Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS Funzionamento

Elettronica I – Funzionamento del
transistore MOS
Valentino Liberali
Dipartimento di Tecnologie dell’Informazione
Università di Milano, 26013 Crema
e-mail: [email protected]
http://www.dti.unimi.it/˜liberali
Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 1
Funzionamento del transistore MOS (1/6)
source
(S)
gate
drain
(D)
(G)
+ ++ + +
+ ++ + +
-
-
-
-
n
-
-
n
p
substrato o bulk
(B)
Il gate è isolato dal canale per effetto dello strato di SiO2
(biossido di silicio) −→ IG = 0
Le correnti di drain e di source sono uguali: ID = IS
Quando il transistore MOS conduce, i portatori si muovono
dal source verso il drain (il dispositivo è simmetrico: il
source è il terminale che emette i portatori, il drain quello
che li raccoglie).
Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 2
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Funzionamento del transistore MOS (2/6)
Versi (convenzionali) delle correnti e delle tensioni
D
ID
VGD
VGS
IG = 0
S
IS
IG = 0
VDS
G
VGS
VDS
G
VGD
S
D
IS
ID
I versi sono scelti in modo che le correnti siano positive:
−→ N-MOS: la corrente entra nel drain ed esce dal source
−→ P-MOS: la corrente esce dal drain ed entra nel source
Se la corrente cambia segno, allora S e D sono scambiati.
Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 3
Funzionamento del transistore MOS (3/6)
Per un transistore N-MOS ad arricchimento:
Vth > 0;
VDS ≥ 0
Se VDS < 0, si scambiano S e D; quindi è sempre VGS ≥ VGD .
Esistono TRE possibili modi di funzionamento:
Vth > VGS ≥ VGD • tensioni minori della soglia
−→ transistore spento
VGS > Vth > VGD • VGS maggiore e VGD minore della soglia
−→ transistore acceso in regione attiva
VGS ≥ VGD > Vth • tensioni maggiori della soglia
−→ transistore acceso in triodo
Per il transistore P-MOS tutte le tensioni sono negative e
tutte le disuguaglianze cambiano verso.
Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 4
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Funzionamento del transistore MOS (4/6)
Tensioni VGS e VGD minori della soglia: Vth > VGS ≥ VGD
source
(S)
gate
drain
(D)
(G)
n
n
p
substrato o bulk
(B)
INTERDIZIONE: la tensione sul gate è inferiore alla soglia
e non si forma il canale. Il MOS è spento (“off” ) e la
corrente è nulla:
ID = 0
Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 5
Funzionamento del transistore MOS (5/6)
Tensioni VGS e VGD maggiori della soglia: VGS ≥ VGD > Vth
source
(S)
gate
drain
(D)
(G)
+ ++ + +
+ ++ + +
-
-
-
-
n
-
-
n
p
substrato o bulk
(B)
REGIONE LINEARE o REGIONE OHMICA o REGIONE DI
TRIODO: la tensione sul gate è superiore alla soglia, sia
dal lato S sia dal lato D; c’è il canale e il transistore MOS
conduce. Il canale è una resistenza non lineare:
2
ID = K 2(VGS − Vth ) · VDS − VDS
Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 6
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Funzionamento del transistore MOS (6/6)
VGS maggiore e VGD minore della soglia: VGS > Vth > VGD
source
(S)
gate
+ ++ + +
-
-
-
drain
(D)
(G)
+ ++ + +
-
-
n
n
p
substrato o bulk
(B)
REGIONE ATTIVA o REGIONE DI SATURAZIONE: la
tensione sul gate è superiore alla soglia dal lato S, ma è
inferiore dal lato D; il canale c’è dal lato S ma è strozzato
dal lato D. Il transistore MOS è un VCCS non lineare:
ID = K (VGS − Vth )2
(la corrente è indipendente da VDS )
Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 7
Caratteristica V-I del transistore MOS
iD
vGS
REGIONE
ATTIVA
vDS
OFF
iD = 0
CRESCENTE
TRIODO
iD = K 2(vGS − Vth ) · vDS − v2DS
iD = K (vGS − Vth )2
La caratteristica tensione-corrente riporta la corrente di
drain iD in funzione della tensione drain-source vDS .
Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 8
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Terminologia
Attenzione ai nomi!
Alcuni termini sono stati scelti in modo particolarmente
infelice, ma ormai sono entrati nell’uso generale . . .
Nel MOS la regione ohmica o regione lineare (o di
triodo) non è lineare: la caratteristica VDS -ID è una
parabola.
