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Elettronica fisica/Mosfet: differenze tra le versioni

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Il transistor mosfet
5.1 Struttura del transistor mosfet
La sigla mosfet è un acronimo per Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectEffectTransistor (transistor ad effetto di campo di tipo metallo-ossido-semiconduttore). Il cuore del dispositivo è costituito dal condensatore mos, illustrato in
Transistor (transistor ad effetto di campo di tipo metallo-ossido-semicondut-
tore). Il cuore del dispositivo è costituito dal condensatore mos, illustrato in
fig. 5.1: una delle due armature del condensatore è formata da un substrato
di semiconduttore drogato, nell’esempio silicio di tipo P; l’altra armatura,
detta gate, è formata da uno strato metallico, ad esempio alluminio deposto
per evaporazione sulla superficie del semiconduttore. Prima della deposi-deposiFigura 5.1: Struttura del transistor mosfet : il condensatore mos. L e W sono
Figura 5.1: Struttura del transistor mosfet : il condensatore mos. L e W sono
rispettivamente la lunghezza e la larghezza del condensatore.
zione del gate la superficie del substrato viene resa isolante mediante la
Line 19 ⟶ 16:
77
78 CAPITOLO 5. IL TRANSISTOR MOSFET
(sorgente e drenaggio), con drogaggio opposto a quello del substrato (nel-nell’esempio, N). Nella figura queste regioni sono contrassegnate come n+ per
l’esempio, N). Nella figura queste regioni sono contrassegnate come n+ per
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 polarità simmetriche, a seconda che si parta da un sub-substrato di tipo P o di tipo N. Si avranno quindi transistor complementari di
strato di tipo P o di tipo N. Si avranno quindi transistor complementari di
tipo nmos e di tipo pmos (figura 5.2).
Figura 5.2: Transistor complementari nmos (in alto) e pmos (in basso) insieme
Line 48 ⟶ 43:
fig. 5.3. In 5.3a il gate si trova ad un potenziale più negativo del substrato,
Figura 5.3: Formazione del canale di conduzione in un transistor nmos.
di tipo P. I portatori di carica positivi, maggioritari, vengono attratti ver-verso il gate negativo e si accumulano alla superficie, in maniera molto simile
nea quanto succede in un normale condensatore piano. In questa condizione, detta di accumulo, i portatori di carica presenti tra source e drain non▼
so il gate negativo e si accumulano alla superficie, in maniera molto simile
a quanto succede in un normale condensatore piano. In questa condizio-
▲ne, detta di accumulo, i portatori di carica presenti tra source e drain non
80 CAPITOLO 5. IL TRANSISTOR MOSFET
possono dare luogo ad alcuna conduzione, a causa della presenza delle due
giunzioni contropolarizzate tra source e drain e substrato. Portando il po-potenziale del gate verso valori più positivi, la carica del condensatore mos
diminuisce, riducendosi a zero e successivamente invertendosi di segno, di-diventando quindi positiva sulla superficie del gate e negativa sulla superficie▼
tenziale del gate verso valori più positivi, la carica del condensatore mos
▲diminuisce, riducendosi a zero e successivamente invertendosi di segno, di-
ventando quindi positiva sulla superficie del gate e negativa sulla superficie
del substrato (fig. 5.3b). `E da notare che la condizione di carica zero del
condensatore non coincide con la condizione di differenza di potenziale nulla
Line 71 ⟶ 62:
del gate e della formazione di un canale di conduzione: all’aumentare del
potenziale del gate, diminuisce sempre di più la concentrazione dei portatori
positivi maggioritari, mentre aumenta quella dei portatori negativi, richia-richiamati dal campo elettrico, originariamente minoritari nel substrato. Per un
mati dal campo elettrico, originariamente minoritari nel substrato. Per un
valore della tensione di gate VG sufficientemente elevato (VG Vth, con Vth
detta tensione di soglia [threshold]), la concentrazione dei portatori n supera
Line 78 ⟶ 68:
le concentrazioni invertite e diventa di tipo N. La presenza di questa sottile
lamina di semiconduttore di tipo N sotto la superficie del gate da luogo ad
un’unica regione che interconnette source e drain, senza più zone di svuo-svuotamento e giunzioni contropolarizzate: si è formato il canale di conduzione
tamento e giunzioni contropolarizzate: si è formato il canale di conduzione
che rende possibile il passaggio di cariche tra source e drain (fig. 5.3c).
