potenziale superficiale (V)

14 Transistori PMOS ad arricchimento: Struttura Regioni di source e drain di tipo p in un substrato di tipo n. É necessario che v GS <0 per creare uno strato di inversione di tipo p nella regione di canale Per il flusso di corrente, v GS< v TP Per mantenere una polarizzazione inversa sulle giunzioni di source-substrato e drain-substrato, v SB <0 e v DB <0 All aumentare della tensione bulk-source V TP diventa ancora più negativa

15 Transistori PMOS ad arricchimento: Caratteristiche di uscita Per V V GS TP, il transistore è interdetto Per valori ancora più negativi di v GS, la corrente di drain cresce. Il PMOS si trova nella regione di triodo per bassi valori di V DS e nella regione di saturazione per valori elevati.

16 Simboli circuitali del MOSFET (g) e (i) sono i simboli maggiormente utilizzati nel progetto VLSI. I dispositivi MOS sono simmetrici In un NMOS, il drain corrisponde alla regione n + che si trova a potenziale maggiore In un PMOS il drain corrisponde alla regione p + che si trova a potenziale minore

17 Capacità interne nei dispositivi elettronici Limitano le prestazioni ad alta frequenza del dispositivo elettronico a cui sono associate. Limitano il tempo di commutazione dei circuiti nelle applicazioni digitali Negli amplificatori limitano l intervallo di frequenze a cui l amplificazione assume valori adeguati Le capacità nei MOSFET dipendono dalla regione di funzionamento e sono funzione non lineare delle tensioni sui terminali del dispositivo

18 Capacità del transistore NMOS: Regione di triodo C GS C GC 2 C GSO W C ox " WL 2 C GSO W C GD C GC 2 C GSO W C ox " WL 2 C GSO W C ox = Capacità gatecanale per unità di area (F/m 2 ) C GC = Capacità gate-canale totale C GS = Capacità gate-source C GD = Capacità gate-drain C GSO e C GDO = capacità di sovrapposizione (F/m)

19 Capacità del transistore NMOS: Regione di triodo (cont.) C SB C J A S C JSW P S C DB C J A D C JSW P D C SB = Capacità sourcesubstrato C DB = Capacità drainsubstrato A S e A D = Area di diffusione di source e drain P S e P D = Perimetro di source e drain

20 Capacità del transistore NMOS: Regione di saturazione Il drain non è più collegato al canale C GS 2 3 C GC C GSO W C GD C GDO W

21 Capacità del transistore NMOS: Regione di interdizione Non esiste alcun canale. C GS C GSO W C GD C GDO W C GB C GBO W C GB = Capacità gatebody C GBO = Capacità gatebody per larghezza unitaria