Transcript Il Transistor MOS - Università degli Studi Roma Tre

Università degli studi “Roma Tre”
Corso di Laurea in Fisica
a.a. 2014/2015
Prof. Giuseppe SCHIRRIPA SPAGNOLO
Il transistor MOS
Esperimentazioni di Fisica III
Il presente materiale riprende in parte informazioni, idee,
trasparenze tratte da varie fonti e rielaborate ai fini del corso.
Generatore ideale di corrente controllato in tensione
Il Transistor MOS
Il transistore a effetto di campo metallo-ossidosemiconduttore
(Metal-Oxide-Semiconductor
Field Effect Transistor o MOSFET)
è il
dispositivo elettronico con il più ampio impiego
commerciale, e costituisce il componente
fondamentale nei circuiti ad alto livello di
integrazione, come i microprocessori e le
memorie.
... continua: Il Transistor MOS
Esistono diversi tipi di transistori ad effetto di
campo del tipo MOS. In particolare, una prima
grande suddivisione riguarda il tipo di cariche
mobili utilizzate per il trasporto di corrente:
 in quelli a canale n (NMOS), la corrente è
dovuta al moto di elettroni;
 in quelli a canale p (PMOS), la corrente è
dovuta al moto delle lacune.
... continua: Il Transistor MOS
I transistor NMOS hanno prestazioni migliori rispetto
a quelli PMOS (in virtù della più alta mobilità degli
elettroni) e, dunque, sono in generale preferiti.
Comunque, la tecnologia MOS più importante è,
attualmente, quella di tipo complementare (CMOS).
Questo tipo di tecnologia, sfruttando le proprietà di
circuiti formati sia da transistori NMOS che PMOS,
offre numerosi vantaggi in termini di prestazioni ed ha,
perciò, conquistato quasi tutto il mercato, nonostante
sia più complessa e conseguentemente più costosa.
... continua: Il Transistor MOS
Anche nel caso di circuiti con soli transistori NMOS le
migliori prestazioni (in particolare i più bassi valori del
prodotto ritardo-consumo) sono ottenuti con l’utilizzo
di due diversi tipi di transistore, denominati
rispettivamente
ad
arricchimento
(in
inglese
enhancement) e a svuotamento (depletion). Questi
ultimi hanno la proprietà di poter costituire un
semplice dispositivo di carico (pull-up) in cui la
corrente può essere resa poco dipendente dalla
tensione d’uscita delle porte logiche.
Comunque, i dispositivi NMOS
del tipo ad
arricchimento sono i più importanti e attualmente i più
utilizzati. Di fatto, quelli a svuotamento sono in disuso.
... continua: Il Transistor MOS
Struttura di un transistore NMOS (MOS a canale n)
... continua: Il Transistor MOS
Struttura di un transistore NMOS (MOS a canale n)
... continua: Il Transistor MOS
Struttura 3D di un transistore NMOS (MOS a canale n)
... continua: Il Condensatore MOS
Il condensatore MOS costituisce il cuore di un transistore
a effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore.
L’elettrodo superiore del condensatore è realizzato con un
metallo (tipicamente alluminio) o con silicio policristallino a
drogaggio elevato.
La
possibilità
di
realizzare un isolante
di qualità eccellente è
una
delle
ragioni
fondamentali alla base
del successo del silicio
come
materiale
semiconduttore
nei
circuiti integrati.
Il Condensatore MOS – regione di accumulazione
Supponiamo che all’elettrodo di gate venga applicata una
tensione VG negativa rispetto al substrato.
La carica negativa presente sul gate è bilanciata da una
carica positiva nella regione superficiale del semiconduttore
sottostante. In tale condizione la concentrazione di lacune
in superficie è maggiore rispetto al valore assunto nelle
regioni interne. Questa condizione è detta di
accumulazione.
Il Condensatore MOS – regione di svuotamento
Supponiamo che all’elettrodo di gate venga applicata una
tensione VG positiva rispetto al substrato.
All’aumentare della tensione VG, le lacune vengono
progressivamente respinte dalla superfici. La concentrazione
di cariche libere in superficie è inferiore al valore presente
nelle regioni interne. Questa condizione è detta di
svuotamento (la regione sottostante il gate risulta svuotata
da portatori liberi).
Il Condensatore MOS – regione di inversione
All’aumentare della tensione di gate (positiva rispetto al
substrato), per un dato valore, la concentrazione di elettroni
diventa maggiore della concentrazione di lacune; si forma
così uno strato di inversione superficiale di elettroni, e la
regione in prossimità dell’interfaccia ossido-silicio,
originariamente di tipo p, diventa di tipo n.
La tensione di gate
in corrispondenza
della
quale
si
genera lo strato di
inversione è detta
tensione di soglia
VTN .
Il Transistor MOS – simboli circuitali
Il Transistor MOS – Tensione di soglia
La tensione di gate in corrispondenza della quale si genera
lo strato di inversione è detta tensione di soglia VT
(threshold voltage) del MOS.
Nei transistori NMOS la tensione di soglia è positiva nei
dispositivi enhancement e negativa in quelli depletion.
Il transistore NMOS è acceso (on) se VGS > VTN .
Nei PMOS la soglia è negativa nei dispositivi enhancement
e positiva in quelli depletion.
Il transistore PMOS è acceso (on) se VGS < VTP .
... continua: Il Transistor MOS – Tensione di soglia
La tensione di soglia VT (threshold voltage) che
permette la creazione del canale (tra source e drain)
può essere definita in via approssimata come la
tensione da applicare al gate affinché sulla superficie
del silicio si raggiunga il potenziale necessario a dar
luogo all’inversione del semiconduttore.
Tale valore, chiamato potenziale critico, è indicato con
2F .
Il Transistor MOS – effetto Body
In molti dispositivi (soprattutto integrati) il substrato e il source sono
collegati a tensioni diverse, cosicché risulta VSB  0 (VSB - tensione
source-body) .
Esempio - Il substrato è comune ad
entrambi i dispositivi NMOS e di
solito è fissato a 0 V (i due
transistori
rappresentano
un
invertitore con carico attivo).
Per VB (tensione del body) = 0V la
VSB di MS = 0, mentre la VSB del
dispositivo ML varia al variare di
Vout.
Le caratteristiche I-V di un MOS
dipendono dalla tensione VBS a
causa della dipendenza della
tensione di soglia da VBS .
EFFETTO BODY
VT  VTO  

