MOSFET

Două MOSFET-uri de putere

MOSFET (acronim al termenului englez m etal- sau xide- s emiconductor f ield- and ffect t ransistor, sau semiconductor-metal oxidation-field-effect tranzistor), scris de asemenea MOSFET sau MOS FET și adesea cunoscut sub numele de tranzistoare MOS , în electronic indică un tip de tranzistor cu efect de câmp este utilizat pe scară largă în domeniul „ electronicii digitale , dar răspândit și în„ electronica analogică . Se mai numește IGFET (efect de câmp cu poartă izolată , poartă FET izolată). ^[1]

Principiul de funcționare a efectului câmpului tranzistorului a fost creat de Lilienfeld în 1925 , în timp ce primul MOSFET a fost realizat de Kahng și Atalla în 1959 la Laboratoarele Bell . ^[2] MOSFET-ul este compus dintr-un material substrat din semiconductor dopat, de obicei siliciu , care se aplică celor trei terminale: poartă, sursă și drenaj. Aplicarea unei tensiuni la poartă face posibilă controlul trecerii sarcinilor între sursă și canal și, prin urmare, curentul electric care curge prin dispozitiv. În funcție de faptul dacă dopajul corpului semiconductor este de tip tranzistor de tip n sau p ia respectiv denumirea de pMOSFET și 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-ul este constituit dintr-un condensator, care cuprinde un'elettrostruttura formată din trei straturi de materiale diferite, flancate de două terminale, sursa și drenajul menționate.

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

Poarta este realizată cu conductor material: datorită absenței unor procese tehnologice care se aliniază cu o bună precizie la o structură MOS a porții metalice și datorită contaminării pe care aluminiul a introdus-o în timpul proceselor de recoacere termică, este folosit de mai mulți ani siliciu policristalin (polisilicon) cu dopaj ridicat, care însă nu se bucură de proprietăți conductoare remarcabile. Poarta și substratul sunt separate printr-un strat izolator subțire, respectivul oxid de poartă, compus din dioxid de siliciu sau dielectric cu o permitivitate dielectrică 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 să realizeze un comportament ideal al MOS, curentul de poartă trebuie să fie cât mai mult posibil.

Terminalele sursă și de scurgere , în cele din urmă, sunt, de asemenea, compuse din semiconductori, dopați, totuși, în sens opus: dacă substratul are un dopaj de tip p, cele două terminale au dopaj de tip n și invers. ^[4]

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

Odată cu reducerea dimensiunilor tranzistorului, reducerea grosimii oxidului de poartă face ca aceasta să nu mai fie neglijabilă grosimea regiunii golite pe polisilicon, ceea ce duce la luarea în considerare a unei grosimi de oxid echivalent. Acest lucru generează repercusiuni asupra tensiunilor de prag și a curenților de scurgere care, în general, contribuie la o reducere a performanței dispozitivului.
Creșterea feței polisiliciului dopat pentru a reduce rezistivitatea și adâncimea golirii creează probleme de contaminare cu oxid, pe lângă faptul că siliciul puternic dopat are o mobilitate redusă pentru electroni și găuri .

În consecință, sunt căutate 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 fictive 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 oxidul metalic și poartă (acesta din urmă este recreat atunci când îndepărtați poarta din polisilicon ) pentru a evita ca metalul să contamineze oxidul, ambele pentru a îmbunătăți aderența.

Operațiune

În funcție de tensiunea aplicată capetelor substratului de sub Poartă, condensatorul MOS menționat, regiunea substratului care conectează drenul și sursa poate fi plină de goluri, goale sau bogate în electroni: demonstrează funcționarea care urmează în cazul unui nMOS, substratul p (adică are un exces de goluri ) este considerat scurtcircuitat cu terminalul sursă.