5.3 Conducibilità del canale
In fig. 5.4 sono riportate le condizioni di polarizzazione di un transistor nmos.
Il generatore VSB garantisce la condizione di contropolarizzazione della giungiunzione source-substrato. Il generatore VGS polarizza positivamente il gate, in
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 è resa
possibile e modulata dalla presenza del canale. La polarità del generatore
VDS non è indicata nella figura. A differenza del bjt, dove emettitore e collet-collettore sono due elettrodi con caratteristiche costruttive asimmetriche, il drain
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 può essere sia positivo sia negativo
Line 118 ⟶ 105:
e drain-substrato siano realmente contropolarizzate: è sufficiente che non
siano direttamente polarizzate. Si può quindi porre VSB = 0, sostituendo il
generatore tra source e substrato con il cortocircuito rappresentato a trat-tratteggio in fig. 5.4. In questo caso però si perde la simmetria tra source e
teggio in fig. 5.4. In questo caso però si perde la simmetria tra source e
drain: si dovrà avere necessariamente VDS 0 e di conseguenza IDS 0.
Dei due possibili quadranti operativi riportati in fig. 5.5 rimarrà accessibile
solo quello superiore destro.
In fig. 5.4, in basso a destra, è riportata una variante del simbolo cir-circuitale del transistor nmos utilizzata per rappresentare i dispositivi in cui
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
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dove V (x) è 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-canale. In presenza di un campo elettrico Ex diretto da drain a source, la
nale. In presenza di un campo elettrico Ex diretto da drain a source, la
densità superficiale di corrente è:
jx = μn Qn(x) Ex (5.4)
Line 179 ⟶ 163:
Qn(xD) = C (VGS − Vth − VDS) = 0 (5.10)
84 CAPITOLO 5. IL TRANSISTOR MOSFET
La consistenza del canale, data dalla densità superficiale Qn(x) dei porta-portatori di carica, si assottiglia progressivamente muovendosi dal source verso
tori di carica, si assottiglia progressivamente muovendosi dal source verso
il drain, fino ad annullarsi del tutto in corrispondenza del drain. Questa è
la condizione di pinch-off (strozzamento) del canale (fig. 5.7). Sostituendo
Line 190 ⟶ 173:
2
· (VGS − Vth)2 (5.11)
Aumentando ulteriormente la tensione VDS l’equazione 5.9 cessa di essere va-valida ed il transistor entra in regime di saturazione. La corrente IDS tende ad
lida ed il transistor entra in regime di saturazione. La corrente IDS tende ad
aumentare solo molto lentamente, con una dipendenza approssimativamente
lineare con la tensione:
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La famiglia di curve di IDS in funzione di VDS e VGS riportata in fig. 5.8
riassume il funzionamento del transistor nmos.
La regione lineare corrisponde alla condizione VGS −Vth > VDS, descrit-descritta dalla equazione 5.9; per valori di tensione VDS molto piccoli rispetto a
VGS − Vth il termine VDS/2 in parentesi risulta trascurabile ed il compor-comportamento si avvicina strettamente a quello ohmico riportato in fig. 5.5. Nel▼
ta dalla equazione 5.9; per valori di tensione VDS molto piccoli rispetto a
▲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 è la regione
di saturazione.
Line 236 ⟶ 216:
Tutto quanto detto ai paragrafi precedenti per il transistor mosfet a canale n
vale identicamente per il mosfet a canale p, invertendo le polarità di tutte le
tensioni e correnti (fig. 5.10). Transistor mosfet che hanno le medesime ca-caFigura 5.10: Transistor mosfet complementari.
Figura 5.10: Transistor mosfet complementari.
ratteristiche (|Vth|, kn, | |) ma opposta polarità del canale sono denominati
complementari o cmos.
5.8 Transistor mosfet di tipo enhancement e de-depletion
pletion
Nei transistor mosfet descritti nei paragrafi precedenti si ha la formazione
del canale e quindi la conduzione tra drain e source solo in presenza di
Line 271 ⟶ 249:
5.9 Varietà di transistor mosfet
Riassumendo, si possono avere transistor mosfet a canale n ed a canale p,
ciascuno dei quali può essere di tipo enhancement o di tipo depletion. Ognu-Ognu88 CAPITOLO 5. IL TRANSISTOR MOSFET
88 CAPITOLO 5. IL TRANSISTOR MOSFET
no di questi può avere il substrato collegato o non collegato costruttivamente
al source.
