IL MOSFET: IL PIU’ COMUNE COMPONENTE USATO NEI CIRCUITI DIGITALI

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MOSFET, è l’acronimo di Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, cioè transistor metallo-ossido-semiconduttore a effetto di campo.

Introduzione

È un tipo di transistor, usato principalmente nei dispositivi digitali grazie alla dispersione di calore molto ridotta rispetto ad altri tipi.

Il MOSFET è certamente il più comune transistor a effetto di campo sia nei circuiti digitali che in quelli analogici. Il MOSFET è composto da un substrato di materiale semiconduttore di tipo N o di tipo P. Solitamente il semiconduttore scelto è il silicio, ma alcuni produttori di circuiti elettronici, in particolare IBM, hanno cominciato a usare una miscela di silicio e germanio (SiGe) nei canali MOSFET. Sfortunatamente, molti semiconduttori con migliori proprietà elettroniche rispetto al silicio, come l’arseniuro di gallio (GaAs), non formano buoni ossidi sul gate e quindi non sono adatti per i MOSFET.

Il terminale di gate è uno strato di polisilicio (silicio policristallino; più avanti si spiega perché viene usato il polisilicio) posto sopra il canale, ma separato dal canale tramite un sottile strato isolante di biossido di silicio (SiO2). Quando si applica una tensione tra i terminali di gate e source, il campo elettrico che si genera crea quello che si chiama “canale” nel substrato sottostante. Il canale è dello stesso tipo (P o N) del source e del drain, quindi fornisce un percorso conduttivo tra questi due elettrodi. Variando la tensione tra gate e bulk (substrato) (che di solito si considera implicitamente collegato al source) si modifica di conseguenza la conduttività di questo strato e rende possibile controllare il flusso di corrente tra drain e source.

Zone di lavoro del MOSFET

Sezione di un NMOSFET

Sezione di un NMOSFET

Il MOSFET può lavorare in tre modi: in uno agisce come un interruttore spento, negli altri due come un interruttore acceso. Le zone di lavoro del MOSFET sono:

1. Cut-off: quando VGS < Vtn dove Vtn è la tensione di soglia del componente e VGS è la tensione tra gate e source

In questo caso l’interruttore è spento e non c’è corrente tra drain e source. Mentre la corrente tra drain e source dovrebbe idealmente essere nulla poiché l’interruttore è spento, c’è in realtà una debole corrente di inversione, o corrente di sottosoglia. Questa corrente è una delle cause del consumo di potenza nei circuiti integrati.
2. Zona triodo: quando VGS > Vtn e VDS < VGS ? Vtn

L’interruttore è acceso, e si crea un canale che permette alla corrente di scorrere tra drain e source. Il MOSFET lavora come un resistore. La corrente tra drain e source è I_{DS} = frac{mu_n C_{ox}}{2}frac{W}{L}(2(V_{GS}-V_{tn})V_{DS}-V_{DS}^2)
dove Cox rappresenta la capacità per unità di superficie, ?n rappresenta la mobilità dei portatori di carica, W la larghezza di gate e L la lunghezza di gate.
3. Saturazione: quando VGS > Vtn e VDS > VGS ? Vtn

L’interruttore è acceso, e si è creato un canale che permette alla corrente di scorrere tra drain e source, ma la corrente non dipende dalla tensione applicata al canale, e quindi il MOSFET non funziona come un resistore, ma come un amplificatore. La corrente è I_{DSAT} = frac{mu_n C_{ox}}{2}frac{W}{L}(V_{GS}-V_{tn})^2

Benché il comportamento del MOSFET sia stato descritto in modo diverso per ognuna delle tre zone di funzionamento, la caratteristica di uscita ottenuta con questo modello matematico risulta essere una funzione continua.

L’effetto Body

Quando la differenza tra source e body è diversa da zero, si ha effetto body. Questo contribuisce ad aumentare la tensione di soglia Vtn0. Dati i parametri tecnologici ? (fattore di effetto Body) e 2?F (potenziale superficiale), la tensione di soglia provvista di effetto Body sarà: V_{tn}=V_{tn0}+ gamma(sqrt{V_{BS}+2 phi_{F}}-sqrt{2 phi_{F}}).

