MOSFET: differenze tra le versioni
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[[File:D2PAK.JPG|thumb|upright=1.
Il '''MOSFET''' (acronimo del termine [[lingua inglese|inglese]] '''''m'''etal-'''o'''xide-'''s'''emiconductor '''f'''ield-'''e'''ffect '''t'''ransistor'', ovvero '''transistore metallo-ossido-semiconduttore ad effetto di campo'''), scritto anche '''MOS-FET''' o '''MOS FET''' e spesso conosciuto come '''transistore MOS''', in elettronica indica un tipo di [[transistor a effetto di campo]] largamente usato nel campo dell'[[elettronica digitale]], ma diffusa anche nell'[[elettronica analogica]]. È detto anche '''IGFET''' (''insulated-gate field-effect'', FET a gate isolato).<ref>{{Cita|Sedra-Smith, 2004|p. 356}}.</ref>
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== Struttura ==
[[File:MOSFETs.jpg|thumb|upright=1.
[[File:MOSFET schema.png|thumb|upright=1.
Il MOSFET è costituito da un condensatore, composto da un'elettrostruttura formata da tre strati di materiali diversi, affiancata da due terminali, detti ''source'' e ''drain''.
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I terminali di ''source'' e ''drain'', infine, sono anch'essi composti da semiconduttore, drogato però in maniera opposta: se il substrato ha un drogaggio di tipo ''p'' i due terminali hanno drogaggio di tipo ''n'', e viceversa.<ref>{{Cita|Spirito|Pag. 55|Spirito}}.</ref>
Con la riduzione dello spessore dell'ossido di ''gate'' è stata introdotta la tecnologia ''metal gate'', ovvero si è cominciato ad usare un materiale metallico per la costruzione del terminale.
I due principali fattori che hanno portato all'introduzione di questa tecnologia sono: * Con la riduzione delle dimensioni dei transistor, la riduzione dello spessore dell'ossido di ''gate'' rende non più trascurabile lo spessore della regione svuotata sul polisilicio, ciò porta a dover considerare uno spessore di ossido equivalente. Questo genera ripercussioni sulle tensioni di soglia e sulle correnti di ''drain'' che, in generale, contribuiscono ad una riduzione delle performance del dispositivo.
* L'aumento del drogaggio del polisilicio volto a ridurne la resistività e la profondità di svuotamento crea problemi di contaminazione dell'ossido, oltre al fatto che il silicio fortemente drogato presenta una scarsa mobilità per [[elettrone|elettroni]] e [[Lacuna (fisica)|lacune]].
Si sono di conseguenza cercati processi tecnologici che permettono di mantenere l'allineamento del ''gate'' con ''drain'' e ''source'' e che usano metallo al posto del polisilicio. Una delle tecniche più avanzate per ottenere MOS con tecnologia ''metal gate'' è il processo ''damascene'', che prevede la costruzione di un ''gate'' fittizio in polisilicio e la sua successiva rimozione per far posto al vero ''gate'' metallico, solitamente di alluminio o [[tungsteno]]. Uno strato di [[nitruro di titanio]] viene interposto tra ''gate'' metallico e ossido (quest'ultimo viene ricreato quando si rimuove il ''gate'' in polisilicio) sia per evitare che il metallo contamini l'ossido, sia per migliorarne l'adesione.
== Funzionamento ==
A seconda della tensione applicata ai capi del substrato sotto al Gate, detto [[condensatore (elettrotecnica)|condensatore]] MOS, la regione di substrato che collega drain e source può essere ricca di lacune, vuota, o ricca di elettroni: viene illustrato il funzionamento che consegue nel caso di un nMOS, il cui substrato ''p'' (cioè ha un eccesso di [[Lacuna (fisica)|lacune]]) si considera cortocircuitato con il terminale di source.
=== Accumulo ===
[[File:MOS Capacitor.png|thumb|upright=1.
Quando all'elettrodo di ''gate'' viene imposta una tensione <math>V_G</math> negativa rispetto all'elettrodo di substrato, generalmente posto a massa, le lacune del substrato si accumulano in un piccolo strato in prossimità del gate, e non consentono il passaggio di corrente tra D e S (causa l'elevata ricombinazione).
