Elettronica fisica/Mosfet: differenze tra le versioni
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indicare che si tratta di regioni con drogaggio molto forte.
Come nel caso del bjt, anche i transistor mosfet possono essere realizzati
in due versioni con
strato di tipo P o di tipo N. Si avranno quindi transistor complementari di
tipo nmos e di tipo pmos (figura 5.2).
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In condizioni operative normali le due giunzioni PN presenti fra le due
regioni di source e drain ed il substrato devono essere contropolarizzate:
per un transistor nmos il substrato
pi`u negativo (o, quantomeno, non pi`u positivo) di quello di source e drain,
per un transistor pmos ad un potenziale pi`u positivo. La presenza delle due
giunzioni contropolarizzate contrapposte (rappresentate da diodi in fig. 5.2),
rende impossibile il passagggio di carica tra source e drain. Applicando una
tensione di polarizzazione di
arrivare alla formazione di un canale di conduzione costituito da una sottile
lamina di cariche mobili in corrispondenza della superficie di separazione
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questa zona, non vi pu`o essere conduzione tra source e drain.
Portando il potenziale del gate verso valori ancora pi`u positivi, si verifica
il fenomeno della inversione della
del gate e della formazione di un canale di conduzione: all’aumentare del
potenziale del gate, diminuisce sempre di pi`u la concentrazione dei portatori
positivi maggioritari, mentre aumenta quella dei portatori negativi, richia-
mati dal campo elettrico, originariamente minoritari nel substrato. Per un
valore della tensione di gate VG sufficientemente elevato (VG
detta tensione di soglia [threshold]), la concentrazione dei portatori n supera
quella dei poratori p, per cui il semiconduttore si trova ad avere localmente
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tamento e giunzioni contropolarizzate: si `e formato il canale di conduzione
che rende possibile il passaggio di cariche tra source e drain (fig. 5.3c).
5.3
In fig. 5.4 sono riportate le condizioni di polarizzazione di un transistor nmos.
Il generatore VSB garantisce la condizione di contropolarizzazione della giun-
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modo da garantire la formazione del canale; il generatore VDS polarizza il
drain rispetto al source e fornisce la corrente IDS, la cui circolazione `e resa
possibile e modulata dalla presenza del canale. La
VDS non `e indicata nella figura. A differenza del bjt, dove emettitore e collet-
tore sono due elettrodi con caratteristiche costruttive asimmetriche, il drain
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Figura 5.4: Polarizzazione di un transistor nmos. A destra sono riportati i
simboli utilizzati per rappresentare il transistor nmos nei circuiti.
di VDS piccoli (secondo il criterio che si
canale ha un comportamento di tipo ohmico (fig. 5.5) con
GC = μn Qn W/L (5.1)
dove μn `e la
Figura 5.5: Relazione lineare tra tensione VDS e corrente IDS in un transistor
nmos nell’intorno di VDS = 0. La pendenza IDS/VDS `e la conduttanza GC del
canale.
W ed L sono larghezza e lunghezza del canale e Qn `e la
di carica dei portatori, funzione del potenziale di polarizzazione VGS.
82 CAPITOLO 5. IL TRANSISTOR MOSFET
Indicando con Vth la tensione di soglia a cui si comincia ad accumulare
la carica nel canale e considerando che il sistema ha la geometria di un
condensatore piano con dielettrico di spessore d e costante dielettrica
ha
Qn =
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generatore tra source e substrato con il cortocircuito rappresentato a trat-
teggio in fig. 5.4. In questo caso per`o si perde la simmetria tra source e
drain: si
Dei due possibili quadranti operativi riportati in fig. 5.5
solo quello superiore destro.
In fig. 5.4, in basso a destra, `e riportata una variante del simbolo cir-
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Applicando una tensione VDS tra drain e source il potenziale lungo il canale
non `e pi`u costante, ma viene a dipendere dalla posizione x tra source (x = 0)
e drain (x = xD). L’equazione 5.2
Figura 5.6: Modulazione della consistenza del canale in funzione della
posizione tra drain e source.
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Qn(x) = C [VGS − Vth − V (x)] (5.3)
dove V (x) `e il potenziale elettrico lungo il canale, misurato rispetto al source
e C =
L’equazione 5.1 continua ad essere valida localmente, in ogni punto del ca-
nale. In presenza di un campo elettrico Ex diretto da drain a source, la
jx = μn Qn(x) Ex (5.4)
Poich`e il canale `e omogeneo lungo la direzione y ortogonale al piano del
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dx (5.7)
e considerando che IDS `e costante e V (xD) = VDS, si ottiene:
IDS · L = μn C W
VDS
2
da cui
IDS = Kn
VDS
2
con Kn = μn C W/L.