La supremazia dei MOSFET

La crescita di tecnologie digitali come i microprocessori ha dato motivi alla tecnologia MOSFET per svilupparsi più velocemente di ogni altro tipo di transistor basato sul silicio. La ragione principale per il successo del MOSFET è stato lo sviluppo della logica digitale CMOS, che usa i MOSFET come mattoni fondamentali. Il grande vantaggio dei circuiti CMOS è che (idealmente) non permettono alla corrente di scorrere, e quindi non dissipano potenza, tranne quando gli ingressi alle porte logiche cambiano. Questo è possibile complementando ogni NMOSFET con un PMOSFET e collegando lo stesso ingresso ad entrambi in un modo tale che quando uno conduce, l’altro non conduce. In questo modo non solo si risparmia energia, ma soprattutto si previene il surriscaldamento che distruggerebbe il circuito. Il surriscaldamento è un grande problema nei circuiti integrati, poiché milioni di transistor sono stipati in piccole piastre di silicio. Poiché si costruiscono circuiti con MOSFET sempre più piccoli (scaling), la corrente di sottosoglia crea sempre più problemi, consumando potenza anche quando il circuito non è in funzione.

Un altro vantaggio dei MOSFET nei circuiti digitali è che lo strato di ossido tra il gate e il canale impedisce ad ogni corrente in continua di scorrere attraverso il gate, riducendo il consumo di potenza. Cosa più importante, questo isolamento tra gate e canale isola efficacemente un MOSFET in uno stato logico distinto dallo stadio precedente e dal seguente, poiché il gate di un MOSFET è solitamente comandato dall’uscita di una porta logica precedente. Questo isolamento rende più facile progettare indipendentemente i vari stadi logici. Mano a mano che le dimensioni dei MOSFET vengono ridotte, si crea una corrente tra gate e canale; se ne parla più avanti.

Le caratteristiche che fanno del MOSFET il transistor più utilizzato nella maggior parte dei circuiti digitali non lo rendono adatto all’uso nei circuiti analogici, nei quali il transistor a giunzione bipolare (BJT) è sempre stato considerato il transistor migliore, in larga parte a causa della sua alta transconduttanza. Tuttavia, poiché è economicamente e operazionalmente vantaggioso incorporare circuiti digitali e analogici sullo stesso chip, e poiché è tecnologicamente difficile fabbricare BJT e MOSFET sullo stesso chip, si usano i MOSFET anche per i circuiti analogici. Quest’ultima affermazione non è completamente esatta: infatti dagli anni ’90 è stato possibile integrare nello stesso wafer transistori MOS e bipolari, ottenendo vantaggi da entrambe le famiglie. Questa logica chiamata BiCMOS è particolarmente utile in amplificatori a larga banda e circuiti digitali, anche se il suo uso rimane limitato ai circuiti SSI e MSI, per difficoltà nella miniaturizzazione.

Miniaturizzazione dei MOSFET

Nelle ultime decadi, i MOSFET sono diventati sempre più piccoli; le lunghezze di canale una volta erano di vari micrometri, ma oggi i circuiti integrati contengono MOSFET con lunghezze di canale di novanta nanometri o meno. I dispositivi costruiti con un canale più piccolo del micrometro hanno caratteristiche corrente-tensione sensibilmente diverse dal MOSFET normale e sono detti MOSFET a canale corto. Storicamente, le difficoltà nel ridurre le dimensioni dei MOSFET è stata associata al processo di produzione di componenti a semiconduttore.

Ragioni per la miniaturizzazione dei MOSFET

Si cerca di usare MOSFET sempre più piccoli principalmente per due ragioni. La prima: MOSFET più corti lasciano passare meglio la corrente. Concettualmente, i MOSFET accesi sono come resistori, e resistori più corti hanno minore resistenza. Secondo, MOSFET più piccoli hanno gate più piccoli, e quindi minori capacità di gate. Questi due fattori contribuiscono a diminuire i tempi di elaborazione, e quindi permettono di raggiungere velocità più elevate.

Una terza ragione per ridurre le dimensioni dei MOSFET è la riduzione dell’area del circuito, che porta a ridurre i costi. MOSFET più piccoli possono formare circuiti più densi, e quindi più piccoli e/o con maggiore potenza di calcolo. Poiché il costo della produzione di circuiti integrati è altamente collegato al numero di chip che possono essere prodotti per wafer di silicio, il prezzo per chip si riduce.

Difficoltà dovute alla riduzione delle dimensioni

Produrre MOSFET con lunghezze di canale più corte di un micrometro è una grande sfida, e le difficoltà della produzione di componenti a semiconduttore sono sempre un fattore limitante nell’avanzamento della tecnologia dei circuiti integrati. Recentemente, le ridotte dimensioni dei MOSFET hanno creato problemi di funzionamento.

