Microelettronica in 12 puntate – 3: tecnologia Mosfet

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I Mosfet, acronimo per Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor (transistor a effetto di campo di tipo metallo-ossido-semiconduttore), devono la loro popolarità sempre crescente alle ottime caratteristiche elettriche, quale la elevata impedenza di ingresso. Le principali applicazioni sono nel campo automobilistico, periferiche del computer, controllo motorio e Switched Mode Power Supplies (SMPS). I Mosfet di potenza oggi disponibili sul mercato, svolgono la stessa funzione dei transistori bipolari (BJT), a differenza dei quali presentano notevoli vantaggi e una tecnica di funzionamento basata sul controllo in tensione. La continua ricerca ne ha migliorato le caratteristiche per la completa sostituzione nel campo dei BJT.

Fig. 1 – Struttura di un Mosfet e relativo simbolo elettronico

Un transistore a effetto di campo (FET) funziona come un canale di conduzione a semiconduttore con due contatti ohmici, drain e source, dove il numero di portatori di carica nel canale è controllato da un terzo contatto, il gate. Il FET più importante è il Mosfet. In un Mosfet di silicio il gate è separato dal canale da uno strato isolante di diossido di silicio (SiO₂). I portatori di carica del canale conduttivo costituiscono una carica di inversione, cioè elettroni nel caso di un substrato di tipo p (dispositivo a canale n) o buche nel caso di un substrato di tipo n (dispositivo a canale p), che sono indotte nell’interfaccia silicio-isolante dalla tensione applicata all’elettrodo di gate. I Mosfet (Figg. 1 e 2) vengono utilizzati sia come componenti discreti sia come elementi attivi in circuiti integrati monolitici digitali e analogici (IC).

Caratteristiche generali di un Mosfet

La struttura di un metallo-ossido-semiconduttore tradizionale (MOS) è ottenuta facendo crescere uno strato di biossido di silicio (SiO₂) al di sopra di un substrato di silicio, depositando a sua volta uno strato di metallo o silicio policristallino. Poiché il biossido di silicio è un materiale dielettrico, la sua struttura è equivalente a un condensatore planare, con uno degli elettrodi sostituiti da un semiconduttore.
Un transistore di metallo-ossido-semiconduttore ad effetto di campo (Mosfet) si basa sulla modulazione a concentrazione di carica del condensatore MOS tra un elettrodo e quello di gate situato sopra il substrato (body) e isolato da tutte le altre regioni del dispositivo da uno strato dielettrico che nel caso di un Mosfet è un ossido.

Fig. 2 – Modello equivalente di un Mosfet

Rispetto al condensatore MOS, il Mosfet comprende due terminali aggiuntivi (source e drain), ciascuno dei quali collegati alle singole regioni altamente drogate che sono separate dalla regione di body o substrato (substrate). Tali regioni possono essere di tipo p o n, ma devono essere entrambe dello stesso tipo e di tipo opposto alla regione del substrato. Se il Mosfet è un n-channel o nMosfet, allora il source e drain sono “n +” e il substrato è una regione “p”. Se il Mosfet è un p-canale o pMosfet, allora il source e drain sono regioni “p+” e il substrato è un regione “n”.

Applicando una tensione sufficientemente positiva tra gate e source, gli elettroni sono attratti verso l’interfaccia Si-SiO₂ sotto il gate, formante un canale conduttivo tra source (s) e drain (d). In queste condizioni, se viene applicata una tensione V_ds > 0, una corrente scorrerà tra drain e source controllata dalla tensione tra gate e source V_gs, che controlla a sua volta la formazione del canale. Le caratteristiche elettriche del Mosfet dipendono da L (lunghezza di gate) e W (larghezza gate), così come i parametri tecnologici quali lo spessore dell’ossido e drogaggio del corpo. Valori tipici di L e W sono: L = 0,1-2 μm, W = 0,5-500 μm. La gamma di spessore dell’ossido di gate è 3-50 nm.

Fig. 3 – Curva caratteristica Id-Vd di un Mosfet

Vi sono 4 tipi di transistori MOS: 2 a canale n e 2 a canale p. I Mosfet a canale N (nMOS) sono formati su un substrato di tipo p: nMOS arricchimento (enhancement) o normalmente spento e nMOS depletion (esaurimento) o normalmente on.

I Mosfet a canale p (pMOS) sono costruiti su un substrato di tipo n: pMOS arricchimento (enhancement) o normalmente off e pMOS depletion (esaurimento) o normalmente on.

Il funzionamento dei Mosfet Enhancement, o e-Mosfet, può essere meglio descritta utilizzando le sue curve caratteristiche di figura 3. Quando la tensione di ingresso (V_IN) al gate è zero, il Mosfet non conduce e la tensione di uscita (V_OUT) è uguale alla tensione di alimentazione V_DD. Così il Mosfet è “fully-OFF” e nella sua regione di “cut-off”.

Quando V_IN è HIGH o uguale a V_DD, il punto di lavoro del Mosfet si sposta al punto A lungo la linea di carico. La corrente di drain I_D aumenta al suo valore massimo a causa di una riduzione della resistenza di canale e diventa un valore costante indipendente da V_DD e dipendente solo da V_GS. Pertanto, il dispositivo si comporta come un interruttore chiuso con una minima resistenza di canale Rds. Allo stesso modo, quando V_IN è basso o ridotto a zero, il punto di lavoro Mosfet si sposta dal punto A al punto B lungo la linea di carico. La resistenza del canale è molto alta in modo che il transistore si comporta come un circuito aperto e nessuna corrente fluisce attraverso il canale.

