Transistor a effetto di campo FET

1. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Ha ormai sostituito il BJT in molte applicazioni. Estremamente versatile e affidabile MOSFET, JFET, MESFET Transistor a effetto di campo FET • C'è un canale conduttivo costituito da un semiconduttore drogato tra Source e Drain • Entrambi sono contatti ohmici • Il rubinetto che regola il flusso nel FET è il potenziale sul gate che riesce a regolare, con meccanismi diversi a seconda del tipo di FET, il passaggio nel canale di corrente E' essenziale che il gate sia isolato rispetto al flusso nel canale di corrente 1

2. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis MOSFET: il gate è isolato dal canale da un ossido. Dispositivi a base di silicio MESFET: il gate forma una barriera Schottky con il semiconduttore JFET: si usa una giunzione p-n in polarizzazione inversa Transistor a effetto di campo FET • Dispositivi nei quali l'isolamento è ottenuto con un isolante tra il gate e il canale attivo. Senza drogaggio con un forte piegamento delle bande. • Dispositivi nei quali l'isolamento è ottenuto con una barriera Schottky o una giunzione p-n. In entrambi droganti forniscono portatori liberi ed il gate può alterare la conducibilità del canale Si-SiO2 → MOSFET Composti III-V → MESFET o JFET 2

3. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Largamente usato nell’elettronica digitale Meno in quella analogica Coinvolge solo i portatori maggioritari e per questo è detto unipolare Generalmente è presente un quarto terminale per il substrato che viene collegato al Source o cmq al terminale di terra. Transistor a effetto di campo FET La prima idea risale al 1925 e fu di J.E. Lilienfeld. Il primo JFET fu realizzato nel 1952 Il primo MOSFET nel 1959 ai Bell Labs da D. Kahng e M. Atalla Presentano il vantaggio di avere il terminale Gate di controllo isolato (non passa alcuna corrente) mentre hanno lo svantaggio di non essere in grado di offrire molta corrente in uscita (Alta impedenza di uscita quindi correnti deboli)

4. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis JFET e MESFET h/L~1/3 Il canale attivo è generalmente un semiconduttore drogato n per la maggiore mobilità dei portatori n. La principale differenza è che nella giunzione Schottky c'è una corrente inversa maggiore che nella giunzione p-n. (E' una caratteristica positiva) L'altezza del canale conduttivo è h. Il canale conduttivo ha una zona di parziale svuotamento a zero polarizzazione di gate. Una polarizzazione di gate negativa produce un'alterazione dell'ampiezza della regione di svuotamento. Il gate modula la conduttanza del dispositivo aumentando o diminuendo la zona di svuotamento fino al limite azzerandola Z h y x W

5. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis JFET e MESFET • Piccola polarizzazione VDS tra drain e source e nessuna polarizzazione di gate. ID-VDS ohmico • Imponendo una polarizzazione di gate inversa, la corrente diminuisce. ID-VDS ohmico ma pendenza diminuita (resistenza aumentata) • Una polarizzazione di gate negativa tale da massimizzare l'ampiezza della regione di svuotamento strozzando la conduttanza del dispositivo PINCHED-OFF

6. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis JFET e MESFET • Supponiamo ora di fissare un valore di VGS non estremo e variamo la tensione tra drain e source PINCHED-OFF

7. JFET e MESFET • Supponiamo ora di fissare un valore di VGS non estremo e variamo la tensione tra drain e source • All'aumentare della tensione di drain, la giunzione di semiconduttore del gate vicino al drain diventa sempre più inversa (si riduce il canale di conduzione) PINCHED-OFF LM Fisica A.A.2013/14 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

8. JFET e MESFET • Supponiamo ora di fissare un valore di VGS non estremo e variamo la tensione tra drain e source • All'aumentare della tensione di drain, la giunzione di semiconduttore del gate vicino al drain diventa sempre più inversa (si riduce il canale di conduzione) • Al limite il canale è strozzato sul lato del drain e la corrente del dispositivo non può più aumentare anche se la tensione aumenta. Saturazione PINCHED-OFF LM Fisica A.A.2013/14 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

9. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Modulazione del canale conduttivo Z VGS=VT polarizzazione di soglia per inizio dello strozzamento h Vbi-VT=Vp tensione di strozzamento intrinseco Se VP è minore del potenziale di costruzione Vbi , il canale del dispositivo è completamento svuotato in assenza di polarizzazione di gate. Una polarizzazione di gate positiva può aprire il canale. Tali dispositivi sono detti in modo aumentato Al contrario se VP è maggiore del potenziale di costruzione Vbi il canale è parzialmente svuotato. Un a polarizzazione negativa del gate lo può svuotare completamente. Questi dispositivi funzionano in modalità di svuotamento

10. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Caratteristiche corrente-voltaggio Materiali tipici per questi dispositivi sono n-GaAs e n-InP ( mobilità dell'ordine di 8500 e 4500 cm2 V-1 s-1 contro 1500 cm2 V-1 s-1 per Si). In assenza di alcuna polarizzazione, sotto la regione di gate si instaura una regione di svuotamento di carica uniforme sulla lunghezza del dispositivo (S → D) Se la tensione di gate è resa più negativa la regione di svuotamento affonda maggiormente nel canale di conduzione. del dispositivo fino ad arrivare a svuotarlo completamente (strizzamento) Barriera di isolamento gate-canale di conduzione Se la tensione di gate è fissata e la tensione di drain è aumentata c'è passaggio di corrente nel canale. La regione di svuotamento piega verso il drain e aumenta su un lato e diminuisce sull'altro. Strizzamento sul lato del drain. La corrente satura ad un certo valore determinato dallo strizzamento e quindi dal gate. Se la tensione di drain continua a crescere il dispositivo breaks down e la corrente schizza via. 7

11. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Caratteristiche corrente-voltaggio Un analisi completa dell'andamneto della corrente è complicata (Eq di Poisson e continuità della corrente risolta in maniera auto consistente) Facciamo alcune approssimazioni. Disp4.ppt y • La mobilità degli elettroni è costante e indipendente dal campo elettrico. Vero solo per bassi campi. Per campi alti la velocità satura. Limite 2-3 kV/cm, non eccessivamente alto. Al di sopra sovrastimiamo e dovremmo dare una trattazione completa. • Approssimazione di campo graduale (Shockley). In assenza di polarizzazione S-D l'ampiezza di svuotamento è quella solita W. In presenza di polarizzazione S-D dobbiamo assumere W(x). Assumiamo che il campo lungo x sia minore del campo lungo h. L'ampiezza W(x) è semplicemente determinata dal potenziale V(x) come se fosse costante (giunzione p-n) E' valida se L>>h Area Densità di carica e mobilità Campo Sostituendo e integrando otteniamo Lgo

12. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Caratteristiche corrente-voltaggio Condizione di non-strizzamento y Quando il canale si strizza(in prima approssimazione) la corrente di drain satura. La tensione di drain a cui avviene la saturazione è E la corrente di saturazione è

13. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Caratteristiche corrente-voltaggio Il modo in cui il gate controlla la corrente di drain è rappresentata dalla transconduttanza gm La transconduttanza è aumentata in materiali con alta mobilità e/o corte lunghezze di canale L L'espressione per la corrente si semplifica se assumiamo VDS<<Vbi-VGS REGIONE LINEARE Sviluppiamo in serie di Taylor l'espressione della corrente ID In REGIONE DI SATURAZIONEinvece Tutto questo vale fino allo strozzamento, poi per spiegare la saturazione bisogna fare delle opportune assunzioni fisiche

14. Modulazione del canale conduttivo Se VP è minore del potenziale di costruzione Vbi , il canale del dispositivo è completamento svuotato in assenza di polarizzazione di gate. Una polarizzazione di gate positiva può aprire il canale. Tali dispositivi (Normalmente OFF)sono detti in modo aumentato Al contrario se VP è maggiore del potenziale di costruzione Vbi il canale è parzialmente svuotato. Un a polarizzazione negativa del gate lo può svuotare completamente. Questi dispositivi (Normalmente ON) funzionano in modalità di svuotamento Norm ON Norm OFF LM Fisica A.A.2013/14 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis

15. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Regime di saturazione Nel modello semplificato di Shockley usato finora quando VDS supera il valore di saturazione a un dato VG il canale si strozza sul lato del drain La corrente dovrebbe tendere a zero. In realtà si ha saturazione Come avviene? In GaAs la velocità raggiunge un picco a 3 kV/cm Poi decresce e satura. Quando il canale comincia a stringersi, prima dello strozzamento completo, la corrente deve rimanere costante nemF=nev Ovicino al lato del drain aumenta la concentrazione di portatori n(x) o la velocità v(x). Ma la velocità può aumentare solo fino a saturazione, quindi n(x) deve aumentare per mantenere la corrente costante. Si crea una regione di accumulazione proprio sotto il lato del gate verso il drain. Passato lo strozzamento il canale si apre di nuovo e si crea una regione di svuotamento parziale. La presenza di uno strato di accumulazione sotto il lato del drain del gate e di una regione di svuotamento tra il gate e il drain determinano il risultato di un flusso di corrente quasi costante anche dopo che il canale comincia ad essere strozzato

16. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Effetti in dispositivi reali Diversi fattori devono essere presi in considerazione nei dispositivi reali che possono modificare il comportamento fin qui esaminato. Fondamentalmente le differenze derivano dall'assunzione che la mobilità dell'elettrone è costante indipendentemente dal campo applicato. In realtà si ha saturazione della velocità vs Come avevamo detto le correnti sono sovrastimate. Diversi approcci sono stati adottati per correggere questo errore. • Si assume Questo risulta in una diminuzione della corrente di un fattore • Per piccoli dispositivi (≤1 mm) assume che la velocità è sempre al valore di saturazione • Si assume un modello a due regioni dove la mobilità è costante in una fino a valori di campo inferiori Fp e poi diventa costante vs La questione è delicata e richiederebbe modelli bidimensionali che possono essere risolti con approcci di calcolo numerico e con software dedicati estremamente sofisticati.

17. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Modulazione della lunghezza del canale Corrente è inversamente proporzionale alla lunghezza del canale L. Lunghezza effettiva del canale Quando si arriva a VDS(sat) il canale si strizza sul lato del drain. Se VDS aumenta la zona di strozzamento si allarga verso il source e il VDS(sat) è sopportato da una lunghezza L' mentre sul resto DL=L-L' il potenziale percepito è (VDS-VDS(sat) ) Realisticamente questa lunghezza di svuotamento DL si estenderà in egual misura nella regione del canale e in quella del drain. Così la diminuzione effettiva della lunghezza del canale attivo è ~ ½ DL

18. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Modello di risposta in frequenza La carica DQ che si accumula sul Gate è la stessa variazione che si genera nel canale. Se Dt è il tempo impiegato dal dispositivo a rispondere a questo cambiamento, possiamo definire una corrente dID Il tempo Dt è il tempo impiegato mediamente dai portatori per attraversare il dispositivo ttr CG è la capacità gate-canale e descrive la relazione tra tensione di gate e carica di gate C'è poi la conduttanza di uscita gD che descrive la dipendenza della corrente di drain dal suo potenziale A completare il quadro ci sono poi le resistenze dei contatti ohmici RG, RD e RS e le capacità CDS drain-substrato e CDC drain-canale e la resistenza del canale Rl

19. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Modello di risposta in frequenza Un'importante parametro che caratterizza i FET è la frequenza di cut-off di guadagno di corrente diretta fT che definisce la massima frequenza al quale il guadagno di corrente diventa unitario. Il fattore che limita la risposta del dispositivo è il tempo di carica della capacità. Allora alla frequenza di cutoff la corrente di gate Iin è uguale alla grandezza della corrente di uscita dal canale gmVGS Iin = d/dt Qin = jw CG VGS = gmVGS Quindi la risposta in frequenza del dispositivo è ottimizzata usando materiali con migliori proprietà di trasporto e minori lunghezze di canale. Rimanendo nel modello di mobilità costante, il massimo valore della transconduttanza é (prendendo Vbi = VGS): L'espressione è sovrastimata per i limiti del modello a mobilità costante. Assumendo che i portatori si muovono alla velocità saturata vs, il tempo di transito ttr è semplicemente L/vs

20. Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis Applicazioni a grandi segnali analogici Un importante utilizzo dei dispositivi FET è quello di amplificazione di grandi segnali per amplificatori di potenza. In questo caso si fa operare il FET in regime di saturazione. Il variare della polarizazione di gate fa variare la polarizzazione di drain dalla tensione di breakdown VB a VDS(sat). La massima potenza di uscita è data da (media nel tempo da cui il fattore 8 a denominatore) Si vorrebbe VDS (sat), il punto al quale la linea di carico interseca la regione lineare della curva I-V, più basso possibile. Questo richiede materiali ad alta mobilità (GaAs) con bassa resistenza di source e di drain. Si vorrebbe anche una tensione di breakdown VB più alta possibile, e quindi la necessità di materiali ad alta gap. Un compromesso tra alto VB e alto ft per il dispositivo è dato da