1 LM Scie&Tecn dei MaterialiA.A.2015/16Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Transistor a effetto di campo FET Ha ormai sostituito il BJT in molte applicazioni. Estremamente versatile e affidabile MOSFET, JFET, MESFET 1  C'è un canale conduttivo costituito da un semiconduttore drogato tra Source e Drain  Entrambi sono contatti ohmici  Il rubinetto che regola il flusso nel FET è il potenziale sul gate che riesce a regolare, con meccanismi diversi a seconda del tipo di FET, il passaggio nel canale di corrente E' essenziale che il gate sia isolato rispetto al flusso nel canale di corrente

2 LM Scie&Tecn dei MaterialiA.A.2015/16Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Transistor a effetto di campo FET MOSFET: il gate è isolato dal canale da un ossido. Dispositivi a base di silicio MESFET: il gate forma una barriera Schottky con il semiconduttore JFET: si usa una giunzione p-n in polarizzazione inversa 2  Dispositivi nei quali l'isolamento è ottenuto con un isolante tra il gate e il canale attivo. Senza drogaggio con un forte piegamento delle bande.  Dispositivi nei quali l'isolamento è ottenuto con una barriera Schottky o una giunzione p-n. In entrambi droganti forniscono portatori liberi ed il gate può alterare la conducibilità del canale Si-SiO 2 → MOSFET Composti III-V → MESFET o JFET

3 LM Scie&Tecn dei MaterialiA.A.2015/16Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Transistor a effetto di campo FET Largamente usato nell’elettronica digitale Meno in quella analogica Coinvolge solo i portatori maggioritari e per questo è detto unipolare Generalmente è presente un quarto terminale per il substrato che viene collegato al Source o cmq al terminale di terra. La prima idea risale al 1925 e fu di J.E. Lilienfeld. Il primo JFET fu realizzato nel 1952 Il primo MOSFET nel 1959 ai Bell Labs da D. Kahng e M. Atalla Presentano il vantaggio di avere il terminale Gate di controllo isolato (non passa alcuna corrente) mentre hanno lo svantaggio di non essere in grado di offrire molta corrente in uscita (Alta impedenza di uscita quindi correnti deboli)

x y 4 LM Scie&Tecn dei MaterialiA.A.2015/16Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis W Il canale attivo è generalmente un semiconduttore drogato n per la maggiore mobilità dei portatori n. La principale differenza è che nella giunzione Schottky c'è una corrente inversa maggiore che nella giunzione p-n. (E' una caratteristica positiva) L'altezza del canale conduttivo è h. Quando si porta a contatto il canale conduttivo ha una zona di parziale svuotamento a zero polarizzazione di gate. Una polarizzazione di gate negativa produce un'alterazione dell'ampiezza della regione di svuotamento. Il gate modula la conduttanza del dispositivo aumentando o diminuendo la zona di svuotamento fino al limite azzerandola h Z y x h/L~1/3 JFET e MESFET

5 LM Scie&Tecn dei MaterialiA.A.2015/16Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis JFET e MESFET  Piccola polarizzazione V DS tra drain e source e nessuna polarizzazione di gate. I D -V DS ohmico  Imponendo una polarizzazione di gate inversa, la corrente diminuisce. I D -V DS ohmico ma pendenza diminuita (resistenza aumentata)  Una polarizzazione di gate negativa tale da massimizzare l'ampiezza della regione di svuotamento strozzando la conduttanza del dispositivo PINCHED-OFF

6 LM Scie&Tecn dei MaterialiA.A.2015/16Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis JFET e MESFET  Supponiamo ora di fissare un valore di V GS non estremo e variamo la tensione tra drain e source PINCHED-OFF

7 JFET e MESFET  Supponiamo ora di fissare un valore di V GS non estremo e variamo la tensione tra drain e source PINCHED-OFF  All'aumentare della tensione di drain, la giunzione di semiconduttore del gate vicino al drain diventa sempre più inversa (si riduce il canale di conduzione) LM Scie&Tecn dei MaterialiA.A.2015/16Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

