MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)

MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)
Alla base del funzionamento del MOS vi è lo strato di biossido di silicio, SiO 2, in cui
sono presenti dipoli che si orientano in modo opportuno, quando viene applicata una
tensione al gate.
Nel SiO2 risiedono anche
- cariche d'interfaccia : ioni positivi di Si
- cariche mobili d'interfaccia: Li+ , Na+
- stati superficiali d'interfaccia: imperfezioni del reticolo cristallino che catturano le
cariche sopracitate
che possono compromettere il valore di VT e dell’impedenza di ingresso del
dispositivo. Per questo motivo in fase di ossidazione del Si è necessario adoperare
tutti i trattamenti termici opportuni per diminuirne la presenza.
Simboli del MOS ad Arricchimento (Enhancement-mode)
Simboli del MOS a Svuotamento (Depletion-mode)
Struttura e funzionamento del MOS a canale N ad Arricchimento
In tale MOS lo strato di ossido è estremamente puro e monocristallino.
Quando il gate è aperto e viene applicata una VDS , non vi è passaggio di corrente fra
S e D; infatti le due giunzioni si trovano polarizzate inversamente (componente in
interdizione).
Se si applica un potenziale positivo al gate si viene a formare all'interno dell'ossido
un campo E ( effetto condensatore ) che richiama elettroni sotto al gate provenienti
per la maggior parte dalle zone N+. Le lacune invece, che sono le cariche
maggioritarie del substrato P, vengono respinte verso la superficie in basso del
substrato collegata a massa.
Lo strato di ossido di gate è più sottile (0.1 per fare in modo che il campo E sia più
intenso. Aumentando la VGS si giunge alla tensione di soglia VT : sotto al gate ho la
stessa percentuale di elettroni e di lacune.
Superata la tensione di soglia si avrà una inversione di drogaggio sotto al gate, il
numero degli elettroni supera il numero delle lacune; questo dà luogo alla formazione
di un canale, di tipo N, conduttivo fra S e D.
Ora, se si applica una VDS , vi sarà un passaggio di corrente ID attraverso il canale
indotto e il componente si dirà in conduzione.
La conducibilità del componente e quindi la ID dipende della tensione VGS , quindi
dall'entità del campo E risiedente nel sottile strato di ossido sotto al gate, da cui il
nome transistor a effetto di campo.
Si può dire che il sistema metallo (gate) - ossido - semiconduttore (zona N del canale)
è quello di un condensatore ad armature piane e parallele.
Anche in questo caso, come nel caso del JFET, si possono avere le tre distinte
situazioni:
1) VDS << VGS
2) VDS = VGS
3) VDS >> VGS
Si analizzano ora le varie situazioni:
1) VDS << VGS
In tal caso la ID varia linearmente in funzione della VDS (tratto ohmico della
caratteristica di uscita del MOS), infatti il canale è di sezione costante per cui offre
una resistenza costante al passaggio di corrente.
2) VDS = VGS
In tal caso inizia a sentirsi l'effetto della VDS , in modo tale da rendere il campo E
non più uniforme ma più debole dalla parte del Drain, infatti le due tensioni V DS e
VGS sono fra loro in opposizione (VDG = VDS - VGS).
Il campo E nell’ossido richiamerà meno elettroni dalla parte del D, quindi la sezione
del canale non sarà più costante così come la resistenza offerta al passaggio della
corrente. La ID non sarà più proporzionale alla VDS in modo lineare ma vi sarà un
legame non lineare (zona di ginocchio della caratteristica di uscita del MOS).
3) VDS >> VGS
Se si aumenta ulteriormente la VDS si arriva alla situazione in cui il canale si chiude
in un punto (detto di PINCH-OFF) dove il campo E si annulla:
In tal caso la corrente continua a passare e diviene costante (tratto a corrente costante
della caratteristica di uscita del MOS).
- La corrente continua a passare perché si forma una ddV, fra gli ioni positivi della
zona di svuotamento della zona N+ del Drain e gli elettroni che si addensano nel
canale vicino al punto di PINCH-OFF; si crea un campo elettrico che richiama gli
elettroni del canale.
- La corrente rimane costante perché, all’aumentare della VDS , si allarga la zona di
svuotamento (d). Dal momento che la zona di svuotamento di una giunzione si
può associare ad un condensatore a facce piane e parallele, si può scrivere che essa
si trova sottoposta ad un campo elettrico che segue la formula E = V/d . Nel caso
del MOS la V è la VDS e la d è la larghezza della zona di svuotamento, tali
grandezze aumentano in modo proporzionale per cui il loro rapporto rimane
costante, quindi il campo E rimane costante.
P.S. in realtà la corrente aumenta lievemente perché il punto di PINCH-OFF si
sposta leggermente verso il Source, per cui diminuisce la lunghezza del canale,
quindi diminuisce la resistenza che esso offre al passaggio di corrente, per cui
aumenterà la corrente.
Si inserisce il grafico della caratteristica di uscita del MOS ad arricchimento a canale
N a cui si fa riferimento precedentemente:
Vgs1