Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

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Dispositivi unipolari

– Il contatto metallo-semiconduttore

– Il transistor JFET

– Il transistor MESFET

– Il diodo MOS

– Il transistor MOSFET

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JFET (1)JFET = Junction Field Effect Transistor

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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.

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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)

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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.

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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.

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Componenti integrati (1)

Schema di resistenza integrata

R = 20 – 30 k

Si usa la resistenza di volume del silicio drogato

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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

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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+

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Transistor MOSFET (1)

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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

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Tipi di MOSFET

NMOS

NMOS

PMOS

PMOS

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A che serve un MOSFET?

• Amplificatore;• Condensatore;• Resistenza;• Interruttore

un circuito integrato complesso può essere realizzato quasi soltanto con MOSFET!

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IL MOSFET come resistenza

VGS = VDS

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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

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Invertitore nMOS (1)

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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)

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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.

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Porta NAND nMOS (1)

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Porta NAND nMOS (2)

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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 ;

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Porta NOR nMOS (1)

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Porta NOR nMOS (2)

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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)

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Esempi di funzioni logiche nMOS

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Invertitore CMOS (1)CMOS = Complementary MOS

Due tipi di MOSFET:

Uno a canale n ed unoa canale p.

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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 ;

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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)

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Invertitore CMOS (4)