MOS a canale N a Svuotamento

MOS a canale N a Svuotamento
La tensione di soglia VT di un MOS può variare fra (1-5) volt, il valore dipende da:
- cariche positive presenti nell'ossido
- presenza di stati superficiali nell'interfaccia
- tipo di isolante utilizzato (SiO2 o Si3N4)
- materiale utilizzato per la costruzione dell’elettrodo di gate
Si potrebbe pensare di diminuire la tensione di soglia costruendo un MOS con uno
strato di ossido ricco di cariche positive, dato che queste cariche potrebbero
richiamare un certo numero di elettroni. Tale soluzione viene adottata per creare un
altro tipo di MOS.
Esiste infatti un MOS con un canale precostituito, costruito utilizzando la tecnica
dell’impiantazione ionica, tecnica attraverso la quale si può impiantare delle
impurezze anche attraversando un sottile strato di ossido. Un MOS realizzato in tal
modo avrà una tensione di soglia VT = 0, tale MOS si dice a SVUOTAMENTO:
Funzionamento del MOS a canale N a Svuotamento
Il MOS in esame avendo già il canale precostituito condurrà anche senza applicare
una VGS al gate, in particolare se :
- VGS >0 il canale si arricchisce di elettroni, la conduzione aumenta così come la
corrente, in tal caso il MOS funziona come MOS ad arricchimento e si rimanda
per la spiegazione a quanto detto precedentemente.
- VGS <0 il campo elettrico che viene a formarsi nell'ossido si inverte e richiamerà
lacune, dando luogo ad una inversione di drogaggio sotto al gate. Il canale quindi
tenderà a svuotarsi partendo dall'alto, divenendo più stretto. La corrente che
fluisce nel componente sarà minore del caso precedente, come si può facilmente
verificare dalla caratteristica di uscita del componente.
Anche nel caso VGS <0 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: il campo E nell’ossido non è più
uniforme ma più intenso dalla parte del Drain. Infatti le due tensioni V GS e VDS ora
sono fra loro in fase (VDG = VDS + /VGS/).
Il campo E richiamerà quindi più lacune dalla parte del D, quindi la sezione del
canale non sarà più costante così come la resistenza offerta al passaggio della
corrente, per cui 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 ad un punto in cui il canale si chiude in
un punto (detto di PINCH-OFF):
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, aumenta VDG, 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 a svuotamento a canale N
Si inserisce la transcaratteristica del MOS a svuotamento a canale N (cfr.JFET):
Caratteristiche del MOS
- Processo di fabbricazione veloce, area occupata minore per cui si ha un maggiore
livello di integrazione ( più componenti a parità di spazio), minor costo (se non si
utilizza l'impiantazione ionica)
- Alta impedenza di ingresso (maggiore dei FET) dato che la corrente, I G, che passa
in uno strato di ossido è ancora minore di quella di drift
- Viene utilizzato molto a livello integrato quasi mai come componente discreto,
questo per due motivi:
- Alta sensibilità alle cariche elettrostatiche che si possono depositare sul gate, tali
cariche possono causare la distruzione del sottile strato di ossido sotto al gate. Per
cercare di diminuire i danni, a livello integrato, vengono inseriti dei diodi di
protezione.
- Nascono delle capacità parassite, Cgs e Cgd, che rallentano il funzionamento del
componente, tali capacità possono essere eliminate con la tecnica del gate al
silicio policristallino. Nei dispositivi metal-gate tali capacità parassite sono dovute
alla sovrapposizione del gate sulle regioni di S e D. Questa sovrapposizione si
rende necessaria per garantire la continuità del canale dal S al D: con la tecnologia
planare si possono verificare infatti spostamenti delle maschere, per cui, per la
sicurezza della copertura del canale la zona di gate si deve allargare in parte anche
sopra le zone di S e D.