MOSFET

Două MOSFET-uri de putere

MOSFET (acronim al termenului englezesc m etal- sau xide- s emiconductor f ield- e ffect t ransistor , sau metal-oxid semiconductor- field effect tranzistor ), scris de asemenea MOS-FET sau MOS FET și adesea cunoscut sub numele de MOS transistor , în electronică indică un tip de tranzistor cu efect de câmp utilizat pe scară largă în domeniul electronicii digitale , dar și răspândit în electronica analogică . Este, de asemenea, numit efect de câmp cu poartă izolată ( IGFET ). ^[1]

Principiul de lucru al tranzistorului cu efect de câmp a fost conceput de Lilienfeld în 1925 , în timp ce primul MOSFET a fost realizat de Kahng și Atalla în 1959 la Bell Laboratories . ^[2] MOSFET este compus dintr-un substrat din material semiconductor dopat, de obicei siliciu , pe care se aplică trei terminale: poartă , sursă și drenaj . Aplicarea unei tensiuni la poartă permite controlul trecerii sarcinilor între sursă și canal și, prin urmare, curentul electric care traversează dispozitivul. În funcție de dopajul semiconductorului corpului de tip n sau p , tranzistorul ia denumirea de pMOSFET și respectiv nMOSFET, adesea prescurtate în pMOS și nMOS, aceasta datorită canalului de dopaj complementar creat în substrat. ^[3]

Structura

Fotomicrografie a două MOSFET-uri cu poartă metalică într-un test

Secțiunea unui pMOS

MOSFET este format dintr-un condensator, compus dintr-o electrostructură formată din trei straturi de materiale diferite, flancate de două terminale, numite sursă și drenaj .

Condensatorul MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) este compus din doi electrozi : substratul și poarta. Substratul, numit și corp , este alcătuit din material semiconductor dopat , de obicei siliciu , deși unii producători de circuite electronice, în special IBM , au început să folosească un amestec de siliciu și germaniu . Mai mulți alți semiconductori cu proprietăți electronice mai bune decât siliciu, cum ar fi arsenura de galiu , nu formează oxizi buni și, prin urmare, nu sunt potriviți pentru MOSFET-uri.

Poarta este realizată din material conductiv : datorită absenței proceselor tehnologice capabile să alinieze o poartă metalică cu o bună precizie la structura MOS și datorită contaminării ridicate pe care aluminiul a introdus-o în timpul proceselor de recoacere termică, este utilizată timp de mai mulți ani siliciu policristalin foarte dopat (polisilicon), care însă nu se bucură de proprietăți conductoare excepționale. Poarta și substratul sunt separate printr-un strat izolator subțire numit oxid de poartă , compus din dioxid de siliciu sau dielectrice cu permitivitate electrică ridicată. Acest strat este necesar pentru a reduce pierderile de energie, cauzate în principal de evacuarea sarcinilor de pe poartă. De fapt, dorind cât mai mult posibil pentru a obține un comportament ideal al MOS, curentul porții trebuie să fie cât mai zero posibil.

În cele din urmă, terminalele sursă și de scurgere sunt, de asemenea, compuse dintr-un semiconductor, dopat în mod opus: dacă substratul are un dopaj de tip p , cele două terminale au un dopaj de tip n și invers. ^[4]

Odată cu reducerea grosimii oxidului porții , a fost introdusă tehnologia porții metalice , adică a început să fie utilizat un material metalic pentru construcția terminalului. Cei doi factori principali care au condus la introducerea acestei tehnologii sunt:

Odată cu reducerea dimensiunilor tranzistoarelor, reducerea grosimii oxidului de poartă face ca grosimea regiunii scobite pe polisiliciu să nu mai fie neglijabilă, ceea ce duce la luarea în considerare a unei grosimi de oxid echivalente. Acest lucru generează repercusiuni asupra tensiunilor de prag și asupra curenților de scurgere care, în general, contribuie la o reducere a performanței dispozitivului.
Creșterea dopării polisiliciului care vizează reducerea rezistivității și adâncimii sale de epuizare creează probleme de contaminare cu oxizi, pe lângă faptul că siliciul puternic dopat are o mobilitate redusă pentru electroni și găuri .

În consecință, s-au căutat procese tehnologice care permit menținerea alinierii porții cu canalul de scurgere și sursă și care utilizează metal în loc de polisilicon. Una dintre cele mai avansate tehnici pentru obținerea MOS cu tehnologie de poartă metalică este procesul damascen , care implică construirea unei porți manechin din polisilicon și îndepărtarea ulterioară a acestuia pentru a face loc adevăratei porți metalice, de obicei din aluminiu sau tungsten . Un strat de nitrură de titan este interpus între poarta metalică și oxid (acesta din urmă este recreat când poarta polisiliconului este îndepărtată) atât pentru a preveni contaminarea metalului oxidului, cât și pentru a-i îmbunătăți aderența.

Operațiune

În funcție de tensiunea aplicată capetelor substratului de sub Poartă, numit condensator MOS, regiunea substratului care conectează drenul și sursa poate fi plină de găuri, goale sau bogate în electroni: operația care urmează în cazul unui nMOS este ilustrat, al cărui substrat p (adică are un exces de găuri ) este considerat a fi scurtcircuitat cu terminalul sursă.

Acumulare

Polarizarea în condensatorul MOS

Când se impune o tensiune pe electrodul porții $V_{G}$ ${\ displaystyle V_ {G}}$ $V_G$ negativ în raport cu electrodul substratului, în general împământat, golurile din substrat se acumulează într-un strat mic lângă poartă și nu permit trecerea curentului între D și S (datorită recombinării ridicate).

Golire

Când se impune o tensiune pozitivă pe electrodul de poartă în raport cu electrodul substrat, dar mai mică decât o tensiune de prag $V_{th}$ ${\ displaystyle V_ {th}}$ $V_ {th}$ chiar dacă golurile din substrat se îndepărtează de poartă, regiunea din imediata apropiere a acesteia este, în orice caz, lipsită de suficiente suporturi de încărcare gratuită.

