Introduzione al Mosfet e ai suoi impieghi circuitali

Descrizione del circuito GATE to BRAINSOURCE

Il simbolo circuitale è il seguente: DG B5 Per Vgs<<Vtn e i contatti di drain, source e body in comune e collegati a massa, le giunzioni PN collegano le 2 regioni di source e drain. In tale modo solo una minuscola corrente di contropolarizzazione fluisce attraverso i 2 terminali. Per Vgs<Vtn, si inizia a formare una regione di svuotamento nella zona sottostante l'elettrodo di gate che si unisce alle regioni di svuotamento associate alle regioni di source e drain. Le correnti sono ancora trascurabili. Per Vgs>Vtn, nel canale si forma uno strato di inversione costituito da elettroni provenienti dalle regioni di source e drain che vengono quindi collegate. Applicando una tensione positiva tra drain e source, indicata con Vds, viene indotto un campo elettrico nel canale e ha origine un flusso di corrente elettrica. Il terminale di gate è isolato dal canale.sia maggiore della tensione di soglia Vth del Mosfet. In particolare, se Vox(x) > Vth, allora si avrà la formazione dello strato di inversione e quindi la conduzione di corrente nel canale. La corrente Ids può essere calcolata utilizzando l'equazione di Shockley: Ids = μnCox(W/L)(Vgs - Vth - Vds/2)Vds Dove: - μn è la mobilità degli elettroni nel canale - Cox è la capacità relativa all'ossido per unità di area - W è la lunghezza del canale - L è la larghezza del canale - Vgs è la tensione gate-source - Vth è la tensione di soglia del Mosfet - Vds è la tensione drain-source La corrente Ids dipende quindi dalla tensione Vgs, dalla tensione Vth e dalla tensione Vds. In particolare, se Vgs - Vth > Vds/2, allora il Mosfet si trova in regione di saturazione e la corrente Ids sarà massima. Al contrario, se Vgs - Vth < Vds/2, il Mosfet si trova in regione di triodo e la corrente Ids sarà minore. È importante notare che la corrente Ids dipende anche dalla mobilità degli elettroni nel canale, che a sua volta dipende dalla temperatura e dalla densità di carica nel canale. Inoltre, la corrente Ids può essere influenzata anche da altri fattori come la temperatura ambiente, la tensione di alimentazione e la resistenza di carico. In conclusione, la corrente Ids di un Mosfet in regione lineare può essere calcolata utilizzando l'equazione di Shockley e dipende dalla tensione gate-source, dalla tensione di soglia e dalla tensione drain-source.

siamaggiore di Vtn. Pertanto Q’ è nulla per valori di Vox inferiori a Vtn. Al source vale quindi: Vox = Vgs, mentre al drain vale: Vox = Vgs -Vds.

La corrente di deriva degli elettroni in un punto arbitrario èI CHQ Oxx a xQ’ è fornito dall’espressione precedente, mentre Vx(x) è la velocità degli elettroni nel canale e vale:Ex exChaOx penAllora: IKinWHil Vox CHEx alH ExCha doCox pma diNah KinW atCox offtenIvan Kini txt W dontdis Cox 1 pmIntegrando tra 0 ed L: li txt V.int pndoHdxafwcoilooxlxt0

La corrente di elettroni I(x) è uguale in ogni punto del canale, quindi:i XI di idi_Ids I lDsKinW alVox doHI l Cox 1Ds pm aa W KinSas oh pendola aèWe Kin ipocoten IIn conclusione: Wfà KinIossa TGS 0I'm tossPer semplicità si può porre:Coi i µ kmkmkmµ aaIn sintesi, per: Vgs-Vtn>Vds>0: KinTGSI km Jas0ozs aMosfet in regione di saturazione:Quando Vgs-Vtn>Vds>0, il Mosfet è in

Vds.Vds.È possibile tracciare una famiglia di curve che rappresenti la corrente Ids all’aumentare della tensione Vds per diversi valori della tensione Vgs: I osss Tgsè JDSEffetto di modulazione della lunghezza di canale:In realtà, Ids aumenta leggermente all’aumentare di Vds nella regione di saturazione. Ciò è dovuto all’effetto di modulazione della lunghezza di canale. L’espressione della corrente viene perciò modificata come segue: trussKinTgs II YtengaseDove il parametro lambda è detto parametro di modulazione della lunghezza di canale e dipende dalla lunghezza del canale. Le curve diventano quindi le seguenti:I osss TgsA JDSTensione di accensione dei dispositivi Mosfet:Il canale si dice acceso quando la densità di elettroni superficiale uguaglia il valore dei portatori maggioritari presenti nel canale all’equilibrio termodinamico. Ricordando la legge della giunzione, si a che la concentrazione dielettroni nel canale è pari a: 94KTNÉ eMpa Dove ns è una concentrazione superficiale. La condizione di inversione inizia a: 94KTNÉ NAPro Np E 1 Dove ψs* è il potenziale superficiale l'inversione. Vale: ah a2kattenta lnfn.hn lnlNns a2ksiYB Dove ψb è la variazione dal livello di Fermi rispetto quello intrinseco espressa in potenziale: EFakqTlmEFiq In Quando la tensione fra body e source (Vbs) è diversa da zero l'inversione non si raggiunge a: ψs*, ma a: ψs* + Vbs. La tensione al Gate può essere vista come: ψs + Vox. Se risulta applicata un potenziale al body si ha: Vg Vas VisVoxta All'inversione vale: Vt VasVa Vi Vastoro ia Cox All'inizio dell'inversione possiamo porre: Qg = -Qsc, trascurando Qn, dato che il canale è molto piccolo e può essere considerato un impulso di carica. Vale: Org YE289Mt Visse Si avrà che: 243 243ZEGNAVt VisCox È da notare che dopo