8 JFET e MESFET  Supponiamo ora di fissare un valore di V GS non estremo e variamo la tensione tra drain e source PINCHED-OFF  Al limite il canale è strozzato sul lato del drain e la corrente del dispositivo non può più aumentare anche se la tensione aumenta. Saturazione  All'aumentare della tensione di drain, la giunzione di semiconduttore del gate vicino al drain diventa sempre più inversa (si riduce il canale di conduzione) Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De MatteisLM Scie&Tecn dei MaterialiA.A.2015/16

h Z 9 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Modulazione del canale conduttivo V GS =V T polarizzazione di soglia per inizio dello strozzamento V bi -V T =V p tensione di strozzamento intrinseco Se V P è minore del potenziale di costruzione V bi, il canale del dispositivo è completamento svuotato in assenza di polarizzazione di gate. Una polarizzazione di gate positiva può aprire il canale. Tali dispositivi sono detti in modo aumentato Al contrario se V P è maggiore del potenziale di costruzione V bi il canale è parzialmente svuotato. Una polarizzazione negativa del gate lo può svuotare completamente. Questi dispositivi funzionano in modalità di svuotamento

10 LM Scie&Tecn dei MaterialiA.A.2015/16Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Caratteristiche corrente-voltaggio 7 Materiali tipici per questi dispositivi sono n-GaAs e n-InP ( mobilità dell'ordine di 8500 e 4500 cm 2 V -1 s -1 contro 1500 cm 2 V -1 s -1 per Si). In assenza di alcuna polarizzazione, sotto la regione di gate si instaura una regione di svuotamento di carica uniforme sulla lunghezza del dispositivo (S → D) Barriera di isolamento gate-canale di conduzione Se la tensione di gate è resa più negativa la regione di svuotamento affonda maggiormente nel canale di conduzione. del dispositivo fino ad arrivare a svuotarlo completamente (strizzamento) Se la tensione di gate è fissata e la tensione di drain è aumentata c'è passaggio di corrente nel canale. La regione di svuotamento piega verso il drain e aumenta su un lato e diminuisce sull'altro. Strizzamento sul lato del drain. La corrente satura ad un certo valore determinato dallo strizzamento e quindi dal gate. Se la tensione di drain continua a crescere il dispositivo breaks down e la corrente schizza via.

11 LM Scie&Tecn dei MaterialiA.A.2015/16Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Caratteristiche corrente-voltaggio Un analisi completa dell'andamneto della corrente è complicata (Eq di Poisson e continuità della corrente risolta in maniera auto consistente) Facciamo alcune approssimazioni. La mobilità degli elettroni è costante e indipendente dal campo elettrico. Vero solo per bassi campi. Per campi alti la velocità satura. Limite 2-3 kV/cm, non eccessivamente alto. Al di sopra sovrastimiamo e dovremmo dare una trattazione completa. Approssimazione di campo graduale (Shockley). In assenza di polarizzazione S-D l'ampiezza di svuotamento è quella solita W. In presenza di polarizzazione S-D dobbiamo assumere W(x). Assumiamo che il campo lungo x sia minore del campo lungo h. L'ampiezza W(x) è semplicemente determinata dal potenziale V(x) come se fosse costante (giunzione p-n) E' valida se L>>h Area Densità di carica e mobilità Campo Lg o Disp4.ppt y Sostituendo e integrando otteniamo VpVp

12 LM Scie&Tecn dei MaterialiA.A.2015/16Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Caratteristiche corrente-voltaggio Condizione di non-strizzamento Quando il canale si strizza(in prima approssimazione) la corrente di drain satura. La tensione di drain a cui avviene la saturazione è E la corrente di saturazione è y