Pragul de conducere

Această tensiune prag $V_{th}$ ${\ displaystyle V_ {th}}$ $V_ {th}$ depinde de cel dintre sursă și corp: acest lucru este denumit în mod obișnuit „efect corporal”, datorită capacității condensatorului MOS. Dacă există o diferență de tensiune între sursă și corp, este necesară o diferență mai mare de potențial pentru a obține regiunea de inversare , care este echivalentă cu o creștere a tensiunii de prag a tranzistorului. Prin urmare, dacă tensiunea de prag este definită fără a lua în considerare efectul corpului, o sarcină indusă mai mică decât cea așteptată are ca rezultat canalul, iar acest lucru duce la o eroare în exces în evaluarea curentului canalului. Pentru un nMOS avem:

V_{th}=V_{th0}+\gamma \left({\sqrt {V_{SB}+|2\phi _{F}|}}-{\sqrt {|2\phi _{F}|}}\right)

{\ displaystyle V_ {th} = V_ {th0} + \ gamma \ left ({\ sqrt {V_ {SB} + | 2 \ phi _ {F} |}} - {\ sqrt {| 2 \ phi _ {F } |}} \ dreapta)}

V_ {th} = V_ {th0} + \ gamma \ left (\ sqrt {V_ {SB} + | 2 \ phi_F |} - \ sqrt {| 2 \ phi_F |} \ right)

unde este $V_{th0}$ ${\ displaystyle V_ {th0}}$ $V_ {th 0}$ este pragul pentru $V_{SB}$ ${\ displaystyle V_ {SB}}$ $V_ {SB}$ nimic, $\gamma$ ${\ displaystyle \ gamma}$ $\gamă$ parametrul efectului corpului e $|2\phi _{F}|$ ${\ displaystyle | 2 \ phi _ {F} |}$ $| 2 \ phi_F |$ ( $\phi _{F}=-E_{F}/q$ ${\ displaystyle \ phi _ {F} = - E_ {F} / q}$ $\ phi_F = - E_F / q$ : Potențialul Fermi ) este potențialul de suprafață corespunzător începutului inversiunii. Ecuația este aproximativă, deoarece tensiunea canalului nu este în general constantă, dar variază pe măsură ce unul se deplasează de la un potențial la altul.

Sub-prag curent

Același subiect în detaliu: Sub-prag curent .

În distribuția Boltzmann, unii electroni au încă suficientă energie pentru a trece între D și S: curge un curent electric mic, care variază exponențial cu $V_{GS}$ ${\ displaystyle V_ {GS}}$ $V_ {GS}$ , și este aproximativ definit de relația: ^[5] ^[6]

I_{D}\approx I_{D0}e^{\begin{matrix}{\frac {V_{GS}-V_{th}}{(1+{\frac {C_{d}}{C_{ox}}})V_{T}}}\end{matrix}}

{\ displaystyle I_ {D} \ approx I_ {D0} e ^ {\ begin {matrix} {\ frac {V_ {GS} -V_ {th}} {(1 + {\ frac {C_ {d}} {C_ {ox}}}) V_ {T}}} \ end {matrix}}}

I_D \ approx I_ {D0} e ^ {\ begin {matrix} \ frac {V_ {GS} -V_ {th}} {(1+ \ frac {C_d} {C_ {ox}}) V_ {T}} \ end {matrix}}

unde este $I_{D0}$ ${\ displaystyle I_ {D0}}$ $I_ {D0}$ este curentul pentru $V_{GS}=V_{th}$ ${\ displaystyle V_ {GS} = V_ {th}}$ $V_ {GS} = V_ {th}$ , $C_{d}$ ${\ displaystyle C_ {d}}$ $CD}$ este capacitatea regiunii de epuizare e $C_{ox}$ ${\ displaystyle C_ {ox}}$ $C_ {ox}$ capacitatea stratului de oxid.
Într-un tranzistor al cărui canal este suficient de lung nu există nicio dependență a curentului de tensiunea de scurgere până când $V_{DS}>>V_{T}$ ${\ displaystyle V_ {DS} >> V_ {T}}$ $V_ {DS} >> V_T$ . Acest curent este una dintre cauzele consumului de energie în circuitele integrate.

Saturare

Tendința curentului de scurgere în funcție de tensiunea dintre scurgere și sursă pentru diferite valori de

V_{GS}-V_{th}

{\ displaystyle V_ {GS} -V_ {th}}

V_ {GS} -V_ {th}

. Linia de contur dintre regiunile liniare și de saturație este reprezentată de ramura parabolei.

Când tensiunea porții este pozitivă și între $V_{th}$ ${\ displaystyle V_ {th}}$ $V_ {th}$ Și $V_{DS}+V_{th}$ ${\ displaystyle V_ {DS} + V_ {th}}$ $V_ {DS} + V_ {th}$ tranzistorul trece la funcționarea activă ^[7] ^[8] : electronii din substrat, numiți purtători de încărcare majoritari , sunt atrași de poartă : între sursă și drenaj se formează un canal conductiv în care siliciul se comportă ca și cum ar fi dopat n ca terminale sursă și de scurgere , permițând inițial curentul să treacă între sursă și scurgere ^[9] .

