Tecnologia MOSFET - MMETFT

Introduco qui la struttura interna di un transistor MOS e spiegarne a grandi linee il funzionamento. Come si può vedere nella figura M-1, un transistor MOS (a canale N) è costituito da un copro di silicio P (body) nel quale vengono create due regioni di tipo N (source e drain). Tra le due diffusioni di tipo N e al di sopra del corpo di tipo P, viene fatto crescere un piccolo strato di ossido di silicio amorfo (SiO2) al di sopra del quale si crea uno strato metallico che costituisce il gate.

Osservando la figura quindi, noto che le due regioni di tipo N formano due giunzioni con il body e rispettivamente una di tipo NP tra source e body e l’altra di tipo PN tra body e drain.

Naturalmente se il gate è a potenziale nullo, applicando una d.d.p. (differenza di potenziale) tra source e drain non ho passaggio di corrente in quanto le giunzioni risultano polarizzate inversamente. Considero ora il caso in cui la tensione sul gate sia non nulla e positiva, collegando a massa il source e il body (per semplicità). In queste condizioni la presenza di cariche positive sullo strato metallico (gate), fa sì che “cariche positive” (lacune) vengano allontanate verso la parte inferiore del body (di tipo P) creando una regione di svuotamento al di sotto dello strato di ossido,cioè una regione nella quale man mano si addensano cariche libere negative (la regione si “arricchisce” di elettroni). Così facendo, viene a crearsi un canale di tipo N (per la presenza delle cariche negative) che collega le due regioni dello stesso tipo di source e drain. Con la creazione del canale sarà quindi possibile far scorrere una corrente tra drain e source. Il valore di tensione per il quale si ha la creazione del canale viene detta tensione di soglia (threshold voltage) e si indica con VT.

Suppongo ora di porre una tensione tra source e drain di piccolo valore. Poiché è stato creato il canale, applicando una d.d.p. tra source e drain scorre una corrente ID la cui intensità dipende naturalmente dalla presenza più o meno marcata di elettroni liberi nel canale, cioè essa è proporzionale alla tensione di gate. Considero ora il caso in cui la tensione di gate (VGS) venga mantenuta costante, mentre viene aumentata la tensione tra source e drain (VDS). Man mano che questa ultima cresce, muovendomi dal drain verso il source, aumenta la d.d.p. tra gate e canale (dal valore VGS all’estremità del source fino al valore VGS-VDS all’estremità del drain) per cui lo spessore del canale non è più uniforme in quanto assume uno spessore maggiore in corrispondenza del source mentre tende ad appuntirsi in corrispondenza del drain. Esiste un valore di tensione VDS per cui si ha il cosiddetto “strozzamento del canale”,cioè una tensione per la quale lo spessore del canale in prossimità del drain si appuntisce facendo aumentare di conseguenza la sua resistenza. Tale situazione si ha quando VDS=VGS-VT. Questa situazione fa sì che la corrente ID che scorre tra drain e source rimanga costante (transistor in saturazione) al variare della tensione VDS.

L’equazione che regola il passaggio dalla regione di triodo a quella di saturazione è quindi VDS=VGS-VT. Per semplicità, nella precedente trattazione, ho considerato il body collegato al source (al fine di evitare l’effetto body). Intuitivamente dunque il complesso strato metallico (gate), ossido e canale N costituiscono un condensatore (dell’ordine della frazione del pF) dove il dielettrico è naturalmente costituito dall’ossido di silicio amorfo. Ecco perché l’ingresso di uno stadio CMOS viene assimilato ad una capacità e si considera nulla la corrente (statica) che scorre nel gate. Quindi tra l’armatura superiore metallica (gate) e semiconduttore (canale) si crea un campo elettrico da cui il nome di transistor MOS (Metal Oxide Semiconductor) a effetto di campo (FET – Field Effect Transistor).

La struttura del transistor CMOS (MOS complementare) è indicata nella figura M-3. In questo sono presenti due transistor sullo stesso corpo (body) di cui uno a canale N e l’altro a canale P. Infatti, il transistor a canale P è costruito con lo stesso procedimento seguito sopra, mentre il transistor a canale N viene costruito creando una regione di tipo P all’interno del corpo principale N e creando successivamente altre due regioni di tipo N (source e drain) all’interno della stessa.

Quando si sente parlare di tecnologia MOS a 0,22 μm (per esempio per i processori dei PC), tale lunghezza si riferisce appunto alla lunghezza del canale e nelle equazioni dei MOS tale grandezza si indica con L (mentre W rappresenta la larghezza).