Fig. 4 – Transconduttanza gm

Quindi, se la tensione di gate del Mosfet alterna tra due valori, alti e bassi, esso si comporta come un sensore “single-throw unipolare” (SPST) allo stato solido.

Nella figura 3 sono indicate anche tre regioni di lavoro del Mosfet:
•Cutoff: V_gs ≤ V_T (V_T è la tensione di soglia).

•Triode: V_ds ≤ V_gs -V_T.

•Saturazione: V_ds V_gs ≥ -V_T.

Facendo riferimento alla caratteristica I-V di un Mosfet è possibile definire anche una serie di parametri. Mentre la transconduttanza g_m (Fig. 4) dà le variazioni della corrente I_ds (uscita) in funzione delle variazioni della tensione V_gs, vi è un altro parametro fondamentale del Mosfet, che prende il nome della conduttanza di uscita, che esprime la variazione della corrente I_gs a causa delle variazioni del tensione V_ds. Entrambi i parametri servono per caratterizzare il Mosfet nella configurazione di amplificatore.

Fig. 5 – Esempio di circuito Mosfet power control

Altri parametri che caratterizzano un Mosfet: R_ds(on), la minima resistenza che assume in conduzione e può variare da qualche ohm a pochi milliohm; V_gs(th) o V_t, la tensione necessaria da applicare al gate per condurre il Mosfet, solitamente è maggiore di 4V; Q_gd, la carica gate-drain, ovvero la quantità minima di energia da applicare al gate per attivare il Mosfet; t_d(on), tempo che intercorre tra l’applicazione della V_t e l’accensione del Mosfet; _td(off), tempo di spegnimento del Mosfet in seguito allo spegnimento della tensione al gate.

Mosfet power control

A causa dell’altissima resistenza di gate (ingresso), la sua elevata velocità di commutazione e la facilità con cui possono essere controllati, il Mosfet è ideale per interfacciarsi con amplificatori operazionali o porte logiche standard. Tuttavia, occorre prestare attenzione a garantire che la tensione di ingresso di gate-source sia scelta correttamente, poiché quando si utilizza il Mosfet come interruttore, il dispositivo deve avere un basso valore di R_DS (on) in proporzione alla tensione di ingresso.

Fig. 6 – Amplificatore Common source con Mosfet

I Mosfet di potenza possono essere utilizzati per controllare il movimento dei motori DC o motori passo-passo brushless direttamente dalla logica computer o utilizzando la modulazione PWM. Come un motore DC offre alta coppia di spunto che è proporzionale alla corrente di armatura, i Mosfet switch con un PWM possono essere usati come un regolatore di velocità che fornisce un funzionamento fluido e silenzioso del motore.

Poiché il carico del motore è di tipo induttivo, un semplice diodo è collegato attraverso il carico induttivo per dissipare qualsiasi forza controelettromotrice generata dal motore quando il Mosfet è nello stato “OFF”. Una rete di bloccaggio formata da un diodo zener in serie con il diodo può essere utilizzata anche per consentire la commutazione più veloce e un migliore controllo della tensione inversa di picco e il tempo drop-out (Fig. 5).

Amplificatore Mosfet

I Mosfet possono essere usati per fare un’unica classe “A” di amplificatori con il più comune circuito common source. Gli amplificatori Mosfet depletion mode sono molto simili agli amplificatori JFET, tranne che il Mosfet ha una impedenza di ingresso maggiore controllata dalla rete resistiva di polarizzazione di gate formata da R1 e R2 (Fig. 6). Inoltre, il segnale di uscita è invertito, poiché quando V_G è basso il transistore viene commutato “OFF” e V_D (V_out) è elevato. Quando V_G è alto, invece, il transistor è acceso “ON” e V_D (V_out) è basso, come mostrato in figura 6.

Mirror current

Uno specchio di corrente è un circuito progettato per il controllo di una corrente attraverso un dispositivo attivo, mantenendola costante e indipendente dal carico. Concettualmente, uno specchio di corrente ideale è semplicemente un amplificatore di corrente che inverte la direzione della corrente oppure è un generatore di corrente controllato in corrente (CCCS). Lo specchio di corrente è utilizzato anche per fornire correnti di polarizzazione e carichi attivi ai circuiti; di base può anche essere implementato utilizzando transistori Mosfet, come mostrato in figura 7.

Fig. 7 – Specchio di corrente ideale con Mosfet

Il transistore M1 opera in saturazione o in modalità attiva così come M2. In questa configurazione, l’uscita in corrente I_OUT è direttamente correlata alla I_REF. La corrente di drain è funzione sia della tensione gate-source sia della tensione drain-gate in un rapporto derivato dalla funzionalità del dispositivo. La corrente di riferimento I_REF, invece, è una corrente nota e può essere regolata da un’opportuna resistenza per assicurare che sia costante e indipendente dalle variazioni della tensione di alimentazione.

Maurizio Di Paolo Emilio

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