Pe măsură ce tensiunea crește $V_{DS}$ ${\ displaystyle V_ {DS}}$ $V_ {DS}$ între scurgere și sursă, diferența de potențial $V_{GD}=V_{GS}-V_{DS}$ ${\ displaystyle V_ {GD} = V_ {GS} -V_ {DS}}$ $V_ {GD} = V_ {GS} - V_ {DS}$ între poartă și regiunea canalului din apropierea canalului de scurgere, acesta scade, iar canalul este limitat în mod progresiv în apropierea acestuia. Acest fenomen se numește pinch-off , similar cu efectul timpuriu al tranzistorului bipolar . Constricția are loc în punctul de abscisă $L^{'}$ ${\ displaystyle L '}$ $L '$ , egală cu lungimea canalului, în care potențialul este egal cu $V_{GS}-V_{th}$ ${\ displaystyle V_ {GS} -V_ {th}}$ $V_ {GS} - V_ {th}$ . ^[10] În consecință, sarcina de inversiune scade pe măsură ce se apropie de terminalul de scurgere și acest lucru implică faptul că, odată ce se ajunge la limitarea completă, valoarea curentului $I_{D}$ ${\ displaystyle I_ {D}}$ $I_ {D}$ care trece prin canal nu depinde de variația lui $V_{DS}$ ${\ displaystyle V_ {DS}}$ $V_ {DS}$ , deoarece tensiunea pe canalul ohmic rămâne constantă.

Acuzațiile traversează apoi regiunea golită $(L-L')W$ ${\ displaystyle (L-L ') W}$ ${\ displaystyle (L-L ') W}$ ( $W$ ${\ displaystyle W}$ $W$ este lățimea regiunii, prin urmare $(L-L')W$ ${\ displaystyle (L-L ') W}$ ${\ displaystyle (L-L ') W}$ este practic suprafața de sub oxid) susținută de câmpul electric, astfel încât curentul să depindă doar și cvadrat de tensiune $V_{GS}$ ${\ displaystyle V_ {GS}}$ $V_ {GS}$ , iar MOSFET funcționează ca un tranzistor ^[10] ^[11] :

I_{D}={\frac {\mu _{n}C_{ox}}{2}}{\frac {W}{L}}(V_{GS}-V_{th})^{2}(1+\lambda V_{DS})\simeq G(V_{GS}-V_{th})

{\ displaystyle I_ {D} = {\ frac {\ mu _ {n} C_ {ox}} {2}} {\ frac {W} {L}} (V_ {GS} -V_ {th}) ^ { 2} (1+ \ lambda V_ {DS}) \ simeq G (V_ {GS} -V_ {th})}

I_D = \ frac {\ mu_n C_ {ox}} {2} \ frac {W} {L} (V_ {GS} -V_ {th}) ^ 2 (1+ \ lambda V_ {DS}) \ simeq G ( V_ {GS} -V_ {th})

fiind $\lambda$ ${\ displaystyle \ lambda}$ $\ lambda$ factorul de prindere de ordinul lui c V , dacă G este transconductanța :

G={\begin{matrix}{\frac {2I_{D}}{V_{GS}-V_{th}}}={\frac {2I_{D}}{V_{ov}}}\end{matrix}}

{\ displaystyle G = {\ begin {matrix} {\ frac {2I_ {D}} {V_ {GS} -V_ {th}}} = {\ frac {2I_ {D}} {V_ {ov}}} \ end {matrix}}}

G = \ begin {matrix} \ frac {2I_D} {V_ {GS} -V_ {th}} = \ frac {2 I_D} {V_ {ov}} \ end {matrix}

unde termenul V _ov = V _GS - V _th se numește tensiunea de overdrive : ^[12] relația este aproape liniară pentru semnale mici.

Un alt parametru important în realizarea dispozitivului este rezistența de ieșire $R_{O}$ ${\ displaystyle R_ {O}}$ $R_O$ , dat de:

R_{O}={\begin{matrix}{\frac {1+\lambda V_{DS}}{\lambda I_{D}}}\end{matrix}}={\begin{matrix}{\frac {1/\lambda +V_{DS}}{I_{D}}}\end{matrix}}

{\ displaystyle R_ {O} = {\ begin {matrix} {\ frac {1+ \ lambda V_ {DS}} {\ lambda I_ {D}}} \ end {matrix}} = {\ begin {matrix} { \ frac {1 / \ lambda + V_ {DS}} {I_ {D}}} \ end {matrix}}}

R_O = \ begin {matrix} \ frac {1+ \ lambda V_ {DS}} {\ lambda I_D} \ end {matrix} = \ begin {matrix} \ frac {1 / \ lambda + V_ {DS}} {I_D } \ end {matrix}

Rețineți că dacă $\lambda$ ${\ displaystyle \ lambda}$ $\ lambda$ dacă este setat zero, rezistența de ieșire devine infinită.

Conducție liniară

Caracterizarea regiunii canalului în funcție de regiunea de operare. Când dispozitivul funcționează în regiunea de saturație, canalul este limitat de D, iar curentul depinde doar de V _GS .

Când tensiunea depășește și tensiunea $V_{DS}+V_{th}$ ${\ displaystyle V_ {DS} + V_ {th}}$ $V_ {DS} + V_ {th}$ canalul ajunge la scurgere: conducerea fiind posibilă, canalul se comportă ca o rezistență ^[13] ^[14] în sensul că potențialul devine variabil de-a lungul lungimii sale L, dar nu și în lățimea W care crește doar pe măsură ce tensiunea aplicată porții crește, respectiv măsurate de-a lungul direcției paralele și perpendiculare pe cea a curentului care curge prin canal: ecuația de transconductanță continuă să fie valabilă doar local :

j(x)=\mu _{n}C_{ox}\left(V_{GS}-V_{th}-V(x)\right)

{\ displaystyle j (x) = \ mu _ {n} C_ {ox} \ left (V_ {GS} -V_ {th} -V (x) \ right)}

j (x) = \ mu_n C_ {ox} \ left (V_ {GS} -V_ {th} - V (x) \ right)

deci curentul din canal devine:

I_{D}=\mu _{n}C_{ox}{\frac {W}{L}}\left((V_{GS}-V_{th})V_{DS}-{\frac {V_{DS}^{2}}{2}}\right)

{\ displaystyle I_ {D} = \ mu _ {n} C_ {ox} {\ frac {W} {L}} \ left ((V_ {GS} -V_ {th}) V_ {DS} - {\ frac {V_ {DS} ^ {2}} {2}} \ dreapta)}

I_D = \ mu_n C_ {ox} \ frac {W} {L} \ left ((V_ {GS} -V_ {th}) V_ {DS} - \ frac {V_ {DS} ^ 2} {2} \ right )

unde este $\mu _{n}$ ${\ displaystyle \ mu _ {n}}$ $\ mu_n$ este mobilitatea efectivă a deținătorilor de taxe , $W$ ${\ displaystyle W}$ $W$ lățimea canalului, $L$ ${\ displaystyle L}$ $L$ lungimea acestuia și $C_{ox}$ ${\ displaystyle C_ {ox}}$ $C_ {ox}$ capacitatea pe unitate de suprafață.

