Elettronica fisica/Mosfet: differenze tra le versioni

Contenuto cancellato Contenuto aggiunto
BimBot (discussione | contributi)
m Bot: Sostituzione automatica (-`a +à); cosmetic changes
BimBot (discussione | contributi)
m Bot: Sostituzione automatica (-`e +è)
Riga 5:
Il transistor mosfet
5.1 Struttura del transistor mosfet
La sigla mosfet `eè un acronimo per Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-
Transistor (transistor ad effetto di campo di tipo metallo-ossido-semicondut-
tore). Il cuore del dispositivo `eè costituito dal condensatore mos, illustrato in
fig. 5.1: una delle due armature del condensatore `eè formata da un substrato
di semiconduttore drogato, nell’esempio silicio di tipo P; l’altra armatura,
detta gate, `eè formata da uno strato metallico, ad esempio alluminio deposto
per evaporazione sulla superficie del semiconduttore. Prima della deposi-
Figura 5.1: Struttura del transistor mosfet : il condensatore mos. L e W sono
Riga 35:
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 `eè possibile
arrivare alla formazione di un canale di conduzione costituito da una sottile
lamina di cariche mobili in corrispondenza della superficie di separazione
Riga 79:
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 `eè formato il canale di conduzione
che rende possibile il passaggio di cariche tra source e drain (fig. 5.3c).
5.3 Conducibilità del canale
Riga 86:
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 `eè resa
possibile e modulata dalla presenza del canale. La polarità del generatore
VDS non `eè indicata nella figura. A differenza del bjt, dove emettitore e collet-
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, purch`epurchè sia rispettata la condizione VSB + VDS > 0 per
garantire la contropolarizzazione della giunzione drain-substrato. Per valori
5.3. CONDUCIBILIT`A DEL CANALE 81
Riga 100:
canale ha un comportamento di tipo ohmico (fig. 5.5) con conducibilità
GC = μn Qn W/L (5.1)
dove μn `eè la mobilità dei portatori di carica (negativi) presenti nel canale,
Figura 5.5: Relazione lineare tra tensione VDS e corrente IDS in un transistor
nmos nell’intorno di VDS = 0. La pendenza IDS/VDS `eè la conduttanza GC del
canale.
W ed L sono larghezza e lunghezza del canale e Qn `eè la densità superficiale
di carica dei portatori, funzione del potenziale di polarizzazione VGS.
82 CAPITOLO 5. IL TRANSISTOR MOSFET
Riga 115:
d
(5.2)
In pratica, non `eè strettamente necessario che le giunzioni source-substrato
e drain-substrato siano realmente contropolarizzate: `eè sufficiente che non
siano direttamente polarizzate. Si pu`o quindi porre VSB = 0, sostituendo il
generatore tra source e substrato con il cortocircuito rappresentato a trat-
Riga 123:
Dei due possibili quadranti operativi riportati in fig. 5.5 rimarrà accessibile
solo quello superiore destro.
In fig. 5.4, in basso a destra, `eè riportata una variante del simbolo cir-
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 `eè rovesciato.
5.4 Modulazione del canale
Applicando una tensione VDS tra drain e source il potenziale lungo il canale
non `eè pi`u costante, ma viene a dipendere dalla posizione x tra source (x = 0)
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
Riga 137:
di questo effetto:
Qn(x) = C [VGS − Vth − V (x)] (5.3)
dove V (x) `eè il potenziale elettrico lungo il canale, misurato rispetto al source
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 `eè:
jx = μn Qn(x) Ex (5.4)
Poich`ePoichè il canale `eè omogeneo lungo la direzione y ortogonale al piano del
disegno in fig. 5.6, la corrente totale si pu`o ottenere moltiplicando per la
larghezza W del canale:
Riga 151:
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
`eè nulla a causa dello strato isolante di SiO2 e la corrente verso il substrato
consiste solo nella debolissima corrente di saturazione inversa delle giunzioni
PN, di fatto trascurabile.
Riga 165:
dx
dx (5.7)
e considerando che IDS `eè costante e V (xD) = VDS, si ottiene:
IDS · L = μn C W VGS − Vth −
VDS
Riga 181:
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 `eè
la condizione di pinch-off (strozzamento) del canale (fig. 5.7). Sostituendo
Figura 5.7: Condizione di pinch-off : strozzamento del canale di conduzione.
Riga 198:
2
· (VGS − Vth)2 (1 + VDS) (5.12)
Il coefficiente `eè l’analogo del coefficiente di Early (1/VA) del bjt.
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
Riga 206:
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 `eè la regione
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 `eè la
regione attiva, `eè descritta dalla eq. 5.11 o dalla 5.12. Il confine tra le due
regioni `eè rappresentato dalla parabola IDS = VDS
2 · Kn/2 (linea blu in
figura).
Riga 220:
in elettronica digitale, quando il transistor viene utilizzato come interruttore
tra i due stati acceso (regione lineare o saturazione) / spento (interdizione).
Nella figura `eè riportato anche il circuito di misura per il rilievo delle
curve caratteristiche. Il transistor `eè utilizzato con il source in comune tra il
circuito di ingresso e quella di uscita (configurazione common source).
Figura 5.9: Curve IDS(VGS) per diversi valori di VDS (stesso transistor di
Riga 231:
saturazione (VGS > Vth), con la crescita parabolica della corrente in funzione
di VGS.
La regione lineare, corrispondente a valori molto piccoli di VDS, non `eè
riportata.
5.7 Il transistor pmos - mosfet complementari
Riga 252:
opportuni di lamine di portatori di carica alla superficie tra substrato e
gate. In questi transistor l’effetto della tensione di polarizzazione del gate
`eè di aumentare la conduzione già presente nel canale, oppure di diminuirla
fino ad azzerarla completamente, a seconda della polarità della tensione
applicata. Questi dispositivi sono detti di tipo depletion: ad impoverimento.
Riga 260:
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 `eè che le curve del mosfet di tipo depletion sono
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
Riga 266:
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 `eè
il segmento che connette source e drain e rappresenta il canale: nel primo
caso `eè continuo, nel secondo `eè tratteggiato (fig. 5.12).
5.9 Varietà di transistor mosfet
Riassumendo, si possono avere transistor mosfet a canale n ed a canale p,
Riga 311:
5.13.
Nel caso di piccoli segnali (vgs << VGS e di conseguenza vds << VDS e
ids << IDS `eè possibile utilizzare un modello lineare del transistor mosfet ed
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. Poich`ePoichè la corrente del gate `eè pratica-
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 `eè un dispositivo in cui il parametro di ingresso `eè essenzialmente
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 `eè molto piccolo, in prima approssimazio-
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
Riga 332:
mosfet nella configurazione common source.
5.10.3 Il transistor mosfet in alta frequenza
Il gate di un transistor mosfet `eè a tutti gli effetti l’armatura di un conden-
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
`eè la frequenza di lavoro. Le due capacità CGS e CGD in fig. 5.16 rap-
Figura 5.16: Circuito lineare equivalente per il transistor mosfet in alta
frequenza nella configurazione common source.