5.5 Pinch-off
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Qn(xD) = C (VGS − Vth − VDS) = 0 (5.10)
84 CAPITOLO 5. IL TRANSISTOR MOSFET
La consistenza del canale, data dalla
tori di carica, si assottiglia progressivamente muovendosi dal source verso
il drain, fino ad annullarsi del tutto in corrispondenza del drain. Questa `e
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Kn
2
· (VGS − Vth)2 (1 +
Il coefficiente
5.6 Curve caratteristiche per il transistor nmos
La famiglia di curve di IDS in funzione di VDS e VGS riportata in fig. 5.8
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5.6. CURVE CARATTERISTICHE PER IL TRANSISTOR NMOS 85
Figura 5.8: Famiglia di curve caratteristiche per un transistor nmos (Kn =
0.25mA/V 2, Vth = 2.5V ,
La regione di saturazione per il mosfet, la cui analoga per il bjt `e la
regione attiva, `e descritta dalla eq. 5.11 o dalla 5.12. Il confine tra le due
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5.7 Il transistor pmos - mosfet complementari
Tutto quanto detto ai paragrafi precedenti per il transistor mosfet a canale n
vale identicamente per il mosfet a canale p, invertendo le
tensioni e correnti (fig. 5.10). Transistor mosfet che hanno le medesime ca-
Figura 5.10: Transistor mosfet complementari.
ratteristiche (|Vth|, kn, | |) ma opposta
complementari o cmos.
5.8 Transistor mosfet di tipo enhancement e de-
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5.9. VARIET`A DI TRANSISTOR MOSFET 87
tipo enhancement : ad arricchimento. `E possibile realizzare anche transistor
mosfet in cui si impianta un canale di conduzione tra source e drain
durante il processo di fabbricazione, mediante la formazione con drogaggi
opportuni di lamine di portatori di carica alla superficie tra substrato e
gate. In questi transistor l’effetto della tensione di polarizzazione del gate
`e di aumentare la conduzione
fino ad azzerarla completamente, a seconda della
applicata. Questi dispositivi sono detti di tipo depletion: ad impoverimento.
In fig. 5.11 sono riportate a confronto le curve IDS(VGS) per un mosfet a
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il segmento che connette source e drain e rappresenta il canale: nel primo
caso `e continuo, nel secondo `e tratteggiato (fig. 5.12).
5.9
Riassumendo, si possono avere transistor mosfet a canale n ed a canale p,
ciascuno dei quali pu`o essere di tipo enhancement o di tipo depletion. Ognu-
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al source.
In fig. 5.12 sono riportati i simboli con cui si rappresentano negli schemi
elettrici le otto possibili
Figura 5.12: Simboli utilizzati per rappresentare negli schemi elettrici le
diverse
5.10 Circuiti con transistor mosfet
5.10.1 Amplificatore common source
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mentre la resistenza RG mantiene il gate al potenziale VG = 0. Di conse-
guenza VGS = −IDS · RS.
Anche in questi circuiti, come
satori Ci e Co isolano lo stadio amplificatore dagli altri circuiti per quanto
riguarda le tensioni continue di polarizzazione, consentendo il solo passaggio
Riga 303:
resistenza RS per quanto riguarda i segnali, eliminando la reazione negativa
che verrebbe altrimenti introdotta.
Come
diato riportando sul grafico delle curve caratteristiche la retta di carico di
equazione IDS = (VS − VDS)/RL ed esaminando lo spostamento del punto
Riga 333:
5.10.3 Il transistor mosfet in alta frequenza
Il gate di un transistor mosfet `e a tutti gli effetti l’armatura di un conden-
satore la cui
per piccoli segnali ed alta frequenza alle centinaia o migliaia di pF per i
dispositivi di potenza. Il circuito lineare di fig. 5.15
to per tenere conto di questi effetti, tanto pi`u importanti quanto pi`u alta
`e la frequenza di lavoro. Le due
Figura 5.16: Circuito lineare equivalente per il transistor mosfet in alta
frequenza nella configurazione common source.
presentano l’accoppiamento tra il gate e gli altri due elettrodi; le
CDB e CSB corrispondono alle
tropolarizzate tra drain e source e substrato. Nel caso che il substrato sia
collegato al drain, la
sul funzionamento del circuito.
5.10.4 Interruttore per segnali analogici
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