Saturazione della velocità dei portatori

Il problema più grande che i progettisti elettronici si trovano a fronteggiare nel momento in cui scelgono di utilizzare MOSFET scalati è quello della saturazione della velocità dei portatori. Con il ridursi della lunghezza di canale, il campo elettrico presente tra source e drain del dispositivo aumenta sensibilmente a parità di tensione applicata. Questo aumento comporta il raggiungimento da parte degli elettroni (o delle lacune) della velocità di saturazione. Raggiunta questa velocità, essi non possono essere più ulteriormente accelerati e pertanto la corrente, dapprima dipendente secondo l’equazione sopracitata, assume un valore costante ed inferiore a quello che avrebbe in saturazione del dispositivo. Questo fenomeno è molto sentito nelle tecnologie nanometriche e, comporta un notevole scarto nei tempi di commutazione delle logiche costruite mediante transistori ad effetto di campo.

Corrente di sottosoglia

Con la riduzione delle dimensioni, la tensione che può essere applicata al gate deve essere ridotta per mantenere l’affidabilità del dispositivo. Per mantenere le prestazioni, anche la tensione di soglia dei MOSFET deve essere ridotta di conseguenza. Con tensioni di soglia ridotte, il transistor non può spegnersi completamente, con il risultato che si forma uno strato con una debole tensione inversa che consuma potenza nella forma di una corrente di sottosoglia quando il transistor non conduce. La corrente di sottosoglia, che poteva essere ignorata in passato, ora può consumare anche il 50% della potenza richiesta dal chip.

Capacità di interconnessione

Tradizionalmente il tempo di ritardo della porta era approssimativamente proporzionale alla somma delle capacità di gate. Tuttavia, con transistor sempre più piccoli e in numero sempre crescente sul singolo chip, la capacità di interconnessione, cioè la capacità dei conduttori che connettono le diverse parti del chip, sta crescendo in percentuale poiché i segnali devono viaggiare attraverso il chip, accrescendo i ritardi e abbassando le prestazioni.

Produzione di calore

La densità sempre crescente dei MOSFET su un circuito integrato crea problemi con una notevole produzione di calore che può guastare il circuito. I circuiti funzionano più lentamente alle alte temperature, e hanno affidabilità ridotta. Molti circuiti integrati, inclusi i microprocessori, possono funzionare solo con dispersori di calore e con sistemi che ne aiutano il raffreddamento.

Corrente di gate

L’ossido di gate, che serve come isolante tra il gate e il canale, dovrebbe essere il più sottile possibile per permettere un maggiore flusso di corrente quando il transistor è acceso, portando a migliori prestazioni e ad una ridotta corrente di sottosoglia quando il transistor è spento. Con ossidi di gate con uno spessore di circa 2 nanometri (che corrispondono a circa 5 atomi) si sviluppa un effetto tunnel tra il gate e il canale, che porta a un aumento del consumo di potenza.

Isolanti che hanno una costante dielettrica più grande dell’ossido di silicio, come l’ossido di afnio, vengono studiati per ridurre la corrente di gate. Aumentare la costante dielettrica del materiale costituente l’ossido di gate permette di creare uno strato più spesso mantenendo un’alta capacità. L’aumento di spessore riduce la corrente per effetto tunnel tra gate e canale. È importante considerare l’altezza della barriera del nuovo ossido di gate: la differenza di energia in banda di conduzione tra semiconduttore e ossido (e la corrispondente differenza di energia in banda di valenza) avranno effetti anche sul livello della corrente di perdita. Per quanto riguarda l’ossido di gate tradizionale, cioè il biossido di silicio, questa barriera è di circa 3 eV. Per molti dielettrici alternativi questo valore è molto più basso, il che nega i benefici che si possono avere da una costante dielettrica più elevata.

Cambiamenti nel processo di produzione

Con MOSFET sempre più piccoli, il numero degli atomi di silicio che influiscono sulle proprietà dei transistor diminuisce (centinaia di atomi). Durante la produzione dei chip, il numero di atomi usati per produrre il transistor può variare significativamente, compromettendo le caratteristiche del transistor, che non sono più deterministiche, ma statistiche. Questo rende il progetto molto difficoltoso.