Line 281 ⟶ 258:
5.10 Circuiti con transistor mosfet
5.10.1 Amplificatore common source
Due esempi di amplificatori common source realizzati con un transistor mo-mosfet sono riportati in fig. 5.13. Il primo (fig. 5.13a) impiega un nmos di
tipo enhancement ; il secondo (fig. 5.13b) di tipo depletion. I circuiti di po-poFigura 5.13: .▼
sfet sono riportati in fig. 5.13. Il primo (fig. 5.13a) impiega un nmos di
▲tipo enhancement ; il secondo (fig. 5.13b) di tipo depletion. I circuiti di po-
Figura 5.13: .
larizzazione sono diversi nei due casi. In a) si richiede una tensione di gate
5.10. CIRCUITI CON TRANSISTOR MOSFET 89
Line 295 ⟶ 270:
Nel secondo caso, con il transistor di tipo depletion, la tensione VGS deve
essere negativa: la resistenza RS porta il source alla tensione VS = IDS · RS,
mentre la resistenza RG mantiene il gate al potenziale VG = 0. Di conse-conseguenza VGS = −IDS · RS.
satoriAnche in questi circuiti, come già visto per il transistor bjt, i condensatori Ci e Co isolano lo stadio amplificatore dagli altri circuiti per quanto▼
guenza VGS = −IDS · RS.
Anche in questi circuiti, come già visto per il transistor bjt, i conden-
▲satori Ci e Co isolano lo stadio amplificatore dagli altri circuiti per quanto
riguarda le tensioni continue di polarizzazione, consentendo il solo passaggio
dei segnali in corrente alternata. Il condensatore CS in 5.13b cortocircuita la
resistenza RS per quanto riguarda i segnali, eliminando la reazione negativa
che verrebbe altrimenti introdotta.
Come già visto per il bjt, il funzionamento del circuito può essere stu-studiato riportando sul grafico delle curve caratteristiche la retta di carico di
diato riportando sul grafico delle curve caratteristiche la retta di carico di
equazione IDS = (VS − VDS)/RL ed esaminando lo spostamento del punto
di lavoro al variare di vGS = VGS + vgs e le conseguenti variazioni di vDS
Line 316 ⟶ 288:
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. Poichè la corrente del gate è pratica-praticamente nulla, almeno in corrente continua ed in bassissima frequenza, non ha
nemolto senso scegliere i1 come variabile indipendente: in questa configurazione il mosfet è un dispositivo in cui il parametro di ingresso è essenzialmente▼
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 è un dispositivo in cui il parametro di ingresso è 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 è molto piccolo, in prima approssimazio-approssimazione zero (e quindi mos = 1), se si trascura l’effetto della tensione di Early.
ne zero (e quindi mos = 1), se si trascura l’effetto della tensione di Early.
Di conseguenza i parametri g sono i più convenienti e i più comunemente
usati nel modello lineare del mosfet.
Line 332 ⟶ 301:
mosfet nella configurazione common source.
5.10.3 Il transistor mosfet in alta frequenza
Il gate di un transistor mosfet è a tutti gli effetti l’armatura di un conden-condensatore la cui capacità può andare dalla frazione di pF per un dispositivo
satore la cui capacità può 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-modificato per tenere conto di questi effetti, tanto più importanti quanto più alta
Figuraè la frequenza di lavoro. Le due capacità CGS e CGD in fig. 5.16 rapFigura 5.16: Circuito lineare equivalente per il transistor mosfet in alta▼
to per tenere conto di questi effetti, tanto più importanti quanto più alta
è 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.
presentano l’accoppiamento tra il gate e gli altri due elettrodi; le capacità
CDB e CSB corrispondono alle capacità di transizione delle giunzioni con-contropolarizzate tra drain e source e substrato. Nel caso che il substrato sia
tropolarizzate tra drain e source e substrato. Nel caso che il substrato sia
collegato al drain, la capacità CSB risulta cortocircuitata e quindi ininfluente
sul funzionamento del circuito.
Estratto da "https://it.wikibooks.org/wiki/Elettronica_fisica/Mosfet"