Acumulare

Polarizarea în condensatorul MOS

Când electrodul porții este impus o tensiune $V_{G}$ ${\ displaystyle V_ {G}}$ $V_G$ 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 electrodului de poartă i se impune o tensiune pozitivă relativă la electrodul substratului, dar mai mică decât o tensiune de prag (în engleză prag) $V_{th}$ ${\ displaystyle V_ {th}}$ $V_ {th}$ chiar dacă golurile din substrat se îndepărtează de poartă, regiunea aflată în apropierea acestuia 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, pentru a obține regiunea de inversare este necesară o diferență de potențial mai mare, 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 $|2\phi _{F}|$ ${\ displaystyle | 2 \ phi _ {F} |}$ $| 2 \ phi_F |$ ( $\phi _{F}=-E_{F}/q$ ${\ displaystyle \ phi _ {F} = - E_ {F} / q}$ $\ phi_F = - E_F / q$ : Fermi potențial ) este potențialul suprafeței corespunzător inversării superioare. 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 dintre electroni au suficientă energie, totuși, pentru a comuta între D și S: curge un curent electric mic, care variază exponențial cu $V_{GS}$ ${\ displaystyle V_ {GS}}$ $V_ {GS}$ , Și este definit aproximativ 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 dependență de curent de la tensiunea de scurgere până la $V_{DS}>>V_{T}$ ${\ displaystyle V_ {DS} >> V_ {T}}$ $V_ {DS} >> V_T$ . 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 operațiunea activă ^[7] ^[8] : electronii din substrat, respectivii purtători de sarcină majoritari sunt atrași de poartă: se formează un canal conductor între sursă și drenaj în care siliciul se comportă ca și cum ar fi dopat n ca terminale sursă și de scurgere , permițând inițial curentul să curgă 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 imediata apropiere a acestuia. Acest fenomen se numește pinch-off , similar cu „ Efect timpuriu în tranzistorul 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] Prin urmare, inversarea sarcinii scade la apropierea de terminalul de scurgere și acest lucru implică faptul că, odată atinsă întreaga limitare, 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 numai și cvadrat de tensiune $V_{GS}$ ${\ displaystyle V_ {GS}}$ $V_ {GS}$ Și 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 , unde 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}

în cazul în care termenul V _ov = V _GS - V _th se spune că 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 a canalului este limitat în vecinătatea lui 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: fiind posibil să se conducă canalul se comportă ca o rezistență ^[13] ^[14] în sensul că potențialul devine variabil pe lungimea sa L dar nu în lățimea W care crește doar creșterea tensiunii aplicate la poartă, respectiv, măsurată de-a lungul direcției paralele și perpendiculare pe cea a curentului care curge prin canal: ecuația transconductanței 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}} \ right)}

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 transportatorilor 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 , MOSFET care vede în elementul constitutiv fundamental. Avantajul substanțial al dispozitivului este faptul că, în mod ideal, atunci când este oprit nu permite curgerea curentului, iar acest lucru se traduce prin reducerea 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 este oprit. Un astfel de dispozitiv asigură o economie considerabilă 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 mai mare ușurință în proiectarea independentă a diferitelor etape logice.

Tehnologie de circuit invertor CMOS

CMOS

Același subiect în detaliu: CMOS .

Tehnologia CMOS, care înseamnă semiconductor complementar metal-oxid, este utilizată pentru proiectarea circuitelor integrate , a căror bază este utilizarea ' invertor MOSFET. ^[15] Este o structură de circuit constituită din seria unei rețele de "Pull-Up" și un "Pull-Down": primul are grijă de replicarea corectă a nivelului logic înalt LL1 în timp ce al doilea este destinat gestionării nivel logic scăzut 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. Pornind de la invertor sunt construite porți logice , apoi circuitele integrate .

Având nevoia de a atinge întotdeauna o viteză de comutare mai mare și apariția logicii VLSI CMOS a văzut o reducere a utilizării sale în favoarea unei logici incomplete, cum ar fi tranzistorul de trecere și logica Domino .

Utilizare analogică

Același subiect în detaliu: electronică analogică .