VSB  2F  2F

dove VTO  valore di VT per VSB  0
  parametro dell'effetto body;
2F  potenziale critico
Il Transistor MOS – Caratteristica tensione corrente
In un MOS si possono
individuare due regioni di
funzionamento:
• Regione ohmica
• Regione di saturazione
Regione ohmica
In tale regione fra source e drain si stabilisce un canale
continuo è IDS varia linearmente con VDS, per VGS costante.
Caratteristica corrente-tensione di un MOS
Regione ohmica
Regione ohmica
In tale regione fra
source e drain si
stabilisce un canale
continuo è IDS varia
linearmente con VDS,
per VGS costante.
Nella regione ohmica, per un dispositivo a canale n, si ha:
I DS  K  2(VGS  VTN )VDS  VDS 2  per 0  VDS  VGS  VTN
Caratteristica corrente-tensione di un MOS
Regione di saturazione
In corrispondenza di VDS = VGS – VTN lo strato di
inversione, in prossimità del drain, scompare.
Tale condizione è anche detta strozzamento (pinchoff ) del canale.
Per valori maggiori di VDS, lo strato di inversione si
forma solo in una parte della regione di canale. In tal
caso il collegamento delle regioni di source e drain da
parte del canale viene a mancare.
La tensione presente nel punto xpo , in cui si verifica lo
strozzamento, è sempre pari a
 
VGS  V x po  VTN

 
V x po  VGS  VTN
Ponendo VDS = VGS – VTN , si ottiene l’espressione della
corrente di drain del NMOS.
I DS  K 2(VGS  VTN )VDS  VDS 2 
 se
VDS  VGS  VTN
I DS  K (VGS  VTN )2