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Quando all'elettrodo di ''gate'' viene imposta una tensione positiva rispetto all'elettrodo di substrato ma inferiore ad una tensione di soglia (in inglese threshold) <math>V_{th}</math> anche se le lacune del substrato si allontanano dal gate, la regione in prossimità di esso è comunque priva di sufficienti portatori liberi di carica.
==== Soglia di conduzione ====
Questa tensione di soglia <math>V_{th}</math> dipende da quella tra source e body: ciò viene comunemente chiamato "effetto body", dovuto alla capacità del condensatore MOS. Se vi è una differenza di tensione tra source e body, per ottenere la [[Transistor a effetto di campo#Regione di Inversione|regione di inversione]] è necessaria una maggiore differenza di potenziale, il che equivale ad un aumento della tensione di soglia del transistore. Se si definisce pertanto la tensione di soglia senza considerare l'effetto body, nel canale risulta una carica indotta minore di quella aspettata, e questo comporta un errore in eccesso nella valutazione della corrente del canale.
Per un nMOS si ha:
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dove <math>V_{th 0}</math> è la soglia per <math> V_{SB}</math> nulla, <math>\gamma</math> il parametro dell'effetto body e <math>|2\phi_F|</math> ( <math>\phi_F=- E_F/q</math>: [[Energia di Fermi|potenziale di Fermi]]) è il [[potenziale elettrico|potenziale]] di superficie corrispondente all'inizio inversione. L'equazione risulta approssimata dal momento che la tensione del canale non è in generale costante, ma varia man mano che ci si sposta da un potenziale all'altro.
==== Corrente di sottosoglia ====
{{vedi anche|Corrente di sottosoglia}}
Nella [[distribuzione di Boltzmann]] alcuni elettroni hanno comunque energia sufficiente per passare tra D e S: scorre una piccola [[corrente elettrica]], che varia esponenzialmente con <math>V_{GS}</math>, ed è definita approssimativamente dalla relazione:<ref name=Gray-Meyer>{{Cita libro
| autore=P R Gray, P J Hurst, S H Lewis, and R G Meyer
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| isbn=1-4020-2848-2| url=http://books.google.com/books?id=nyken8ivkb8C&pg=PA78&dq=weak+inversion&sig=SwYg44W-tRbG1cSjQBemdM22PgU }}</ref>
:<math>
dove <math>I_{D0}</math> è la corrente per <math>V_{GS}=V_{th}</math>, <math>C_d</math> è la capacità della regione di svuotamento e <math>C_{ox}</math> la capacità dello strato di ossido.<br />
In un transistore il cui canale sia sufficientemente lungo non c'è dipendenza della corrente dalla tensione del ''drain'' finché <math>V_{DS} >> V_T</math>. Questa corrente è una delle cause del consumo di potenza nei circuiti integrati.
=== Saturazione ===
[[File:IvsV mosfet.svg|thumb|upright=1.4|left|Andamento della corrente del drain in funzione della tensione tra drain e source per vari valori di <math>V_{GS}-V_{th}</math>. La linea di contorno tra le regioni lineare e di saturazione è rappresentata dal ramo di parabola.]]
Quando la tensione di gate è positiva e compresa tra <math>V_{th}</math> e <math>V_{DS} + V_{th}</math> il transistor passa al funzionamento attivo<ref name=Gray-Meyer2> {{Cita libro
| autore=PR Gray, PJ Hurst, SH Lewis & RG Meyer
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=== Conduzione lineare ===
[[
Quando la tensione drain-source diventa inferiore alla tensione <math>V_{GS} - V_{th}</math> il canale raggiunge il drain: essendo possibile la conduzione il canale si comporta come una [[Resistenza elettrica|resistenza]]<ref name=Schneider>{{Cita libro
| autore=C Galup-Montoro & Schneider MC
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== Impiego digitale ==
[[File:Mosfet digital sign.GIF|thumb|upright=
▲{{vedi anche|elettronica digitale}}
Lo sviluppo delle tecnologie digitali ha portato alla supremazia del MOSFET rispetto ad ogni altro tipo di transistor basato sul silicio. La ragione di tale successo è stato lo sviluppo della logica digitale [[CMOS]], che vede nel MOSFET il costituente fondamentale. Il sostanziale vantaggio del dispositivo è il fatto che, idealmente, quando è spento non permette alla corrente di scorrere, e ciò si traduce nella riduzione della [[potenza elettrica|potenza]] dissipata. Alla base di ogni [[porta logica]] vi è infatti l'[[invertitore]] CMOS, la combinazione di un NMOSFET e di un PMOSFET in serie, in un modo tale che quando uno conduce l'altro è spento. Tale dispositivo fornisce un considerevole risparmio energetico e previene il surriscaldamento del circuito, una delle principali problematiche dei [[circuito integrato|circuiti integrati]].