La regione ohmica o lineare o di triodo del MOS
corrisponde alla regione di saturazione del BJT.
La regione attiva o di saturazione del MOS corrisponde
alla regione attiva del BJT.
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Impiego del transistore MOS (1/2)
Transistore MOS come interruttore nei circuiti digitali:
commutazione tra spegnimento (off) e regione di triodo.
TRI
OD
O
ON
(interruttore ideale)
iD
REGIONE
ATTIVA
OFF
vDS
Il transistore MOS in triodo non si comporta come un
interruttore ideale a causa della resistenza del canale.
Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 10
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Impiego del transistore MOS (2/2)
Transistore MOS come amplificatore nei circuiti
analogici:
in regione attiva la corrente di uscita iD dipende dalla
tensione di ingresso vGS
−→ il transistore MOS si comporta come un generatore di
corrente controllato in tensione (amplificatore a
transconduttanza)
Non è un amplificatore lineare perchè la corrente iD varia
con il quadrato di vGS :
iD = K (vGS − Vth )2
Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 11
Dipendenza dalle dimensioni (1/4)
E
C
U
SO
E
AT
R
G
AI
N
R
D
W
tox
L
tox = spessore dell’ossido di gate (“oxide thickness” )
W = larghezza del gate (“width” )
L = lunghezza del gate (“length” )
Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 12
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Dipendenza dalle dimensioni (2/4)
Il parametro di conduttanza del MOS dipende dai parametri
della tecnologia di fabbricazione e dalle dimensioni
geometriche:
1 εox W
K= µ
2 tox L
µ = mobilità dei portatori
εox = costante dielettrica dell’ossido
tox = spessore dell’ossido di gate (“oxide thickness” )
W = larghezza del gate (“width” )
L = lunghezza del gate (“length” )
Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 13
Dipendenza dalle dimensioni (3/4)
C
R
U
SO
E
E
AT
G
R
N
AI
D
W
tox
L
In un circuito integrato, alcuni parametri sono legati alla
tecnologia di fabbricazione e devono essere gli stessi per
tutti i transistori dello stesso tipo:
kn′ = µn
εox
;
tox
k′p = µ p
εox
tox
µn > µ p perché gli elettroni si muovono con velocità
maggiore delle lacune.
Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 14
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Dipendenza dalle dimensioni (4/4)
Il parametro di conduttanza di un transistore MOS a canale
N (o P) è:
1 W
Kn = kn′
2 L
1 W
K p = k′p
2 L
dove kn′ e k′p hanno lo stesso valore per tutti gli N-MOS e
per tutti i P-MOS.
La larghezza W e la lunghezza L possono essere diverse
per ogni singolo transistore.
Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 15
Parametri dei transistori MOS in SPICE
I parametri geometrici di ogni transistore MOS possono
essere specificati nelle proprietà del singolo transistore:
larghezza W, lunghezza L, area e perimetro delle regioni di
source e di drain (questi ultimi parametri vengono utilizzati
per calcolare in modo più accurato il comportamento dei
diodi parassiti tra source e substrato e tra drain e substrato).
I parametri comuni a tutti i transistori di un certo tipo sono
specificati una sola volta, all’interno di un file che viene letto
all’inizio della simulazione:
Vth (tensione di soglia): VTO in SPICE
k′ (parametro di conduttanza): KP in SPICE
tox (spessore dell’ossido di gate): TOX in SPICE
µ (mobilità dei portatori): U0 in SPICE
Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 16
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Circuito con transistore MOS (1/2)
+VDD
RD
vOUT
+
vIN
M1
M1 : Vth = 1 V, k′ = 100 µA/V2 , W = 20 µm, L = 1 µm;
VDD = 5 V; RD = 5 kΩ.
Trovare il punto di lavoro per vIN = 0 V, 1.5 V e 5 V.
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Circuito con transistore MOS (2/2)
Per la soluzione di circuiti con transistori MOS, occorre:
fare un’ipotesi sul funzionamento di ogni transistore
MOS (spento, oppure in regione attiva, oppure in
triodo);
risolvere il circuito utilizzando le relazioni
tensione-corrente della regione di funzionamento;
verificare che la soluzione trovata sia compatibile con
l’ipotesi fatta.
Si osservi che le equazioni che esprimono le relazioni tra
tensione e corrente nel transistore MOS sono di secondo
grado rispetto alle tensioni; questo può dar luogo a più
soluzioni numeriche, delle quali una sola è fisicamente
accettabile.
Elettronica I – Funzionamento del transistore MOS – p. 18
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