Elettronica fisica/Mosfet: differenze tra le versioni
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Il transistor mosfet
5.1 Struttura del transistor mosfet
La sigla mosfet
Transistor (transistor ad effetto di campo di tipo metallo-ossido-semicondut-
tore). Il cuore del dispositivo
fig. 5.1: una delle due armature del condensatore
di semiconduttore drogato, nell’esempio silicio di tipo P; l’altra armatura,
detta gate,
per evaporazione sulla superficie del semiconduttore. Prima della deposi-
Figura 5.1: Struttura del transistor mosfet : il condensatore mos. L e W sono
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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 polarità e valore opportuni al gate
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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lamina di semiconduttore di tipo N sotto la superficie del gate da luogo ad
un’unica regione che interconnette source e drain, senza pi`u zone di svuo-
tamento e giunzioni contropolarizzate: si
che rende possibile il passaggio di cariche tra source e drain (fig. 5.3c).
5.3 Conducibilità del canale
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zione source-substrato. Il generatore VGS polarizza positivamente il gate, in
modo da garantire la formazione del canale; il generatore VDS polarizza il
drain rispetto al source e fornisce la corrente IDS, la cui circolazione
possibile e modulata dalla presenza del canale. La polarità del generatore
VDS non
tore sono due elettrodi con caratteristiche costruttive asimmetriche, il drain
ed il source del mosfet sono simmetrici e di principio intercambiabili. Nella
situazione riportata in fig. 5.4 il drain pu`o essere sia positivo sia negativo
rispetto al source,
garantire la contropolarizzazione della giunzione drain-substrato. Per valori
5.3. CONDUCIBILIT`A DEL CANALE 81
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canale ha un comportamento di tipo ohmico (fig. 5.5) con conducibilità
GC = μn Qn W/L (5.1)
dove μn
Figura 5.5: Relazione lineare tra tensione VDS e corrente IDS in un transistor
nmos nell’intorno di VDS = 0. La pendenza IDS/VDS
canale.
W ed L sono larghezza e lunghezza del canale e Qn
di carica dei portatori, funzione del potenziale di polarizzazione VGS.
82 CAPITOLO 5. IL TRANSISTOR MOSFET
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d
(5.2)
In pratica, non
e drain-substrato siano realmente contropolarizzate:
siano direttamente polarizzate. Si pu`o quindi porre VSB = 0, sostituendo il
generatore tra source e substrato con il cortocircuito rappresentato a trat-
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Dei due possibili quadranti operativi riportati in fig. 5.5 rimarrà accessibile
solo quello superiore destro.
In fig. 5.4, in basso a destra,
cuitale del transistor nmos utilizzata per rappresentare i dispositivi in cui
source e substrato siano stati connessi internamente dal costruttore e non
siano separatamente accessibili dall’esterno. Per il transistor pmos il verso
della freccia del source
5.4 Modulazione del canale
Applicando una tensione VDS tra drain e source il potenziale lungo il canale
non
e drain (x = xD). L’equazione 5.2 dovrà essere modificata per tenere conto
Figura 5.6: Modulazione della consistenza del canale in funzione della
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di questo effetto:
Qn(x) = C [VGS − Vth − V (x)] (5.3)
dove V (x)
e C = /d la capacità per unità di superficie tra gate e substrato (fig. 5.6).
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
densità superficiale di corrente
jx = μn Qn(x) Ex (5.4)
disegno in fig. 5.6, la corrente totale si pu`o ottenere moltiplicando per la
larghezza W del canale:
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Il valore di IDS non dipende dalla coordinata x in quanto le cariche
possono fluire lungo il canale solo tra drain e source: la corrente verso il gate
consiste solo nella debolissima corrente di saturazione inversa delle giunzioni
PN, di fatto trascurabile.
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dx
dx (5.7)
e considerando che IDS
IDS · L = μn C W VGS − Vth −
VDS
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La consistenza del canale, data dalla densità superficiale Qn(x) dei porta-
tori di carica, si assottiglia progressivamente muovendosi dal source verso
il drain, fino ad annullarsi del tutto in corrispondenza del drain. Questa
la condizione di pinch-off (strozzamento) del canale (fig. 5.7). Sostituendo
Figura 5.7: Condizione di pinch-off : strozzamento del canale di conduzione.