Prin urmare, comportamentul este echivalent cu cel al unei triode .

Utilizare digitală

MOSFET-ul folosit ca switch

Același subiect în detaliu: Electronică digitală .

Dezvoltarea tehnologiilor digitale a condus la supremația MOSFET asupra oricărui alt tip de tranzistor bazat pe siliciu. Motivul acestui succes a fost dezvoltarea logicii digitale CMOS , care vede MOSFET ca element constitutiv fundamental. Avantajul substanțial al dispozitivului este faptul că, în mod ideal, atunci când este oprit nu permite curentul să curgă, iar acest lucru are ca rezultat o reducere a puterii disipate. La baza fiecărei porți logice există de fapt invertorul CMOS, combinația dintre un NMOSFET și un PMOSFET în serie, în așa fel încât atunci când unul conduce celălalt să fie oprit. Un astfel de dispozitiv oferă economii considerabile de energie și previne supraîncălzirea circuitului, una dintre principalele probleme ale circuitelor integrate .

Un alt avantaj al tehnologiei MOSFET constă în faptul că în circuitele digitale stratul de oxid dintre poartă și canal împiedică orice curent continuu să curgă prin poartă, reducând consumul de energie. Într-o stare logică distinctă, acest lucru izolează efectiv un MOSFET de etapa anterioară și ulterioară, terminalul de poartă fiind de obicei controlat de ieșirea unei porți logice anterioare; permițând, de asemenea, o ușurință mai mare în proiectarea independentă a diferitelor etape logice.

Circuit invertor cu tehnologie CMOS

CMOS

Același subiect în detaliu: CMOS .

Tehnologia CMOS, acronim pentru semiconductor complementar metal-oxid , este utilizată pentru proiectarea circuitelor integrate , la baza cărora se află utilizarea invertorului MOSFET. ^[15] Aceasta este o structură de circuit care constă dintr-o serie de rețele "Pull-Up" și "Pull-Down": prima este responsabilă pentru reproducerea corectă a nivelului logic înalt LL1, în timp ce a doua este destinată gestionării nivelului scăzut nivel logic LL0 . Rețeaua Pull-Up este alcătuită doar din pMOSFET-uri, care se activează numai dacă tensiunea prezentă la poartă, măsurată în raport cu sursa, este mai mică decât tensiunea de prag, care pentru aceste componente particulare este echivalentă cu jumătate din tensiunea de alimentare . Invers, rețeaua Pull-Down este alcătuită doar din nMOSFET-uri, care se activează numai dacă tensiunea prezentă la poartă este mai mare decât tensiunea de prag. Porțile logice și apoi circuitele integrate sunt construite din invertor.

Având nevoia de a atinge viteze de comutare din ce în ce mai mari și apariția VLSI , logica CMOS a văzut o reducere a utilizării sale în favoarea unor logici incomplete, cum ar fi tranzistorul de trecere și logica Domino .

Utilizare analogică

Același subiect în detaliu: Electronică analogică .

În domeniul electronicii analogice, MOSFET este în cele mai multe cazuri înlocuit de tranzistorul de joncțiune bipolar , considerat mai bun datorită transconductanței sale ridicate. Cu toate acestea, având în vedere dificultatea de fabricare a BJT-urilor și MOSFET-urilor pe același cip , MOSFET-urile sunt utilizate chiar dacă este necesară prezența simultană a ambelor dispozitive, deși încă din anii 1990 a fost posibilă integrarea tranzistoarelor MOS și bipolare în aceeași placă. Această logică, numită BiCMOS , este deosebit de utilă în amplificatoarele în bandă largă și în circuitele digitale, deși utilizarea sa rămâne limitată la circuitele SSI și MSI din cauza dificultăților de miniaturizare. Capacitatea de a dimensiona tranzistorul în funcție de necesitățile de proiectare este, de asemenea, un avantaj față de utilizarea bipolarului, a cărui dimensiune nu afectează foarte mult caracteristicile de transfer.

MOSFET-urile sunt utilizate și în circuite analogice ca comutatoare și, în regiunea liniară, ca rezistențe de precizie. În plus, în circuitele de mare putere, acestea sunt exploatate pentru rezistența lor la temperaturi ridicate.

Miniaturizarea

Un IC CMOS din seria 4000 în pachetul DIP

Tehnologia electronică profită de posibilitatea de a reduce dimensiunea circuitelor: acest lucru a condus la miniaturizarea MOSFET-urilor, ale căror dimensiuni au trecut de la câțiva micrometri la ordinea nanometrelor : circuitele integrate conțin MOSFET-uri al căror canal are o lungime de nouăzeci de nanometri sau Mai puțin. Dispozitivele construite cu un canal mai mic decât micrometrul se numesc MOSFET-uri cu canal scurt și au caracteristici semnificativ diferite de curent-tensiune decât MOSFET-urile mai mari. Din punct de vedere istoric, dificultatea de a reduce dimensiunea MOSFET-urilor a fost asociată cu procesul de fabricație a componentelor semiconductoare .