Valida per 0  VGS  VTN  VDS
Questa espressione mostra che in regione di saturazione
la corrente di drain ha una dipendenza di tipo quadratico
dalla tensione gate-source. Inoltre, la corrente di drain è
indipendente dalla tensione drain-source.
La costante K è data da:
K
 W
W Cox
 K 
2 L
L
L
 ox W
2Tox
  mobilità dei portatori nel canale (elettroni per un dispositivo a canale n) ;
ox = costante dielettrica dello strato di ossido isolante ;
Tox  spessore dell'ossido sotto il gate ;
 =  ox Tox = capacità relativa all'ossido per unità di area ;
Cox
W  larghezza del canale ; L  lunghezza del canale
Facciamo notare che anche la tensione di soglia VT (threshold voltage)
 (cioè dallo spessore dell’ossido). In particolare al
C ox
dipende da Cox
diminuire dello spessore dell’ossido diminuisce anche la tensione di
soglia.
Per un dispositivo a canale p, le equazioni vengono riscritte in modo
più conveniente nelle seguenti forme.
Nella regione ohmica
2
I SD  K  2(VSG  VTP )VSD  VSD  per 0  VSD  VSG  VTP
Invece, nella regione di saturazione si ha
I SD  K (VSG  VTP )2
per 0  VSG  VTP  VSD
OSSERVAZIONE
All’aumentare della temperatura IDS (o ISD) tende ad aumentare a
causa della diminuzione di VT e a diminuire a causa della diminuzione
della mobilità dei portatori. Tipicamente si trova che l’effetto dovuto
all’aumento  e quatto/cinque volte superiore all’effetto legato con la
diminuzione di VT. Complessivamente pertanto un aumento di
temperatura produce una diminuzione della corrente.
Il Transistor MOS come amplificatore
Una volta fissata la tensione VGS , risulta fissata anche
la corrente che scorre nel canale (iD).
Transistor NMOS in zona lineare:
2
 con vDS   vGS  VTN 
iD  K n  2  vGS  VTN  vDS  vDS

Transistor PMOS in zona lineare:
2
 con vSD   vSG  VTP
iD  K p  2  vSG  VTP  vSD  vSD

Transistor NMOS in saturazione:
iD  K n  vGS  VTN 
con vDS   vGS  VTN 
2
Transistor PMOS in saturazione:
iD  K p  vSG  VTP

2
con vSD   vSG  VTP


...continua: MOS come Amplificatore
La variazione della tensione gate-source (vGS  vin )
determina una variazione nella corrente di drain (iD  iout ).
Pertanto il transistore MOS consente di realizzare un
amplificatore.
...continua: MOS come Amplificatore
Poiché in generale si è interessati a realizzare
amplificatori lineari, cioè amplificatori per cui il
segnale di uscita (in questo caso iD) è legato
linearmente al segnale d’ingresso (vGS), bisogna
linearizzare la caratteristica iD-vGS. La tecnica che si
utilizza per ottenere un’amplificazione lineare da
dispositivi intrinsecamente non lineari è quella della
polarizzare in continua (analogamente a quanto già visto
per i transistor BJT).
...continua: MOS come Amplificatore a transconduttanza
Polarizzando i dispositivi MOS in particolari punti di lavoro
definiti da appropriate VGS e ID , il segnale da amplificare
(vgs) sarà sovrapposto alla componente continua VGS .
Mantenendo il valore di vgs “piccolo” ne risulta che la
variazione di corrente di drain (id) può essere considerata
proporzionale a (vgs).
Nelle applicazioni in cui in cui i transistor MOS sono
utilizzati per amplificare in modo lineare i segnali, le
tensioni VGS e VDS sono scelte (imposte dalla rete di
polarizzazione) in modo tale da assicurare che i dispositivi
funzionino in saturazione, cioè che il canale tra source e
drain sia in condizione di pinch-off.
...continua: MOS come Amplificatore
In ingresso è applicata una tensione continua Vgs,
necessaria ad imporre la corretta polarizzazione, ed una
tensione variabile nel tempo vgs. In generale, vgs.
rappresenta il segnale che si vuole amplificare.
...continua: MOS come Amplificatore
Supponiamo che il transistor operi nella regione di
saturazione. Le tensioni e le correnti del circuito sono
composte da una parte continua e da una parte tempovariante.
Nella zona di saturazione il MOSFET si comporta come un
generatore di corrente controllato tramite la tensione
applicata al gate.

V
iD  K n Vgs  v gs  VTN
 Kn
gs
 VTN

2

2


 2 K n Vgs  VTN v gs 
2
K n v gs
...continua: MOS come Amplificatore

V
iD  K n Vgs  v gs  VTN
 Kn
gs
 VTN
contributo
della
componente
continua

2

2


 2 K n Vgs  VTN v gs  K n v g2s
termine
proporzionale alla
componente
variabile
Termine
proporzionale al quadrato della componente
variabile. Questo termine rappresenta una distorsione nonlineare. Nella fase di “progettazione” dell’amplificatore,
bisogna operare in modo che tale termine sia il più piccolo
possibile
...continua: MOS come Amplificatore
Per rendere “trascurabile” la componente non lineare è
necessario che il segnale da amplificare sia:

v gs  2 Vgs  VTN



I D  K n Vgs  VTN

2


2
 2 K n Vgs  VTN v gs  K n v gs
Questa equazione rappresenta la condizione per poter
considerare vgs come “piccolo segnale” e quindi permette di
considerare le distorsioni trascurabili.
...continua: MOS come Amplificatore
Con questa ipotesi, la corrente di drain si approssima come:

vgs  2 Vgs  VTN


 2 K V  V  v



 


iD  K n Vgs  VTN
2
n
gs
TN
id
Id
gs


iD

iD  I d  id

2
K n vgs
Transistor MOS – Amplificatore
Il parametro gm lega vgs a id :
id
gm 
 2 K n Vgs  VTN
vgs


Transistor MOS – Amplificatore
La tensione drain-source è esprimibile come:
vDS  VDD  iD RD  VDD  RD  I d  id 
 VDD  RD I d 



RD id



componente continua
componente tempo -variante

vds  id RD   g m vgs RD

vds
AV 
  g m RD
vgs
Il Transistor MOS come interruttore
Fino ad questo momento abbiamo usato un transistor MOS
come generatore di corrente pilotato in tensione. Tramite
la tensione applicata al terminale di Gate, si controlla la
corrente che scorre tra Source e Drain. Vi è, comunque,
una diversa applicazione dei transistor MOS.
Un segnale XS applicato al Drain, può essere trasferito al
Source sfruttando la tensione sul Gate come terminale di
controllo. Per far questo basta che tra Source e Drain
esista un contatto elettrico, cioè si crei il canale conduttivo
sotto l’ossido di Gate. Un MOS usato in questo modo è
denominato Transfer Gate o Pass-Transistor.
In questo tipo di applicazione il transistore MOS si
comporta come un “interruttore”.
... continua: Il Transistor MOS come interruttore
Gli interruttori hanno un comportamento ideale
quando:
• sono perfettamente simmetrici (possono essere
invertiti il source e il drain);
• aperti, danno luogo ad un perfetto isolamento;
• in condizioni stazionarie la differenza di tensione
ai loro capi è nulla (Vin = Vout ) ;
• hanno resistenza nulla; non contribuiscono ad
allungare i transitori.
... continua: Il Transistor MOS come interruttore
La realizzazione degli interruttori mediante transistor MOS
avvicina queste condizioni con una certa approssimazione, dando
luogo a scostamenti dal comportamento ideale che giocano un
ruolo importante.
Consideriamo il MOS illustrato in figura. Quando la tensione di
controllo è alta (VGS > VT ) il canale mette in comunicazione
l’input con l’output, per cui si può trasferire il segnale presente
in ingresso sull’uscita.
Il carico, presente in uscita,
si schematizza con una
capacità.
Tale
capacità,
sempre presente, è dovuta
alle linee di interconnessioni
e/o al collegamento con altri
MOS.
... continua: Il Transistor MOS come interruttore
Quando il canale è formato, si può trasferire la tensione vin
presente sul drain, al source caricando CL.
Al contrario se il segnale di controllo è basso ( VGS<VT ) il canale
non è formato, e il trasferimento non ha luogo.
Questa situazione è simile al caso di alta impedenza che si
presenta in una porta Three-State quando il segnale di Enable
non è attivato.
... continua: Il Transistor MOS come interruttore
Vediamo adesso di analizzare quali sono gli scostamenti di
un PASS-T dal comportamento di un interruttore “ideale”.
COMPORTAMENTO SIMMETRICO
Un transistore MOS è strutturalmente simmetrico
dal punto di vista dei terminali di corrente (cioè si
possono scambiare il source con il drain).
CORRENTI DI PERDITA
Le correnti di perdita, nei pass-transistor spenti,
sono dovute a due contributi:
• correnti inverse delle giunzioni dei terminali;
• correnti di sotto-soglia.
... continua: Imperfetta trasmissione delle tensioni
Consideriamo il transistore NMOS illustrato in figura.
Supponiamo che la capacità
CL si trovi, inizialmente,
alla tensione VCL > 0, e
collegata al Drain del
nostro transistore.
Se il segnale di controllo vG (applicato al Gate) è alto
rispetto al Source (che in questo specifico caso è collegato
a massa), sia ha che vGS > VTN, per cui il dispositivo presenta
un canale tra Drain e Source. Pertanto, la corrente che
scorrerà tra Drain e Source, andrà a scaricare la capacità
CL .
... continua: Imperfetta trasmissione delle tensioni
vG = VDD (massima tensione del circuito)
VIN = 0 V (minima tensione in gioco)
In questa situazione operativa, vGS > VTN , il transistore
può trovarsi in saturazione oppure
in zona di
funzionamento lineare.
In saturazione:
iDS  KN  vGS  VTN   0
2
 a regime iDS  0
vGS  VDD  VTN (assurdo !)
Per un buon funzionamento del
dispositivo, in genere, VDD > 2 VT .
... continua: Imperfetta trasmissione delle tensioni
vG = VDD (massima tensione del circuito)
VIN = 0 V (minima tensione in gioco)
In questa situazione operativa, vGS > VTN , il transistore
può trovarsi in saturazione oppure
in zona di
funzionamento lineare.
In regione lineare:
vDS 