Ulteriore vantaggio della tecnologia MOSFET risiede nel fatto che nei circuiti digitali lo strato di ossido tra il gate e il canale impedisce ad ogni corrente in continua di scorrere attraverso il gate, riducendo il consumo di potenza. In uno stato logico distinto questo isola efficacemente un MOSFET dallo stadio precedente e successivo, essendo il terminale di gate solitamente comandato dall'uscita di una porta logica precedente; permettendo inoltre una maggiore facilità nel progettare indipendentemente i vari stadi logici.
[[File:CMOS Inverter.svg|thumb|left|upright=0.7|Circuito invertitore a tecnologia [[CMOS]]]]▼
=== CMOS ===
{{vedi anche|CMOS}}
La tecnologia CMOS, acronimo di ''complementary metal-oxide semiconductor'', è usata per la progettazione di [[circuito integrato|circuiti integrati]], alla cui base sta l'uso dell'[[invertitore]] a MOSFET.<ref>[http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1963-CMOS.html Computer History Museum - The Silicon Engine | 1963 - Complementary MOS Circuit Configuration is Invented]</ref> Si tratta di una struttura circuitale costituita dalla serie di una rete di "Pull-Up" ed una di "Pull-Down": la prima s'incarica di replicare correttamente il livello logico alto '''LL1''' mentre alla seconda è destinata la gestione del livello logico basso '''LL0'''. La rete di Pull-Up è costituita di soli pMOSFET, che si accendono solo se la tensione presente al gate, misurata rispetto al source, è minore della tensione di soglia, che per questi particolari componenti equivale a metà tensione di alimentazione. Inversamente la rete di Pull-Down è costituita di soli nMOSFET, che si accendono solo se la tensione presente al gate è maggiore della tensione di soglia.
A partire dall'invertitore si costruiscono le [[porta logica|porte logiche]] e quindi i [[circuito integrato|circuiti integrati]].
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== Impiego analogico ==
{{vedi anche|elettronica analogica}}
Nell'ambito dell'elettronica analogica il MOSFET è nella maggior parte dei casi rimpiazzato dal [[transistor a giunzione bipolare]], considerato migliore soprattutto a causa della sua alta [[transconduttanza]]. Tuttavia, data la difficoltà nel fabbricare BJT e MOSFET sullo stesso [[Circuito integrato|chip]], si usano i MOSFET anche qualora sia richiesta la presenza contemporanea di entrambi i dispositivi, sebbene dagli anni novanta è stato possibile integrare nello stesso wafer transistori MOS e bipolari. Questa logica, chiamata [[BiCMOS]], è particolarmente utile in [[amplificatore (elettronica)|amplificatori]] a larga banda e circuiti digitali, anche se il suo uso rimane limitato ai circuiti [[Scala di integrazione|SSI]] e [[Scala di integrazione|MSI]] a causa di difficoltà nella miniaturizzazione.
Anche la possibilità di dimensionare il transistor a seconda delle esigenze di progettazione è un vantaggio rispetto all'uso dei bipolari, le cui dimensioni non influenzano notevolmente le caratteristiche di trasferimento.