Altri aspetti del MOSFET

Materiale di gate

Il criterio principale per la scelta del materiale di gate è che sia un buon conduttore. Il polisilicio (silicio policristallino) ad alto drogaggio è un conduttore accettabile, ma certamente non ideale, e soffre inoltre di altre deficienze tecniche nel suo ruolo di materiale di gate standard. Allora perché usare il polisilicio invece di un metallo come l’alluminio? Ci sono alcune ragioni:

  • il materiale di gate e il canale. In passato, quando si usavano tensioni di gate dell’ordine di 3V-5V, l’alta tensione di soglia (Vt) causata dalla differenza di funzioni di lavoro tra gate di metallo e canale di silicio poteva essere superata dalla tensione di gate applicata (cioè |Vg – Vt| > 0). Tuttavia, con la riduzione delle dimensioni dei transistor, le tensioni applicate dovevano diminuire per varie ragioni (come per evitare la rottura dell’ossido di gate, la riduzione di mobilità degli elettroni dovuta all’aumento della temperatura, la riduzione del consumo di potenza, ecc.) e un componente con una tensione di soglia così elevata non potrebbe funzionare. Quindi, il silicio policristallino (comunemente chiamato polisilicio) venne usato come materiale di gate poiché è chimicamente simile al canale di silicio che sta sotto all’ossido di gate. Perciò la differenza tra le funzioni di lavoro si avvicina a zero, facendo in modo che il transistor possa essere acceso con una tensione più bassa e la corrente sia alta.
  • nella produzione di circuiti basati sui MOSFET, il materiale di gate deve essere depositato prima, ad alte temperature che fonderebbero i metalli. Perciò un materiale con un’alta temperatura di fusione come il polisilicio è preferibile ai metalli, come materiale di gate. Comunque il polisilicio ha alta resistenza (ha una resistenza più alta di circa 1000 volte rispetto ai metalli), che riduce la velocità di propagazione del segnale attraverso il materiale (e accresce il tempo in cui un transistor passa da spento ad acceso). Quindi, il metallo si mischia al polisilicio per ridurre la resistività, ottenendo un materiale con migliori proprietà elettriche rispetto al polisilicio, che non fonde durante la produzione del circuito, e con una tensione di soglia di poco più alta rispetto al polisilicio, perché il materiale sopra al canale di silicio, dopo l’ossido di gate, rimane comunque polisilicio drogato.

Capacità parassite

Intrinsecamente, possiamo rilevare nella struttura del MOS un certo numero di capacità parassite.

Capacità Cgb

Il campo elettrico E, generatore da una tensione V applicata al Gate, accumula cariche sul Gate e respinge cariche dello stesso segno sul semiconduttore, attirando quelle di segno opposto. In uno strato drogato P, con una tensione negativa, vengono respinti gli elettroni e attirate le lacune; si avrà un accumulo di cariche (zona di accumulazione).

Con una tensione V positiva vengono respinte le lacune lasciando ioni negativi (la zona formata dagli ioni viene detta “zona a carica spaziale” o “zona svuotata“); in più, quando la tensione raggiunge un valore di soglia (Vt), al di sotto dell’ossido viene a formarsi uno strato di elettroni che contribuiscono alla creazione del canale (per V>Vt siamo nella zona di forte inversione, chiamata così perché i portatori che garantiscono la conducibilità sono i portatori minoritari). In definitiva, la carica Q del condensatore MOS è formata da due contributi: gli elettroni e gli ioni negativi.

Questi due contributi variano in modo diverso al variare della tensione; in particolare, si nota che la carica spaziale varia in modo non lineare (aumentando la tensione si ingrandisce la zona svuotata, e la forza esercitata sulle lacune diventa sempre meno efficace); invece gli elettroni, superata la soglia Vt, aumentano in modo pressoché lineare.

Complessivamente, la carica Q del condensatore MOS non varia in modo lineare; per questo la capacità (C = dQ/dV) non è costante, ma dipende dalla tensione.

Nel caso di canale completamente formato, si ha che la capacità è costante e pari al valore C0.

Cox = Eox / Tox
Tox = spessore dell’ossido, W = larghezza, L = lunghezza, WL = dimensioni geometriche
C0 = Cox W L

Capacità associate alle giunzioni PN

A ogni giunzione PN si può associare una capacità in regime dinamico (ricordiamo che C = dQ/dV). Si possono identificare le seguenti capacità:

Cdb: capacità sulla giunzione Drain – Bulk (substrato)
Csb: capacità aulla giunzione Source – Bulk

Si noti che in situazione normale queste due capacità non influiscono molto, in quanto le giunzioni risultano polarizzate inversamente (nel caso di un N-MOS il Bulk viene messo al potenziale più basso, nel caso di un P-MOS il Bulk viene messo al potenziale più alto).