Beneficii

Motivul pentru care încercăm să obținem MOSFET-uri din ce în ce mai mici constă în primul rând în faptul că MOSFET-urile mai scurte lasă curentul să treacă mai bine: MOSFET-urile pornite în regiunea liniară se comportă ca niște rezistențe, iar miniaturizarea are scopul de a reduce rezistența lor. În al doilea rând, a avea porți mai mici înseamnă a obține o capacitate mai mică a porții. Acești doi factori contribuie la reducerea timpilor de pornire și oprire a tranzistoarelor în sine și, în general, permit viteze de comutare mai mari.

Un al treilea motiv care motivează reducerea dimensiunii MOSFET-urilor este posibilitatea de a obține circuite mai mici, ceea ce implică o putere mai mare de calcul pentru aceeași zonă ocupată. Deoarece costul fabricării circuitelor integrate este legat de numărul de cipuri care pot fi produse pe o placă de siliciu, prețul pe cip este redus.

Probleme

Dificultatea în fabricarea MOSFET-urilor cu lungimi de canal mai mici decât un micrometru este un factor limitativ în avansarea tehnologiei circuitelor integrate. Mărimea mică a MOSFET-urilor poate crea uneori probleme de operare.

Saturația vitezei purtătorului

Una dintre problemele majore în proiectarea circuitelor care conțin MOSFET-uri scalate este aceea a saturației vitezei purtătorului: cu reducerea lungimii canalului, de fapt, câmpul electric prezent între sursa și drenajul dispozitivului crește semnificativ odată cu aceeași tensiune aplicată. Această creștere implică atingerea de către electroni (sau găuri) a vitezei numite viteza de saturație . Odată ce această viteză este atinsă, acestea nu mai pot fi accelerate și, prin urmare, curentul variază liniar cu tensiunea de overdrive și nu mai presupune cvadratic o valoare mai mică decât cea pe care ar avea-o în saturație normală. Acest fenomen este deosebit de relevant în tehnologiile nanometrice și implică un decalaj considerabil în timpul de comutare a logicii construite folosind tranzistoare cu efect de câmp.

Sub-prag curent

Odată cu reducerea dimensiunii, tensiunea care poate fi aplicată la poartă trebuie redusă pentru a menține fiabilitatea dispozitivului, iar tensiunea de prag trebuie redusă în consecință pentru a asigura o performanță optimă. Cu tensiuni de prag mici, tranzistorul nu se poate opri complet, formând un strat cu o tensiune inversă slabă care generează un curent sub prag care disipă puterea. Curentul sub prag nu poate fi neglijat în aceste cazuri, deoarece poate consuma până la 50% din puterea necesară cipului.

Capacitate de interconectare

În tehnologia MOSFET, timpul de întârziere al unei porți este aproximativ proporțional cu suma capacităților porții. Odată cu miniaturizarea tranzistoarelor, capacitatea de interconectare, adică capacitatea conductorilor care conectează diferitele părți ale cipului, creșterea proporțională cu numărul de tranzistoare crește întârzierile în detrimentul performanței.

Sistem de răcire a unui procesor pe o placă de bază

Producția de căldură

Creșterea densității MOSFET-urilor într-un circuit integrat creează probleme de disipare termică, atât în dispozitivele active în sine, cât și în interconectări. Dacă căldura produsă în circuitul integrat nu este eliminată corespunzător, poate apărea distrugerea dispozitivului sau, în orice caz, o reducere a duratei de viață a circuitului. Creșterea temperaturii încetinește, de asemenea, funcționarea circuitelor, deoarece mobilitatea electronilor și a găurilor este redusă. Majoritatea circuitelor integrate, în special microprocesoarele , pot funcționa numai cu radiatoare adecvate sau cu sisteme care ajută la răcirea acestora: într-un microprocesor de ultimă generație densitatea curentului electric care traversează interconectările poate atinge ordinea de 10 G A / m ² , în timp ce în locuințe densitatea curentului care ajunge la cablurile rețelei electrice nu depășește M A / m ² .

Curent poartă

Oxidul porții, izolant între poartă și canal, este cât mai subțire posibil pentru a permite un flux mai mare de curent atunci când tranzistorul este polarizat, ceea ce duce la o performanță mai bună și la un curent redus sub-prag atunci când tranzistorul este oprit. Cu oxizi groși de aproximativ 2 nanometri, se dezvoltă un efect de tunel pentru sarcinile dintre poartă și canal, responsabil pentru un curent mic care duce la o creștere a consumului de energie.

Izolatorii cu o constantă dielectrică mai mare decât oxidul de siliciu , cum ar fi oxidul de hafniu , sunt proiectați pentru a reduce curentul de poartă. Creșterea constantei dielectrice a materialului care constituie oxidul porții permite crearea unui strat mai gros, menținând o capacitate ridicată și reducând efectul tunelului. Este important să se ia în considerare înălțimea barierei noului oxid de poartă: diferența de energie din banda de conducție dintre semiconductori și oxid și diferența de energie corespunzătoare din banda de valență afectează, de asemenea, nivelul curentului de scurgere. În ceea ce privește oxidul tradițional de poartă, dioxidul de siliciu, această barieră este de aproximativ 3 eV . Pentru multe alte dielectrice această valoare este mult mai mică, negând beneficiile care pot fi obținute de la o constantă dielectrică mai mare.

Schimbare productivă

Cu MOSFET-uri din ce în ce mai mici, numărul atomilor de siliciu care afectează proprietățile tranzistorului scade la câteva sute de atomi. În timpul fabricării cipurilor, numărul de atomi utilizați pentru a produce tranzistorul poate varia semnificativ, compromitând caracteristicile tranzistorului.

Simbolul circuitului

Simbolurile circuitului MOSFET-urilor sunt multe, toate caracterizate prin faptul că cele trei terminale (poartă, sursă și golire) sunt identificate printr-o linie: cea a porții este perpendiculară pe celelalte două. Conexiunea substratului este arătată de o săgeată îndreptată de la P la N: în cazul unui nMOS, prin urmare, al cărui substrat are dopaj de tip p , acesta indică de la corp la canal. Opusul se întâmplă pentru pMOS, iar acest lucru ne permite să distingem nMOS de pMOS. Dacă terminalul corpului nu este afișat, simbolul inversor (un punct lângă poartă) este utilizat pentru a identifica pMOS; alternativ, o săgeată de pe sursă indică ieșirea pentru nMOS sau intrarea pentru pMOS (având în vedere direcția convențională a curentului ).