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== Miniaturizzazione ==
[[File:cmosic.JPG|thumb|Un IC [[CMOS]] della [[serie 4000]] in package [[Dual in-line package|DIP]]]]
La tecnologia elettronica trae notevole vantaggio dalla possibilità di ridurre le dimensioni dei circuiti: questo ha portato alla miniaturizzazione dei MOSFET, le cui dimensioni sono passate da vari [[micrometro (unità di misura)|micrometri]] all'ordine dei [[nanometro|nanometri]]: i circuiti integrati contengono MOSFET il cui canale ha lunghezza di novanta nanometri o meno. I dispositivi costruiti con un canale più piccolo del micrometro sono detti [[MOSFET a canale corto]], ed hanno caratteristiche corrente-tensione sensibilmente diverse rispetto ai MOSFET di dimensioni maggiori. Storicamente la difficoltà nel ridurre le dimensioni dei MOSFET è stata associata al processo di [[fabbricazione dei dispositivi a semiconduttore|produzione di componenti a semiconduttore]].
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==== Capacità di interconnessione ====
Nella tecnologia MOSFET il tempo di ritardo di una porta è approssimativamente proporzionale alla somma delle capacità di gate. Con la miniaturizzazione dei transistor la capacità di interconnessione, cioè la capacità dei conduttori che connettono le diverse parti del chip, crescendo in proporzione al numero di transistori accrescono i ritardi a scapito delle prestazioni.
[[File:Heat sink on an AMD Phenom CPU.jpg|thumb|upright=1.1|Sistema di raffreddamento di un processore in una [[scheda madre]]]]▼
==== Produzione di calore ====
▲[[File:Heat sink on an AMD Phenom CPU.jpg|thumb|upright=1.1|Sistema di raffreddamento di un processore in una [[scheda madre]]]]
L'aumentare della densità di MOSFET in un circuito integrato crea problemi di dissipazione termica, sia negli stessi dispositivi attivi, sia nelle interconnessioni. Se il calore prodotto nel circuito integrato non viene smaltito in modo opportuno si può riscontrare la distruzione del dispositivo o comunque la riduzione del tempo di vita del circuito. L'aumentare della temperatura rallenta inoltre il funzionamento dei circuiti, dal momento che si riduce la mobilità degli elettroni e delle lacune. La maggior parte dei circuiti integrati, in particolare i [[microprocessore|microprocessori]], possono funzionare solo con opportuni dissipatori di calore o con sistemi che ne aiutano il raffreddamento: in un microprocessore di ultima generazione la [[densità di corrente elettrica]] che attraversa le interconnessioni può arrivare all'ordine di 10 [[Giga (prefisso)|G]][[Ampere|A]]/[[metro|m]]<sup>2</sup>, mentre nelle abitazioni la densità di corrente che raggiungono i cavi della rete elettrica non supera il [[Mega|M]][[Ampere|A]]/[[metro|m]]<sup>2</sup>.
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| cognome = Vittoz
| nome = Eric
| data = novembre
| anno = 2004
| titolo = Origins of the EKV model
| url =
}}</ref>
<ref>{{cita pubblicazione
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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 [[micrometro (unità di misura)|micron]] ''(submicrometrici)''.
== Tipi 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.
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=== DMOSFET ===
DMOS sta per ''Double Diffused MOSFET'', cioè MOSFET a doppia diffusione. Esistono i MOSFET a doppia diffusione laterale (Lateral Double-diffused MOSFET - LDMOSFET) e i MOSFET a doppia diffusione verticale (Vertical Double-diffused MOSFET - VDMOSFET).
[[File:Power mos cell layout.svg|thumb|upright=1.1|Sezione di un MOSFET di potenza]]▼
=== PMOSFET ===
{{
Il MOSFET di potenza ha avuto grande importanza nelle applicazioni tecnologiche moderne, tra le quali gli [[amplificatore|amplificatori]], gli [[inverter]] e gli [[alimentatore elettrico|alimentatori]] switching. Il principale vantaggio rispetto ai tradizionali transistor è la struttura verticale, che permette di sostenere alti valori di tensione e corrente.<ref>''Power Semiconductor Devices'', B. Jayant Baliga, PWS publishing Company, Boston. ISBN 0-534-94098-6</ref> 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.
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=== MOSFET Dual-Gate ===
[[File:Dual-Gate MOSFET.jpg|
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 [[circuiti in serie e in parallelo|serie]]: ciò porta alla possibilità di essere usati 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 adopererà 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.
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