Introduzione al Mosfet e ai suoi impieghi circuitali

Il documento presenta i seguenti argomenti:

• Il condensatore MOS e le sue regioni di funzionamento;

• Mosfet a canale N;

• Mosfet in regione lineare;

• Mosfet in regione di saturazione;

• Effetto di modulazione della lunghezza di canale;

• Tensione di accensione dei dispositivi Mosfet;

• Capacità parassite dei Mosfet;

• Mosfet a canale P;

• Polarizzazione dei Mosfet;

• Specchio di corrente in tecnologia Mos;

Il condensatore MOS e le sue regioni di funzionamento:

Il condensatore MOS ha la seguente struttura fisica: E

ELETTRODO ossido

METALLICO

GATE

SUBSTRATO

silicio

Di

Di tipo

N

P O

Polarizzando il MOS si verifica una variazione della carica associata alla regione di semiconduttore. Questo comportamento può essere

descritto da una capacità non lineare dipendente dalla tensione Vg. CAPACITA 5g

INVERSIONE

SVUOTA

ACCUMULAZIONE MENTO

A seconda della tensione Vg applicata al gate, il condensatore MOS può trovarsi in 3 regioni di funzionamento diverse. La prima è la regione

di accumulazione: Jg LO

STRATO DI t

ACCUMULAZIONE t t

t

Se Vg<0V, allora la carica negativa presente sull’elettrodo metallico è bilanciata da una carica positiva nella regione superficiale del

semiconduttore sottostante la regione di gate, costituita da lacune. Questa condizione è detta "accumulazione". Lo strato di accumulazione è

molto sottile e può essere assimilato ad una distribuzione superficiale di carica.

All’aumentare della tensione, le lacune vengono progressivamente respinte, fino a che la concentrazione superficiale diventa inferiore al

valore relativo alle regioni interne al substrato. In tale condizione, il condensatore MOS è in regione di "svuotamento":

LOGLV

O TN

t

t t

t

t t t

La regione sottostante l’elettrone di gate risulta svuotata di portatori. La carica positiva presente sull’elettrodo di gate è bilanciata dalla carica

negativa degli atomi accetterei ionizzati nella regione di svuotamento.

Infine, aumentando ancora la tensione di gate, gli elettroni del substrato vengono attratti verso la superficie. Per uno specifico valore di

tensione, indicato con Vtn (tensione di "threshold" del dispositivo n), la concentrazione di elettroni diventa maggiore di quella delle lacune.

Si forma così uno strato di inversione superficiale di elettroni. In tale condizione il dispositivo è in regione di "inversione":

Joakim

t

t t

t

t t t

STRATO

Di

INVERSIONE

Lo strato di inversione è estremamente sottile e può essere assimilato ad una distribuzione superficiale di cariche. La carica positività

presente sul contatto di gate è bilanciata da una carica negativa nel semiconduttore costituita da elettroni nello strato di inversione è da ioni

accettori relativi alla regione di svuotamento.

La tensione di gate in corrispondenza della quale si genera lo strato di inversione è detta tensione di soglia Vtn (o Vtp per i dispositivi con

drogaggio di tipo P)

Mosfet a canale N:

Il Mosfet (Metal oxide semiconductor field effect transistor) ha la seguente struttura:

W G

s d

Mt Mt

P

B

La cui vista in sezione è la seguente: GATE to BRAIN

SOURCE Mt

Mt p BODY

Il simbolo circuitale è il seguente: D

G B

5

Per Vgs<<Vtn e i contatti di drain, source e body in comune e collegati a massa, le giunzioni PN collegano le 2 regioni dì 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 provenient