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

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

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. Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

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

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. Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

Esempio di cella di memoria EPROM (2) Allora il gate fluttuante si carica negativamente. Quando si rimuove la polarizzazione le cariche rimangono intrappolate 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 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. Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

Componenti integrati (1) Schema di resistenza integrata Si usa la resistenza di volume del silicio drogato R = 20  – 30 k Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

Componenti integrati (2) Cmax = 4x10-4pF/m2 J2 = giunzione polarizzata inversa da cui si ricava la capacità C2 Modello di Capacità integrata Circuito equivalente Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

Diodo MOS Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 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 (Si02) tra il semiconduttore ed il metallo Il semiconduttore può essere drogato tipo p (a) o n (b). p+ n- Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

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

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

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

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

IL MOSFET come resistenza VGS = VDS Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

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

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

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

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

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

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

Porta NAND nMOS (3) V(0) = tensione inferiore alla tensione di soglia V(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

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

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

Porta NOR nMOS (3) V(0) = tensione inferiore alla tensione di soglia V(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

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

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

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

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

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