Electronica analogică Sub MOSFET este în cele mai multe cazuri înlocuită de tranzistorul de joncțiune bipolar , care este considerat mai bun mai ales datorită transconductanței sale ridicate. Cu toate acestea, dată fiind dificultatea în fabricarea BJT-urilor și MOSFET-urilor pe același cip , acestea sunt utilizate chiar dacă MOSFET este necesară prezența simultană a ambelor dispozitive, deși la începutul anilor nouăzeci a fost posibil să se integreze în același tranzistor MOS și bipolar. Această logică, denumită BiCMOS , este deosebit de utilă în amplificatoare și circuite digitale în bandă largă, 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, de asemenea, utilizate în circuite analogice, cum ar fi întrerupătoarele și, într-o regiune liniară, cum ar fi precizia rezistențelor . 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 foarte mult de posibilitatea de a reduce dimensiunea circuitelor: acest lucru a condus la miniaturizarea MOSFET, ale cărui dimensiuni sunt mărite de la câțiva micrometri la ordinea nanometrelor : Circuite integrate care conțin MOSFET ale căror canale au o lungime de nouăzeci de nanometri. sau mai putin. Dispozitivele construite cu un canal mai mic al micrometrului se numesc MOSFET-uri cu canal scurt și au caracteristici de curent-tensiune semnificativ diferite în comparație cu MOSFET mai mari. Din punct de vedere istoric, dificultatea de a reduce dimensiunea MOSFET a fost asociată cu procesul de producție a componentelor semiconductoare .

Beneficii

Motivul pentru care se caută obținerea unui MOSFET din ce în ce mai mic rezidă în primul rând în faptul că MOSFET-urile mai mici permit să treacă mai mult curent: MOSFET-urile comutate într-o regiune liniară se comportă ca rezistențe, iar miniaturizarea are scopul de a reduce rezistența . În al doilea rând, poarta mai mică implică obținerea unei porți de capacitate mai mică. 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 producerii circuitelor integrate este conectat la numărul de cipuri care pot fi produse pe o placă de siliciu, prețul pentru fiecare cip este redus.

Probleme

Dificultatea de a produce MOSFET-uri cu lungimi de canal mai mici ale unui 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 duce la atingerea de către electroni (sau găuri) a vitezei respectivei viteze de saturație. După atingerea acestei viteze, acestea nu pot fi accelerate în continuare și, prin urmare, curentul variază liniar cu tensiunea de overdrive și nu mai este quadratic, prin urmare presupunând o valoare mai mică decât ar avea în saturația normală. Acest fenomen este deosebit de relevant în tehnologiile nanometrice și implică o diferență considerabilă în timpii de comutare ai logicii construite folosind tranzistoare cu efect de câmp.

Sub-prag curent

Odată cu reducerea dimensiunii tensiunii care poate fi aplicată la poartă, aceasta trebuie redusă pentru a menține fiabilitatea dispozitivului, iar tensiunea de prag trebuie redusă în consecință pentru a asigura performanțe optime. Cu praguri reduse, tensiunile tranzistorului nu pot fi oprite complet, formând un strat cu o tensiune inversă slabă care generează un curent de scurgere 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 tranzistoarelor 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 răcire: într-un microprocesor de generație următoare, densitatea curentului electric care curge prin interconectări poate atinge ordinea de 10 G a / m ^2, în timp ce în carcasa densității de curent care poate ajunge la cablurile de rețea nu depășește m a / m ^2.

Curent poartă

Oxidul porții, izolant între poartă și canal, este cât se poate de subțire 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 de sub-prag redus atunci când tranzistorul este oprit. Cu o grosime de aproximativ 2 nanometri oxizii dezvoltă un efect de tunel pentru pozițiile dintre poartă și canal, responsabil pentru un curent mic care duce la o creștere a consumului de energie.

Izolatorii au o constantă dielectrică mai mare de oxid de siliciu , cum ar fi „ oxid de hafniu ”, sunt concepute 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 , vârful 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 sursă de pe săgeată indică ieșirea către intrare pentru nMOS sau pMOS (având în vedere direcția curentului convențional ).

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 vecinătatea ambelor terminale: încărcarea condensatorului MOS astfel obținut se formează apoi din contribuții care variază în funcție de tensiune. Pe măsură ce tensiunea crește, aria 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, $\varepsilon _{ox}$ ${\ displaystyle \ varepsilon _ {ox}}$ $\ varepsilon_ {ox}$ oxidul constant dielectric și $W L$ ${\ displaystyle WL}$ $WL$ 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 scurgere trebuie amplasate una lângă alta cu poarta, în timp ce în practică există o ușoară suprapunere a porții cu sursa și scurgere pentru a asigura continuitatea structurii, deoarece un spațiu minim între poartă iar sursa sau scurgerea ar genera o defecțiune. ^[17]

Modelul EKV

Modelul EKV pentru tranzistorul 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