13 LM Scie&Tecn dei MaterialiA.A.2015/16Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Caratteristiche corrente-voltaggio Il modo in cui il gate controlla la corrente di drain è rappresentata dalla transconduttanza g m La transconduttanza è aumentata in materiali con alta mobilità e/o corte lunghezze di canale L REGIONE LINEARE L'espressione per la corrente si semplifica se assumiamo V DS <<V bi -V GS REGIONE LINEARE Sviluppiamo in serie di Taylor l'espressione della corrente I D REGIONE DI SATURAZIONE In REGIONE DI SATURAZIONE invece Tutto questo vale fino allo strozzamento, poi per spiegare la saturazione bisogna fare delle opportune assunzioni fisiche

14 Modalità del canale conduttivo Se V P è minore del potenziale di costruzione V bi, il canale del dispositivo è completamento svuotato in assenza di polarizzazione di gate. Una polarizzazione di gate positiva può aprire il canale. Normalmente OFF Tali dispositivi (Normalmente OFF) sono detti in modo aumentato Al contrario se V P è maggiore del potenziale di costruzione V bi il canale è parzialmente svuotato. Un a polarizzazione negativa del gate lo può svuotare completamente. Normalmente ON Questi dispositivi (Normalmente ON) funzionano in modalità di svuotamento Norm ON Norm OFF Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis LM Scie&Tecn dei MaterialiA.A.2015/16

15 LM Scie&Tecn dei MaterialiA.A.2015/16Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Regime di saturazione Nel modello semplificato di Shockley usato finora quando V DS supera il valore di saturazione a un dato V G il canale si strozza sul lato del drain La corrente dovrebbe tendere a zero. In realtà si ha saturazione Come avviene? In GaAs la velocità raggiunge un picco a 3 kV/cm Poi decresce e satura. Quando il canale comincia a stringersi, prima dello strozzamento completo, la corrente deve rimanere costante O vicino al lato del drain aumenta la concentrazione di portatori n(x) o la velocità v(x). Ma la velocità può aumentare solo fino a saturazione, quindi n(x) deve aumentare per mantenere la corrente costante. Si crea una regione di accumulazione proprio sotto il lato del gate verso il drain. Passato lo strozzamento il canale si apre di nuovo e si crea una regione di svuotamento parziale. La presenza di uno strato di accumulazione sotto il lato del drain del gate e di una regione di svuotamento tra il gate e il drain determinano il risultato di un flusso di corrente quasi costante anche dopo che il canale comincia ad essere strozzato  F=ne  F= =nev=J

16 LM Scie&Tecn dei MaterialiA.A.2015/16Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Effetti in dispositivi reali Diversi fattori devono essere presi in considerazione nei dispositivi reali che possono modificare il comportamento fin qui esaminato. Fondamentalmente le differenze derivano dall'assunzione che la mobilità dell'elettrone è costante indipendentemente dal campo applicato. In realtà si ha saturazione della velocità v s Come avevamo detto le correnti sono sovrastimate. Diversi approcci sono stati adottati per correggere questo errore. Si assume Questo risulta in una diminuzione della corrente di un fattore Per piccoli dispositivi (≤1  m) assume che la velocità è sempre al valore di saturazione Si assume un modello a due regioni dove la mobilità è costante fino a valori di campo inferiori di F p e poi diventa costante v s La questione è delicata e richiederebbe modelli bidimensionali che possono essere risolti con approcci di calcolo numerico e con software dedicati estremamente sofisticati.