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2
· (VGS − Vth)2 (1 + VDS) (5.12)
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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VGS − Vth il termine VDS/2 in parentesi risulta trascurabile ed il compor-
tamento si avvicina strettamente a quello ohmico riportato in fig. 5.5. Nel
transistor bjt la regione analoga alla regione lineare del mosfet
di saturazione.
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 , = 0.01V −1).
La regione di saturazione per il mosfet, la cui analoga per il bjt
regione attiva,
regioni
2 · Kn/2 (linea blu in
figura).
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in elettronica digitale, quando il transistor viene utilizzato come interruttore
tra i due stati acceso (regione lineare o saturazione) / spento (interdizione).
Nella figura
curve caratteristiche. Il transistor
circuito di ingresso e quella di uscita (configurazione common source).
Figura 5.9: Curve IDS(VGS) per diversi valori di VDS (stesso transistor di
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saturazione (VGS > Vth), con la crescita parabolica della corrente in funzione
di VGS.
La regione lineare, corrispondente a valori molto piccoli di VDS, non
riportata.
5.7 Il transistor pmos - mosfet complementari
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opportuni di lamine di portatori di carica alla superficie tra substrato e
gate. In questi transistor l’effetto della tensione di polarizzazione del gate
fino ad azzerarla completamente, a seconda della polarità della tensione
applicata. Questi dispositivi sono detti di tipo depletion: ad impoverimento.
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Figura 5.11: Curve IDS(VGS) per un mosfet di tipo enhancement (curve rosse)
e di tipo depletion (curve blu) aventi eguali valori di kn e | |.
stesse; unica differenza
traslate a sinistra sull’asse delle tensioni VGS rispetto alle curve del tipo
enhancement. In un caso a VGS = 0 si ha corrente IDS nulla; nell’altro caso
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dalla tensione del gate.
Negli schemi elettrici i transistor di tipo depletion sono rappresentati con
un simbolo simile a quello dei transistor enhancement. La sola differenza
il segmento che connette source e drain e rappresenta il canale: nel primo
caso
5.9 Varietà di transistor mosfet
Riassumendo, si possono avere transistor mosfet a canale n ed a canale p,
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5.13.
Nel caso di piccoli segnali (vgs << VGS e di conseguenza vds << VDS e
ids << IDS
effettuare i calcoli sul circuito lineare equivalente.
5.10.2 Modello per piccoli segnali per il transistor mosfet
Delle quattro famiglie di parametri riportate al par. 3.4 per la descrizione dei
dispositivi lineari a due porte, solo due sono utilizzabili nel caso del mosfet
nella configurazione common source.
mente nulla, almeno in corrente continua ed in bassissima frequenza, non ha
molto senso scegliere i1 come variabile indipendente: in questa configurazio-
ne il mosfet
una tensione. Si utilizzeranno quindi i parametri g o m, a cui corrispondono
i due circuiti lineari in fig. 5.15. In entrambi i casi i parametri i ed r sono
stati omessi in quanto di fatto nulli in corrente continua. Nella regione di
saturazione, dove viene solitamente posizionato il punto di lavoro del mosfet
come amplificatore, il valore di gos
ne zero (e quindi mos = 1), se si trascura l’effetto della tensione di Early.
Di conseguenza i parametri g sono i pi`u convenienti e i pi`u comunemente
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mosfet nella configurazione common source.
5.10.3 Il transistor mosfet in alta frequenza
Il gate di un transistor mosfet
satore la cui capacità pu`o andare dalla frazione di pF per un dispositivo
per piccoli segnali ed alta frequenza alle centinaia o migliaia di pF per i
dispositivi di potenza. Il circuito lineare di fig. 5.15 dovrà essere modifica-
to per tenere conto di questi effetti, tanto pi`u importanti quanto pi`u alta
Figura 5.16: Circuito lineare equivalente per il transistor mosfet in alta
frequenza nella configurazione common source.
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