Mai jos, vedem diferitele simboluri ale MOSFET și JFET comparate:

				Canal P
				Canal N
JFET	MOSFET enh	MOSFET enh (fără corp)	MOSFET dep

Pentru simbolurile în care este prezentat terminalul corpului, acesta apare conectat la sursă: aceasta este o configurație tipică, dar nu este singura posibilă. În general, MOSFET este un dispozitiv cu patru terminale.

Abilitatea parazitară

În interiorul fiecărui tranzistor cu efect de câmp există un anumit număr de capacități parazite, pe care le enumerăm mai jos cu referire la un MOSFET:

Condensator MOS

Câmpul electric generat de o tensiune aplicată între poartă și corp produce acumularea de sarcini în apropierea ambelor terminale: încărcarea condensatorului MOS astfel obținut este formată prin urmare din contribuții care variază pe măsură ce tensiunea variază. Pe măsură ce tensiunea crește, zona epuizată devine mai mare și forța exercitată asupra găurilor devine din ce în ce mai puțin eficientă, în timp ce electronii cresc aproape liniar odată ce tensiunea de prag este depășită. În cazul unui canal complet format, capacitatea condensatorului MOS $C_{gb}$ ${\ displaystyle C_ {gb}}$ $C_ {gb}$ este constantă și egală cu valoarea:

C_{gb}=C_{ox}WL\

{\ displaystyle C_ {gb} = C_ {ox} WL \}

C_ {gb} = C_ {ox} WL \

cu:

C_{ox}={\frac {\varepsilon _{ox}}{\Delta x_{ox}}}

{\ displaystyle C_ {ox} = {\ frac {\ varepsilon _ {ox}} {\ Delta x_ {ox}}}}

C_ {ox} = \ frac {\ varepsilon_ {ox}} {\ Delta x_ {ox}}

capacitatea oxidului, unde $\Delta x_{ox}$ ${\ displaystyle \ Delta x_ {ox}}$ $\ Delta x_ {ox}$ este grosimea oxidului, $\varepsilon _{ox}$ ${\ displaystyle \ varepsilon _ {ox}}$ $\ varepsilon_ {ox}$ constanta dielectrică a oxidului e $W L$ ${\ displaystyle WL}$ $WL$ dimensiunile geometrice ale conductei definite anterior.

Joncțiuni PN

O capacitate de capacitate dinamică poate fi asociată fiecărei joncțiuni PN. Abilitățile parazitare de acest tip sunt în primul rând abilități $C_{db}$ ${\ displaystyle C_ {db}}$ $C_ {db}$ jonctiunii dren - corp e $C_{sb}$ ${\ displaystyle C_ {sb}}$ $C_ {sb}$ ^[16] a joncțiunii sursă - corp. De obicei, aceste capacități nu afectează prea mult, deoarece joncțiunile sunt polarizate invers, deoarece în cazul unui nMOS corpul este la cel mai mic potențial și în cazul unui pMOS la cel mai mare potențial.

Există, de asemenea, capacitățile $C_{gs}$ ${\ displaystyle C_ {gs}}$ $C_ {gs}$ a joncțiunii poartă-sursă e $C_{gd}$ ${\ displaystyle C_ {gd}}$ $C_ {gd}$ a joncțiunii poartă-drenaj. ^[16] Teoretic, sursele și zonele de drenaj ar trebui să fie adiacente porții, în timp ce în practică există o ușoară suprapunere a porții cu sursa și drenul pentru a asigura continuitatea structurii, deoarece un spațiu minim între poartă și sursă sau scurgerea ar genera o defecțiune. ^[17]

Modelul EKV

Modelul EKV pentru tranzistoarele MOSFET este un model matematic pentru simularea și proiectarea circuitelor integrate analogice ^[18] , dezvoltat de CC Enz, F. Krummenacher și EA Vittoz în 1995 ^[19] ^[20] ^[21] . A differenza dei modelli più semplici, come il modello quadratico , il modello EKV è accurato anche nella regione di funzionamento sottosoglia (subthreshold) del MOSFET, ovvero quando è verificato V _bb =V _ss allora il MOSFET lavora in zona di sottosoglia quando V _gs < V _th .

Oltretutto, il modello EKV è in grado di simulare molti degli effetti che intervengono nel funzionamento dei circuiti integrati in tecnologia CMOS con dimensioni dei transistor inferiori al micron (submicrometrici) .

Tipologie particolari di MOSFET

MOSFET a svuotamento

Il MOSFET tradizionale viene detto "ad arricchimento", o enhancement , a distinzione dei dispositivi "a svuotamento", o depletion , cioè MOSFET drogati in modo che il canale esista anche se non è applicata alcuna tensione. Quando si applica una tensione al gate il canale si svuota, riducendo il flusso di corrente attraverso il transistor. In sostanza un MOSFET a svuotamento si comporta come un interruttore normalmente chiuso, mentre una MOSFET ad arricchimento si comporta come un interruttore normalmente aperto.

Tali transistor, in struttura a tetrodo , si utilizzano negli stadi amplificatori e mixer RF per diversi dispositivi, in particolare televisori , grazie alla caratteristica di avere un alto rapporto guadagno-capacità ed un basso rumore in banda RF, pur avendo un punto di ginocchio 1/f tanto alto da pregiudicarne l'uso come oscillatore.

Tra i mosfet depletion più diffusi vi sono le famiglie BF 960 Siemens e BF 980 Philips , datate 1980 , i cui discendenti sono tuttora i componenti più diffusi nei gruppi di sintonia .