Cgs: capacità sulla giunzione Gate – Source
Cgd: capacità sulla giunzione Gate – Drain

A livello teorico le zone di Source e Drain dovrebbero essere affiancate al Gate; a livello tecnologico, risulta una leggera sovrapposizione del Gate con il Source e il Drain per garantire una continuità della struttura (un piccolo spazio tra il Source, o Drain, e il Gate genererebbe un malfunzionamento); a ognuna di queste sovrapposizioni è associata una capacità parassita.

Essendo troppi i parametri da tener conto, si applica una semplificazione prendendo in considerazione il caso peggiore (quando la capacità assume il valore il più alto), ossia C0.

MOSFET a svuotamento e logiche non-CMOS

Ci sono anche componenti MOSFET a svuotamento, che sono meno usati rispetto allo standard, il MOSFET ad arricchimento, già descritto. Sono MOSFET drogati in modo che il canale esista anche se non è applicata alcuna tensione al gate. Quando si applica una tensione al gate, il canale si svuota, riducendo il flusso di corrente attraverso il transistor. In sostanza un MOSFET a svuotamento di norma si comporta come un interruttore aperto, mentre una MOSFET ad arricchimento si comporta di norma come un interruttore chiuso.

Storicamente, i MOSFET a canale N tendono ad essere più piccoli e più economici da produrre. Per questo all’inizio si usarono logiche NMOS, che però consumano potenza anche quando non commutano, al contrario delle logiche CMOS che combinano MOSFET a canale N e a canale P sullo stesso circuito. Con i progressi della tecnologia, la logica CMOS negli anni ’80 fece accantonare la logica NMOS per la progettazione dei circuiti digitali.

Con il desiderio di raggiungere sempre maggiori velocità di commutazione e l’avvento della VLSI, anche la logica CMOS ha visto un ridimensionamento del proprio utilizzo a favore di logiche incomplete quali la Pass Transistor e la logica Domino

DMOS

DMOS sta per Double Diffused MOS, cioè MOS a doppia diffusione. Esistono i MOS a doppia diffusione laterale (Lateral Double-diffused MOS – LDMOS) e i MOS a doppia diffusione verticale (Vertical Double-diffused MOS – VDMOS).

Mosfet di potenza

Grande importanza ha avuto lo sviluppo dei mosfet di potenza per le applicazioni tecnologiche moderne, come per esempio gli amplificatori, gli inverter, gli alimentatori switching, eccetera. Il primo grande vantaggio rispetto ai tradizionali transistor BJT è che il pilotaggio avviene in tensione, anziché in corrente; il guadagno in corrente può essere teoricamente considerato infinito, cosicché gli stadi di pilotaggio potranno essere grandemente semplificati. Un secondo vantaggio, non meno importante, è il basso valore della RDSon, cioè della resistenza che il componente oppone al passaggio della corrente tra drain e source in condizione di saturazione.

Prendiamo come esempio il mosfet FDP6030L. La sua RDSon risulta sempre compresa tra 0,0095 e 0,02 ohm; utilizzandolo per interrompere una corrente di 10 Ampere la caduta di tensione massima tra drain e source sarà quindi di 0,2 volt. In analoghe condizioni di lavoro, un transistor di potenza tradizionale avrebbe una Vce-sat di almeno 1 volt o più. In questo modo il mosfet consente di migliorare il rendimento e diminuire la dissipazione termica di apparecchi di potenza alimentati a basse tensioni, come il caso degli inverter. Inoltre questa caratteristica consente di migliorare lo slew rate degli amplificatori audio, oltre a diminuirne la dissipazione termica. In conclusione abbiamo un componente di piccole dimensioni, in contenitore TO220, in grado di lavorare con correnti molto elevate, fino a 52 ampere, e tensioni fino a 30 volt.

Ovviamente le caratteristiche dei singoli modelli di mosfet di potenza variano in funzione delle specifiche richieste. Per esempio, il BUK455-100A può lavorare fino a 100 volt, ma con correnti massime di 26 ampere e una RDSon di 0,08 ohm, mentre il STW7NA80 sopporta tensioni fino a 800 volt, con 6,5 ampere e una RDSon tipica di 1,68 ohm. Appare dunque evidente la necessità di scegliere oculatamente il modello di mosfet necessario per ogni singola applicazione, evitando di surdimensionare eccessivamente la tensione massima rispetto a quella di lavoro.