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Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Dispositivi unipolari – Il contatto metallo-semiconduttore – Il transistor JFET – Il transistor.

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Presentazione sul tema: "Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Dispositivi unipolari – Il contatto metallo-semiconduttore – Il transistor JFET – Il transistor."— Transcript della presentazione:

1 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

2 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 2 JFET (1) JFET = Junction Field Effect Transistor

3 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 un punto da un controllo esterno.

4 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 V D > 0 e V G = 0 o negativa la giunzione gate-canale conduttore è polarizzata inversa. fluiscono cariche attraverso il canale, e sono elettroni (semiconduttore di tipo n)

5 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 un elevato campo elettrico nella regione di svuotamento pn Elettroni veloci penetrano e giungono al gate fluttuante.

6 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 rimangono intrappolate perché lossido è un isolante Se si applica a G una tensione di 5 V, la carica presente sul gate fluttuante controbilancia il campo, che il canale tra 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.

7 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

8 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 8 Componenti integrati (2) (a)Modello di Capacità integrata (b)Circuito equivalente J 2 = giunzione polarizzata inversa da cui si ricava la capacità C 2 C max = 4x10 -4 pF/ m 2

9 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 9 Diodo MOS Il 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 essere drogato tipo p (a) o n (b). n-n- p+p+

10 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 10 Transistor MOSFET (1)

11 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

12 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 12 Tipi di MOSFET NMOS PMOS

13 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!

14 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 14 IL MOSFET come resistenza V GS = V DS

15 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 unaltra distinzione: MOSFET a svuotamento (V GS = 0, canale aperto) MOSFET ad arricchimento (V GS = 0, canale chiuso) V GS = tensione Gate-Source; V DS = tensione Drain-Source

16 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 16 Invertitore nMOS (1)

17 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 17 Invertitore nMOS (2) Q1 = transistor pilota; Q2 = transistor di carico; Se Q1 è ON V o deve essere basso = V(0) Q1 deve fornire una corrente elevata, e Q2 una resistenza elevata, cosicchè la caduta di potenziale su Q2 porti V o ad un valore basso. Viceversa, se Q1 è OFF non passa corrente V o = V(1)

18 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 18 Invertitore nMOS (3) V DG = V D - V G = -5 – (-17) = 12 Volts Quindi, poiché V DG > V TL (12 Volts > 2,3 Volts), Il transistor di carico lavora in saturazione.

19 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 19 Porta NAND nMOS (1)

20 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 20 Porta NAND nMOS (2)

21 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 21 Porta NAND nMOS (3) V(0) = tensione inferiore alla tensione di soglia V(1) = tensione superiore alla tensione di soglia Se V 1 o V 2 o entrambi sono a V(0) solo TL conduce. V 0 = V GG - V T o a V DD (il valore più basso) = V(1) Se V 1 e V 2 sono a V(1) sia T1 che T2 conducono V 0 = somma delle tensioni su T1 e T2

22 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 22 Porta NOR nMOS (1)

23 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 23 Porta NOR nMOS (2)

24 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 24 Porta NOR nMOS (3) V(0) = tensione inferiore alla tensione di soglia V(1) = tensione superiore alla tensione di soglia Se V 1 o V 2 o entrambi sono a V(1) T1 e/o T2 conduce. V 0 = tensioni su T1 e/o T2

25 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 25 Esempi di funzioni logiche nMOS

26 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 26 Invertitore CMOS (1) CMOS = Complementary MOS Due tipi di MOSFET: Uno a canale n ed uno a canale p.

27 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 27 Invertitore CMOS (2) Connessione comune dei due drain; V i comune ai due gate; 0 < V i < V SS ; Tra i due source cè la tensione V SS ;

28 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 28 Invertitore CMOS (3) Se V i < V T (n), T1 è OFF, T2 è ON e V 0 = V SS ; Se V i > V SS - V T (p) T2 è OFF, T1 è ON e V 0 = 0 Volts; Inoltre T1 è in saturazione se: V DS1 > V GS1 - V T (n), cioè se: V T (n) < V i < V 0 + V T (n) Mentre T2 è saturo se: V DS2 > V GS2 - V T (p), cioè se: V 0 -V T (p)< V i < V SS - V T (p)

29 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 29 Invertitore CMOS (4)


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