iDS  2KN  vGS  VTN 
 vDS  0
2 

 a regime iDS  0
Lo “0” logico presente in ingresso
viene riportato tale e quale in
uscita.
vDS  2 VDD  VTN  >VDD (assurdo !)
vDS  0 (risultato accettabile)
... continua: Imperfetta trasmissione delle tensioni
Supponiamo, adesso, che la capacità CL si trovi,
inizialmente, scarica VCL = 0, e collegata al Source del
nostro transistore. Se vogliamo caricare la capacità CL
dovremo collegare all’ingresso del transistore VDD .
vG = VDD (massima tensione del circuito)
VIN = VDD (massima tensione del circuito)
In questa situazione
operativa, vGS = VDS , il
transistore può trovarsi in interdizione o in
saturazione.
La zona lineare si ha
per vGS > VDS ─ VTN .
... continua: Imperfetta trasmissione delle tensioni
vG = VDD (massima tensione del circuito)
VIN = VDD (massima tensione in gioco)
A regime iDS = 0
In saturazione:
iDS  KN  vGS VTN   0
2
 se VS  0
vGS  VDD  VTN (assurdo !)
Il source non può essere a 0 V
(minima tensione in gioco)
Invece, se il transistor è interdetto
dovremmo avere: vGS < VTN .
... continua: Imperfetta trasmissione delle tensioni
Consideriamo il caso in cui la capacità CL deve essere caricata.
Durante il processo di carica del condensatore, la polarizzazione
sopra-soglia del pass-transistor (siamo nell’ipotesi di vDS = vGS ) si
riduce progressivamente. Quando la tensione ai capi del
condensatore raggiunge VS = VDD - VTN , il pass-transistor è
polarizzato sulla soglia (cioè vGS = VTN ) e la corrente di carica del
condensatore si annulla. Quindi, la tensione del condensatore non
può salire al di sopra del valore VDD -VTN e per questo motivo, si
usa dire che, nelle condizioni descritte, il pass-transistor fa
perdere una soglia sulle tensioni alte. Pertanto, a regime il
transistor è in saturazione e fa passare VDD -VTN .
In questa situazione operativa è presente l'effetto body ( vSB > 0),
pertanto il degrado della tensione trasmessa può assumere anche
valori considerevoli ( VTN può anche raggiungere 1.5 V).
... continua: Imperfetta trasmissione delle tensioni
Concludendo possiamo affermare che un transistor
NMOS trasmette uno “0” forte (cioè non degradato),
invece trasmette un “1” debole (degradato di VTN ).
Nella trasmissione di un “1” debole è sempre presente
anche l'effetto body ( vSB > 0 ), pertanto il degrado
della tensione trasmessa può assumere anche valori
considerevoli ( VTN può anche raggiungere 1.5 V).
Ragionando in modo analogo, per un pass-transistor
PMOS si ricava che trasmette un “1” forte (cioè non
degradato), e uno “0” debole (“0” = |VTP |).
La porta di trasmissione CMOS
Una porta di trasmissione CMOS è costituita da due
transistori, uno NMOS e uno PMOS, con i terminali di
source e di drain collegati in parallelo, e con i terminali di
gate pilotati da due segnali logici opposti in fase, indicati
con A e A .
Il substrato del transistor NMOS è di solito collegato alla
tensione più negativa del circuito (in genere la massa) e
quello del transistore PMOS è collegato alla tensione più
positiva (in genere l’alimentazione positiva).
Quando la porta di trasmissione è in conduzione (A=1), i
terminali di ingresso e di uscita sono collegati attraverso il
parallelo delle resistenze “on” dei due transistori, e la porta di
trasmissione
rappresenta
un
collegamento
resistivo
bidirezionale. Le resistenze “on” dei due dispositivi RonP e RonN,
così come la resistenza equivalente REQ, variano in funzione
della tensione di ingresso Vin .
REQ
RonP  RonN

RonP  RonN
Resistenza “on” di una porta di
trasmissione CMOS, incluso
l’effetto body.