Transistore nMOS a svuotamento ed effetti avanzati

Transistore nMOS a svuotamento (depletion mode)

È un transistore che possiede un canale conduttivo anche senza applicare una ${𝑉}_{\text{GS}}$. Si realizza impiantando deliberatamente degli elettroni liberi nella zona del canale durante il processo di fabbricazione.

La tensione di soglia è quindi negativa.

Transistore pMOS

Il transistore di tipo $𝑝$ opera in modo duale rispetto a quello di tipo $𝑛$: le tensioni e le correnti presentano polarità opposte.

La differenza principale è che il pMOS conduce meno corrente a parità di condizioni, poiché la mobilità delle lacune è inferiore rispetto a quella degli elettroni.

Effetto body

Un potenziale di bulk ${𝑉}_{\text{B}}$ diverso da zero modifica la tensione di soglia secondo la relazione:

$${𝑉}_{\text{TN}}={𝑉}_{\text{TN0}}+𝛾\left(\sqrt{{𝑉}_{\text{SB}}+2{𝜑}_{𝐹}}-\sqrt{2{𝜑}_{𝐹}}\right)$$

dove:

• ${𝑉}_{\text{TN0}}$ è la tensione di soglia per ${𝑉}_{\text{SB}}=0$;
• $𝛾$ è il parametro di effetto body, che dipende dal drogaggio del substrato e dallo spessore dell’ossido di gate;
• $2{𝜑}_{𝐹}$ è il potenziale di Fermi superficiale a forte inversione.

Saturazione di velocità

Per campi elettrici elevati, la velocità dei portatori cessa di crescere linearmente con il campo e tende a un valore massimo: si dice allora che la velocità satura.

La velocità dei portatori dipende dal campo elettrico, che a sua volta dipende da ${𝑉}_{\text{DS}}$. Quando il campo elettrico supera un valore critico ${𝐸}_{\text{crit}}$, la velocità satura e la corrente non aumenta più quadraticamente con ${𝑉}_{\text{DS}}$, ma solo linearmente.

Note

La regione di saturazione e la saturazione di velocità sono due fenomeni distinti. Il secondo può verificarsi anche in zona triodo quando il parametro ${𝑉}_{\text{SAT}}$ (dato dal fornitore) è particolarmente basso.

In assenza di saturazione di velocità, in regione di saturazione la corrente drena aumenta quadraticamente rispetto a ${𝑉}_{\text{GS}}$ (${𝐼}_{\text{D}}\propto {\left({𝑉}_{\text{GS}}-{𝑉}_{\text{TN}}\right)}^2$). Quando la saturazione di velocità è significativa, la dipendenza diventa invece quasi lineare (${𝐼}_{\text{D}}\propto {𝑉}_{\text{GS}}$).

Conduzione di sottosoglia

Per ${𝑉}_{\text{GS}}<{𝑉}_{\text{TN}}$ la corrente non è nulla: scorre comunque una piccola corrente dovuta alla diffusione dei portatori minoritari dal source al drain attraverso il canale, dove la concentrazione di portatori è piccola ma non nulla.

La corrente di sottosoglia varia in modo esponenziale con ${𝑉}_{\text{GS}}$:

$${𝐼}_{\text{D}}\propto {𝑒}^{\frac{{𝑉}_{\text{GS}}}{𝑛{𝑉}_{\text{T}}}}$$

dove $𝑛$ è il fattore di idealità (solitamente compreso tra 1 e 2) e ${𝑉}_{\text{T}}$ è il potenziale termico. Di conseguenza, un aumento della tensione di soglia riduce esponenzialmente la corrente di sottosoglia.