17 LM Scie&Tecn dei MaterialiA.A.2015/16Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Modulazione della lunghezza del canale Corrente è inversamente proporzionale alla lunghezza del canale L. Quando si arriva a V DS (sat) il canale si strizza sul lato del drain. Se V DS aumenta la zona di strozzamento si allarga verso il source e il V DS (sat) è sopportato da una lunghezza L' mentre sul resto  L=L-L' il potenziale percepito è (V DS -V DS (sat) ) Realisticamente questa lunghezza di svuotamento  L si estenderà in egual misura nella regione del canale e in quella del drain. Così la diminuzione effettiva della lunghezza del canale attivo è ~ ½  L Lunghezza effettiva del canale

Effetto della modulazione del canale LM Scie&Tecn dei MaterialiA.A.2015/16Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 18

19 LM Scie&Tecn dei MaterialiA.A.2015/16Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Modello di risposta in frequenza Velocità di risposta ad una variazione di tensione  carica sul Gate (input) Ci sono per cominciare le resistenze dei contatti ohmici R G, R D e R S e le capacità C DS drain-substrato

20 LM Scie&Tecn dei MaterialiA.A.2015/16Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Modello di risposta in frequenza Velocità di risposta ad una variazione di tensione  carica sul Gate (input) Ci sono per cominciare le resistenze dei contatti ohmici R G, R D e R S e le capacità C DS drain-substrato

21 LM Scie&Tecn dei MaterialiA.A.2015/16Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Modello di risposta in frequenza La carica  Q che si accumula sul Gate è la stessa variazione che si genera nel canale. Se  t è il tempo impiegato dal dispositivo a rispondere a questo cambiamento, possiamo definire una corrente  I D Il tempo  t è il tempo impiegato mediamente dai portatori per attraversare il dispositivo t tr C G è la capacità gate-canale e descrive la relazione tra tensione di gate e carica di gate

22 LM Scie&Tecn dei MaterialiA.A.2015/16Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Modello di risposta in frequenza La carica  Q che si accumula sul Gate è la stessa variazione che si genera nel canale. Se  t è il tempo impiegato dal dispositivo a rispondere a questo cambiamento, possiamo definire una corrente  I D Il tempo  t è il tempo impiegato mediamente dai portatori per attraversare il dispositivo t tr C G è la capacità gate-canale e descrive la relazione tra tensione di gate e carica di gate C'è poi la conduttanza di uscita g D che descrive la dipendenza della corrente di drain dal suo potenziale A completare il quadro ci sono poi la capacità C DC drain-canale e la resistenza del canale R l

23 LM Scie&Tecn dei MaterialiA.A.2015/16Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Modello di risposta in frequenza Un'importante parametro che caratterizza i FET è la frequenza di cut-off di guadagno di corrente diretta f T che definisce la massima frequenza al quale il guadagno di corrente diventa unitario. Il fattore che limita la risposta del dispositivo è il tempo di carica della capacità. Allora alla frequenza di cutoff la corrente di gate I in è uguale alla grandezza della corrente di uscita dal canale g m V GS I in = d/dt Q in = j  C G V GS = g m V GS Quindi la risposta in frequenza del dispositivo è ottimizzata usando materiali con migliori proprietà di trasporto e minori lunghezze di canale. Rimanendo nel modello di mobilità costante, il massimo valore della transconduttanza é (prendendo V bi = V GS ): L'espressione è sovrastimata per i limiti del modello a mobilità costante. Assumendo che i portatori si muovono alla velocità saturata v s, il tempo di transito t tr è semplicemente L/v s

24 LM Scie&Tecn dei MaterialiA.A.2015/16Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Applicazioni a grandi segnali analogici Un importante utilizzo dei dispositivi FET è quello di amplificazione di grandi segnali per amplificatori di potenza. In questo caso si fa operare il FET in regime di saturazione. Il variare della polarizazione di gate fa variare la polarizzazione di drain dalla tensione di breakdown V B a V DS (sat). La massima potenza di uscita è data da (media nel tempo da cui il fattore 8 a denominatore) Si vorrebbe V DS (sat), il punto al quale la linea di carico interseca la regione lineare della curva I-V, più basso possibile. Questo richiede materiali ad alta mobilità (GaAs) con bassa resistenza di source e di drain. Si vorrebbe anche una tensione di breakdown V B più alta possibile, e quindi la necessità di materiali ad alta gap. Un compromesso tra alto V B e alto f t per il dispositivo è dato da