l'inversione ψs resta pressoché bloccato a 2ψb e quindi la regione di carica spaziale si ferma al seguente valore:Wsenaxa2qE.FI iDato che la carica sul Gate dipende linearmente dalla tensione applicata al Gate, e quindi la variazione di tensione applicata al Gate siapprezza nella variazione considerevole di Qn che invece dipende esponenzialmente da un potenziale:9µsHTCtipoMsCapacità parassite dei Mosfet:Anche nel Mosfet come in tutti i dispositivi elettronici sono presenti delle capacità interne che ne limitano le prestazioni ad altre frequenze.Vediamo le capacità in regione di interdizione: Mt MtpIn questa regione non c’è canale quindi il Gate presenta delle capacità con il Drain e il Source dette capacità di overlap dovute allasovrapposizione dell’ossido sulle diffusioni. Inoltre le regioni di Drain e source formano delle capacità con il body dato che sono dei diodiPN. Sì ha: WWCaso CGD

Dove Cgs0 è Cgd0 sono capacità per lunghezza unitaria e in genere vale: Cgs0 = Cgd0 = 0.4fF/um.

Vediamo ora le capacità in regione di triodo o lineare: Mt Mtp

In questa regione è presente il canale quindi la capacità totale presente tra Gate e canale vale: Cgc = Cox*W*L.

Le capacità fra Gate e Source e fra Gate e Drain sono pari alla somma di metà della capacità fra Gate e canale e della capacità parassita di Overlap.

Vediamo ora le capacità in regione di saturazione. In questo caso poiché il canale risulta strozzato si dà maggior peso alla capacità fra Gate e Source che vale come quella in regione lineare. In sostanza tale capacità vale: W Coxlcosa

Mosfet a canale P: Oltre al Mosfet a canale N è possibile realizzare anche un dispositivo Mosfet a Canale P. Questo transistore viene realizzato formando delle regioni di Source e Drain in un substrato di tipo N. Ha lo stesso

funzionamento del dispositivo a canale N a eccezione del verso delle correnti delle tensioni che risulta invertito. Jg LOJs Js opt ptinOB OPolarizzazione dei Mosfet: Il punto di lavoro per un MOSFET è definito dalla coppia di valori di corrente tra drain e source e tensione fra drain e source e può essere rappresentato da un punto nel grafico delle caratteristiche di uscita del dispositivo. Nell'analisi manuale per il calcolo del punto di lavoro si solito si trascura la modulazione della lunghezza di canale (λ = 0). Una prima polarizzazione può essere quella a tensione tra gate e source costante: VDBVere RsRG G MRga Applicando il generatore equivalente di Thevenin al Gate si ha: PpgaVDDR.TK RgVtb Ra VEGWTH ReaRTM G treRGM Poiché la corrente che scorre nel Gate è nulla, allora la tensione di Thevenin corrisponde alla tensione tra Gate e Source. A questo punto si ipotizza che il dispositivo è in regione lineare oppure in regione disaturazione per procedere. Si può ipotizzare ora che il dispositivo si trova in ragione di saturazione (Vds > Vgs - Vtn > 0): KinVas VasIss Ros Iast siKg Da queste ultime equazioni ricaviamo la tensione tra Drain e Source E si verifica che sia soddisfatta l'ipotesi di saturazione. Se tale ipotesi non è verificata allora il dispositivo può trovarsi in regione di triodo. In questo caso va verificata l'ipotesi opportuna. Un'altra polarizzazione può essere quella a quattro resistori: VDBVere RsRG G MRga Rs Anche ora si applica il teorema del generatore equivalente di Thevenin, e si ottiene: fraVda RaRikaµ VGGR.grTURTM G treRGMRs Dalla LKT alla maglia di ingresso si ha: IgrthtvgstIae.rs_VastVtr IDs Rsa Io 0 A questo punto si ipotizza che il dispositivo sia acceso e che lavori in regione di saturazione o lineare. A seconda dell'ipotesi fatta si verificano le opportune ipotesi sulle tensioni. Quando l'ipotesi non è verificatai dispositivo lavora nella regione inizialmente esclusa. L'ultimo tipo d