DMOSFET

DMOS sta per Double Diffused MOSFET , cioè MOSFET a doppia diffusione. Esistono i MOSFET a doppia diffusione laterale (Lateral Double-diffused MOSFET - LDMOSFET) ei MOSFET a doppia diffusione verticale (Vertical Double-diffused MOSFET - VDMOSFET).

Sezione di un MOSFET di potenza

PMOSFET

Lo stesso argomento in dettaglio: MOSFET di potenza .

Il MOSFET di potenza ha avuto grande importanza nelle applicazioni tecnologiche moderne, tra le quali gli amplificatori , gli inverter e gli alimentatori switching. Il principale vantaggio rispetto ai tradizionali transistor è la struttura verticale, che permette di sostenere alti valori di tensione e corrente. ^[22] La tensione dipende dal drogaggio e dallo spessore degli strati di semiconduttore che lo compongono, mentre la corrente dipende dalle dimensioni del canale. Il guadagno in corrente del MOSFET di potenza può essere considerato idealmente infinito, cosicché gli stadi di pilotaggio possano essere semplificati, ed è caratterizzato da un basso valore della RDSon, cioè della resistenza che il componente oppone al passaggio della corrente tra drain e source in condizione di saturazione.

Le caratteristiche dei singoli modelli di MOSFET di potenza variano in funzione delle specifiche richieste, ed appare evidente la necessità di scegliere accuratamente il modello di mosfet necessario per ogni singola applicazione, evitando di sovradimensionare eccessivamente la tensione massima rispetto a quella di lavoro.

MOSFET Dual-Gate

Struttura verticale di un Dual-Gate MOSFET a svuotamento a canale N

I MOSFET Dual-Gate sono dei Mosfet la cui struttura è doppia, vale a dire che sullo stesso chip sono stati integrati due dispositivi singoli collegati in serie : ciò porta alla possibilità di essere utilizzati nella configurazione cascode , nota per essere un vantaggiosissimo circuito di amplificazione di piccoli segnali in alta frequenza. I terminali disponibili esternamente sono solo quattro (drain, source, gate1 e gate 2) anziché sei, poiché due di essi sono già collegati internamente e questo facilita di molto il compito del progettista che utilizzerà il componente. La diffusione dei MOSFET Dual-Gate era già iniziata verso la metà degli anni '70; ora i modelli reperibili più facilmente si trovano tra le serie giapponese 3SKxxx, americana 3Nxxx ed europea BF9xx.

Note

^ Sedra-Smith, 2004 , p. 356 .
^ Computer History - 1960 - Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated , su computerhistory.org . URL consultato il 4 dicembre 2010 .
^ Spirito , Pag. 54 .
^ Spirito , Pag. 55 .
^ PR Gray, PJ Hurst, SH Lewis, and RG Meyer, Analysis and Design of Analog Integrated Circuits , Fourth Edition, New York, Wiley, 2001, pp. 66–67, ISBN 0-471-32168-0 .
^ PR van der Meer, A. van Staveren, AHM van Roermund, Low-Power Deep Sub-Micron CMOS Logic: Subthreshold Current Reduction , Dordrecht, Springer, 2004, p. 78, ISBN 1-4020-2848-2 .
^ PR Gray, PJ Hurst, SH Lewis & RG Meyer, §1.5.2 p. 45 , ISBN 0-471-32168-0 .
^ AS Sedra and KC Smith, Microelectronic circuits , Fifth Edition, New York, Oxford, 2004, p. 552, ISBN 0-19-514251-9 .
^ Spirito , Pag. 56 .
^ ^a ^b Spirito , Pag. 61 .
^ Spirito , Pag. 62 .
^ AS Sedra and KC Smith, p. 250, Eq. 4.14 , ISBN 0-19-514251-9 .
^ C Galup-Montoro & Schneider MC, MOSFET modeling for circuit analysis and design , London/Singapore, World Scientific, 2007, p. 83, ISBN 981-256-810-7 .
^ Norbert R Malik, Electronic circuits: analysis, simulation, and design , Englewood Cliffs, NJ, Prentice Hall, 1995, pp. 315–316, ISBN 0-02-374910-5 .
^ Computer History Museum - The Silicon Engine | 1963 - Complementary MOS Circuit Configuration is Invented
^ ^a ^b Micrel - micrel Archiviato il 30 agosto 2011 in Internet Archive .
^ Ic.hqu.edu - MOSFET Capacitances ( PDF ), su ic.hqu.edu.cn . URL consultato il 2 marzo 2010 (archiviato dall' url originale il 24 marzo 2012) .
^ CC Enz, Krummenacher F., Vittoz EA, An Analytical MOS Transistor Model Valid in All Regions of Operation and Dedicated to Low-Voltage and Low-Current Applications , in Analog Integrated Circuits and Signal Processing Journal on Low-Voltage and Low-Power Design , vol. 8, luglio 1995, pp. 83-114.
^ CC Enz, Krummenacher F., Vittoz EA, A CMOS Chopper Amplifier , in IEEE Journal of Solid-State Circuits , vol. 22, n. 3, giugno 1987, pp. 335-342.
^ Eric Vittoz, Origins of the EKV model ( PDF ), novembre 2004.
^ Eric Vittoz, Swiss Origins of Very Low-Power Integrated Circuits (1962-1982) ( PDF ), settembre 2006. URL consultato il 18 giugno 2012 (archiviato dall' url originale il 3 marzo 2016) .
^ Power Semiconductor Devices , B. Jayant Baliga, PWS publishing Company, Boston. ISBN 0-534-94098-6

Bibliografia

Adel Sedra, KC Smith, Circuiti per la microelettronica , a cura di Aldo Ferrari, IV edizione, Roma, Edizioni Ingegneria 2000, 2004, pp. 354-446, ISBN 88-86658-15-X .
Paolo Spirito, Elettronica digitale , Milano, McGraw-Hill Libri Italia sr., 2006, ISBN 978-88-386-6323-9 .
Trattazione dei mosfet nel laboratorio di elettronica all' Università degli Studi di Firenze
( EN ) Christian Enz , su people.epfl.ch .
( EN ) François Krummenacher , su people.epfl.ch .
( EN ) Eric Vittoz , su ieee.org .
( EN ) Modello EKV , su ekv.epfl.ch .

