Post on 01-May-2015
transcript
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli
1
Dispositivi unipolari
– Il contatto metallo-semiconduttore
– Il transistor JFET
– Il transistor MESFET
– Il diodo MOS
– Il transistor MOSFET
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli
2
JFET (1)JFET = Junction Field Effect Transistor
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli
3
JFET (2)Il principio di funzionamento è paragonabile al caso di un tubo per l'acqua dove fluisce una corrente che possa venire “strozzato” in unpunto da un controllo esterno.
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli
4
JFET (3)•Un canale conduttore tra sorgente (source)
e collettore (drain).
•Un elettrodo di controllo (porta o gate)
•In funzionamento normale VD > 0 e VG = 0 o negativa
la giunzione gate-canale conduttore è polarizzata inversa.
fluiscono cariche attraverso il canale, e sono elettroni (semiconduttore di tipo n)
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli
5
Esempio di cella di memoria EPROM (1)
Applicando una tensione elevata tra G e D (~25 V), si ha unelevato campo elettrico nella regione di svuotamento pn Elettroni veloci penetrano e giungono al gate fluttuante.
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli
6
Esempio di cella di memoria EPROM (2)Allora il gate fluttuante si carica negativamente.Quando si rimuove la polarizzazione le cariche rimangonointrappolate perché l’ossido è un isolante
Se si applica a G una tensione di 5 V, la carica presente sul gate fluttuante controbilancia il campo, che il canaletra source e drain rimane chiuso ho sempre lo stesso stato
Cioè ho memorizzato un bit di informazione.
Il 70% della carica si mantiene anche per 10 anni.Può essere cancellata se esposta per breve periodo a luce UV.
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli
7
Componenti integrati (1)
Schema di resistenza integrata
R = 20 – 30 k
Si usa la resistenza di volume del silicio drogato
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli
8
Componenti integrati (2)
(a)Modello di Capacità integrata(b)Circuito equivalente
J2 = giunzione polarizzata inversa da cui si ricava la capacità C2
Cmax = 4x10-4pF/m2
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli
9
Diodo MOSIl diodo MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) è un dispositivo fondamentale per la maggior parte delle applicazioni VLSI.
Si ottiene interponendo uno strato di ossido isolante (Si0
2) tra il
semiconduttore ed il metallo
Il semiconduttore può esseredrogato tipo p (a) o n (b). n-
p+
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli
10
Transistor MOSFET (1)
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli
11
Transistor MOSFET (2)
1) Se si applica un differenza di potenziale tra Source e Drain non scorre corrente tra le regioni di tipo n perché il potenziale del substrato p viene reso negativo due giunzioni n-p polarizzate inversamente.
2) Se si applica una tensione positiva al gate metallico gli elettroni delle regioni n saranno attirati nella regione sottostante che diventerà anche essa di tipo n si crea un canale di tipo n tra Source e Drain passa una corrente.
Questa tecnica si chiama FET ad arricchimento
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli
12
Tipi di MOSFET
NMOS
NMOS
PMOS
PMOS
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli
13
A che serve un MOSFET?
• Amplificatore;• Condensatore;• Resistenza;• Interruttore
un circuito integrato complesso può essere realizzato quasi soltanto con MOSFET!
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli
14
IL MOSFET come resistenza
VGS = VDS
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli
15
Famiglie MOS
Ci sono due tipi di MOSFET:
nMOS (con canale di tipo n, portatori elettroni)pMOS (con canale di tipo p, portatori lacune)
Inoltre esiste un’altra distinzione:
MOSFET a svuotamento (VGS = 0, canale aperto)MOSFET ad arricchimento (VGS = 0, canale chiuso)
VGS = tensione Gate-Source; VDS = tensione Drain-Source
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli
16
Invertitore nMOS (1)
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli
17
Invertitore nMOS (2)Q1 = transistor pilota; Q2 = transistor di carico;
Se Q1 è ON Vo deve essere basso = V(0)
Q1 deve fornire una corrente elevata, e Q2 una resistenza elevata, cosicchè la caduta di potenziale su Q2 porti Vo ad un valore basso.
Viceversa, se Q1 è OFF non passa corrente Vo = V(1)
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli
18
Invertitore nMOS (3)
VDG = VD - VG = -5 – (-17) = 12 Volts
Quindi, poiché VDG > VTL (12 Volts > 2,3 Volts),
Il transistor di carico lavora in saturazione.
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli
19
Porta NAND nMOS (1)
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli
20
Porta NAND nMOS (2)
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli
21
Porta NAND nMOS (3)
V(0) = tensione inferiore alla tensione di sogliaV(1) = tensione superiore alla tensione di soglia
Se V1 o V2 o entrambi sono a V(0) solo TL conduce.
V0 = VGG - VT o a VDD (il valore più basso) = V(1)
Se V1 e V2 sono a V(1) sia T1 che T2 conducono
V0 = somma delle tensioni su T1 e T2 <VT ;
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli
22
Porta NOR nMOS (1)
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli
23
Porta NOR nMOS (2)
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli
24
Porta NOR nMOS (3)
V(0) = tensione inferiore alla tensione di sogliaV(1) = tensione superiore alla tensione di soglia
Se V1 o V2 o entrambi sono a V(1) T1 e/o T2 conduce.
V0 = tensioni su T1 e/o T2 <VT = V(0);
Se V1 e V2 sono a V(0) sia T1 che T2 sono OFF,e solo TL conduce
V0 = VGG - VT o a VDD (il valore più basso) = V(1)
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli
25
Esempi di funzioni logiche nMOS
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli
26
Invertitore CMOS (1)CMOS = Complementary MOS
Due tipi di MOSFET:
Uno a canale n ed unoa canale p.
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli
27
Invertitore CMOS (2)
•Connessione comune dei due drain;
•Vi comune ai due gate;
•0 < Vi < VSS ;
•Tra i due source c’è la tensione VSS ;
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli
28
Invertitore CMOS (3)Se Vi < VT(n), T1 è OFF, T2 è ON e V0 = VSS ;
Se Vi > VSS - VT(p) T2 è OFF, T1 è ON e V0 = 0 Volts;
Inoltre T1 è in saturazione se:
VDS1 > VGS1 - VT(n) , cioè se: VT(n) < Vi < V0 + VT(n)
Mentre T2 è saturo se:
VDS2 > VGS2 - VT (p) , cioè se: V0-VT(p)< Vi < VSS - VT(p)
Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli
29
Invertitore CMOS (4)