Voci correlate

Altri progetti

Wikizionario contiene il lemma di dizionario « MOSFET »
Wikimedia Commons contiene immagini o altri file sul MOSFET

Controllo di autorità	LCCN ( EN ) sh85084065 · GND ( DE ) 4207266-9 · BNF ( FR ) cb12423223g (data) · NDL ( EN , JA ) 01142304

Portale Elettronica

Portale Elettrotecnica

[1] Sedra-Smith, 2004 , p. 356 .

[2] Computer History - 1960 - Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated , su computerhistory.org . URL consultato il 4 dicembre 2010 .

[3] Spirito , Pag. 54 .

[4] Spirito , Pag. 55 .

[Gray-Meyer-5] PR Gray, PJ Hurst, SH Lewis, and RG Meyer, Analysis and Design of Analog Integrated Circuits , Fourth Edition, New York, Wiley, 2001, pp. 66–67, ISBN 0-471-32168-0 .

[vanRoermund-6] PR van der Meer, A. van Staveren, AHM van Roermund, Low-Power Deep Sub-Micron CMOS Logic: Subthreshold Current Reduction , Dordrecht, Springer, 2004, p. 78, ISBN 1-4020-2848-2 .

[Gray-Meyer2-7] PR Gray, PJ Hurst, SH Lewis & RG Meyer, §1.5.2 p. 45 , ISBN 0-471-32168-0 .

[Sedra-8] AS Sedra and KC Smith, Microelectronic circuits , Fifth Edition, New York, Oxford, 2004, p. 552, ISBN 0-19-514251-9 .

[9] Spirito , Pag. 56 .

[seiuno-10] Spirito , Pag. 61 .

[11] Spirito , Pag. 62 .

[Sedra2-12] AS Sedra and KC Smith, p. 250, Eq. 4.14 , ISBN 0-19-514251-9 .

[Schneider-13] C Galup-Montoro & Schneider MC, MOSFET modeling for circuit analysis and design , London/Singapore, World Scientific, 2007, p. 83, ISBN 981-256-810-7 .

[Malik-14] Norbert R Malik, Electronic circuits: analysis, simulation, and design , Englewood Cliffs, NJ, Prentice Hall, 1995, pp. 315–316, ISBN 0-02-374910-5 .

[15] Computer History Museum - The Silicon Engine | 1963 - Complementary MOS Circuit Configuration is Invented

[capacitances-16] Micrel - micrel Archiviato il 30 agosto 2011 in Internet Archive .

[17] Ic.hqu.edu - MOSFET Capacitances ( PDF ), su ic.hqu.edu.cn . URL consultato il 2 marzo 2010 (archiviato dall' url originale il 24 marzo 2012) .

[18] CC Enz, Krummenacher F., Vittoz EA, An Analytical MOS Transistor Model Valid in All Regions of Operation and Dedicated to Low-Voltage and Low-Current Applications , in Analog Integrated Circuits and Signal Processing Journal on Low-Voltage and Low-Power Design , vol. 8, luglio 1995, pp. 83-114.

[19] CC Enz, Krummenacher F., Vittoz EA, A CMOS Chopper Amplifier , in IEEE Journal of Solid-State Circuits , vol. 22, n. 3, giugno 1987, pp. 335-342.

[20] Eric Vittoz, Origins of the EKV model ( PDF ), novembre 2004.

[21] Eric Vittoz, Swiss Origins of Very Low-Power Integrated Circuits (1962-1982) ( PDF ), settembre 2006. URL consultato il 18 giugno 2012 (archiviato dall' url originale il 3 marzo 2016) .

[22] Power Semiconductor Devices , B. Jayant Baliga, PWS publishing Company, Boston. ISBN 0-534-94098-6

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

V · D · M Componenti elettronici ed elettrici
Dispositivo a semiconduttore	Circuito integrato · CMOS · Diodo ( a valanga · DIAC · PIN · Schottky · Varicap · LED · Triac · Zener ) · Dispositivo multiporta · FET · Fotorivelatore (SCR) · JFET · Memristore · MOSFET ( di potenza ) · Transistor ( Tiristore · Transistor a giunzione bipolare (BJT) · Transistor Darlington · Transistor bipolare a gate isolato · Transistore unigiunzione
Regolatore di tensione	Convertitore boost · Convertitore buck · Convertitore buck-boost · Convertitore Ćuk · Convertitore SEPIC · Pompa di carica · Regolatore lineare
Tubo a vuoto	Fotomoltiplicatore · Foto tubo · Gyrotron · Klystron · Magnetron · Maser · Nuvistor · Tetrode · Travelling wave tube · Tubo Williams
Tubo a raggi catodici (CRT)	Iconoscopio · Monoscopio · Occhio magico · Tubo da ripresa
Tubo a gas pieno	Lampada a fluorescenza a catodo freddo (CCFL) · Crossatron · Dekatron · GM · Ignitron · Krytron · Lampada al neon · Nixie · Raddrizzatore al mercurio · Thyratron · Trigatron
Dispositivo passivo	Connettori ( Spina elettrica · Connettori RF ) · Cavo elettrico · Filo · Fusibile elettrico · Interruttore · Potenziometro · Resistore · Termistore · Trasformatore · Varistore
Reattanza	Condensatore · Induttore · Interruttore a mercurio · Oscillatore al cristallo · Relè

V · D · M Transistor amplificatori
Transistor a giunzione bipolare	Base comune · Collettore comune · Emettitore comune
Transistor a effetto di campo	Source comune · Drain comune · Gate comune
Combinazioni di transistor	Darlington · Sziklai pair · Cascode · Transistor Schottky · Transistor-transistor logic · Emitter-coupled logic