Il MOSFET è un transistor a effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore. O metallo-isolante-semiconduttore. Il transistor bipolare amplifica la piccola variazione di corrente all'ingresso e genera una grande variazione di corrente all'uscita. Il guadagno di un transistor bipolare è definito come il rapporto tra la corrente di uscita e quella di ingresso (beta). Un altro tipo di transistor, chiamato transistor a effetto di campo (FET), converte le variazioni della tensione di ingresso in variazioni della corrente di uscita. Il guadagno di un FET è uguale alla sua transconduttanza, definita come il rapporto tra la variazione della corrente di uscita e la variazione della tensione di ingresso. Il nome del FET deriva anche dal suo ingresso (chiamato gate) che influenza la corrente che scorre attraverso il transistor proiettando un campo elettrico su uno strato isolante. Infatti, nessuna corrente scorre attraverso questo isolante, quindi la corrente di gate del FET è molto piccola. Il FET più comune utilizza un sottile strato di biossido di silicio come isolante sotto il GATE. Questi transistor sono chiamati transistor metallo-ossido-semiconduttore (MOS), o transistor a effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore (MOSFET). Poiché i MOSFET sono più piccoli e più efficienti dal punto di vista energetico, hanno sostituito i transistor bipolari in molte applicazioni.

Cos'è il MOS? qual è l'effetto?

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Il MOSFET è un transistor a effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore, o metallo-isolante-semiconduttore. Il source e il drain del MOSFET possono essere invertiti e sono tutte regioni di tipo N formate nel backgate di tipo P. Nella maggior parte dei casi, queste due regioni coincidono; anche se le due estremità sono invertite, ciò non influisce sulle prestazioni del dispositivo. Tali dispositivi sono considerati simmetrici.

Il transistor bipolare amplifica la piccola variazione di corrente all'estremità di ingresso ed emette una grande variazione di corrente all'estremità di uscita. Il guadagno di un transistor bipolare è definito come il rapporto tra la corrente in uscita e quella in ingresso (beta). Un altro tipo di transistor, chiamato transistor ad effetto di campo (FET), converte le variazioni della tensione di ingresso in variazioni della corrente di uscita. Il guadagno di un FET è uguale alla sua transconduttanza, definita come il rapporto tra la variazione della corrente di uscita e la variazione della tensione di ingresso.

Il nome del FET deriva anche dal suo ingresso (chiamato gate) che influenza la corrente che scorre attraverso il transistor proiettando un campo elettrico su uno strato isolante. Infatti, nessuna corrente scorre attraverso questo isolante, quindi la corrente di gate del FET è molto piccola. Il FET più comune utilizza un sottile strato di biossido di silicio come isolante sotto il GATE. Questi transistor sono chiamati transistor metallo-ossido-semiconduttore (MOS), o transistor a effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore (MOSFET). Poiché i MOSFET sono più piccoli e più efficienti dal punto di vista energetico, hanno sostituito i transistor bipolari in molte applicazioni.

Per comprendere meglio il MOSFET, diamo un'occhiata a un dispositivo più semplice: il condensatore MOS. Il dispositivo ha due elettrodi, uno metallico e l'altro di silicio estrinseco, separati da un sottile strato di biossido di silicio. Il polo metallico è il GATE, mentre il terminale del semiconduttore è il backgate o corpo. Lo strato di ossido isolante tra i due è chiamato dielettrico di gate. Il dispositivo mostrato ha un backgate in silicio di tipo P debolmente drogato. Le caratteristiche elettriche di questo condensatore MOS possono essere spiegate collegando il backgate a massa e il gate a tensioni diverse. Il potenziale di GATE del condensatore MOS è 0 V. La differenza di FUNZIONE DI LAVORO tra il GATE metallico e il BACKGATE del semiconduttore crea un piccolo campo elettrico sul dielettrico. Nel dispositivo, questo campo elettrico fa sì che i poli metallici siano leggermente positivi e il silicio di tipo P negativo. Questo campo elettrico attrae gli elettroni dagli strati inferiori del silicio verso la superficie e respinge le lacune dalla superficie allo stesso tempo. Questo campo elettrico è troppo debole, quindi la variazione nella concentrazione dei portatori è molto piccola e anche l'influenza sulle caratteristiche generali del dispositivo è molto piccola.

Cosa succede quando il GATE del condensatore MOS è polarizzato direttamente rispetto al BACKGATE. Il campo elettrico attraverso il GATE DIELECTRIC si intensifica e più elettroni vengono estratti dal substrato. Allo stesso tempo, i fori vengono respinti dalla superficie. All'aumentare della tensione GATE, ci saranno più elettroni che buchi sulla superficie. A causa dell'eccesso di elettroni, la superficie del silicio assomiglia al silicio di tipo N. L'inversione della polarità del drogaggio è chiamata inversione e lo strato di silicio invertito è chiamato canale. Man mano che la tensione del GATE continua ad aumentare, sempre più elettroni si accumulano sulla superficie e il canale diventa una forte inversione. La tensione alla quale si forma il canale è chiamata tensione di soglia Vt. Quando la differenza di tensione tra GATE e BACKGATE è inferiore alla tensione di soglia, non viene formato alcun canale. Quando la differenza di tensione supera la tensione di soglia, viene visualizzato il canale.

Condensatori MOS: (A) non polarizzati (VBG=0V), (B) invertiti (VBG=3V), (C) accumulati (VBG=-3V).

La parte centrale è il caso in cui il GATE del condensatore MOS è una tensione negativa rispetto al backgate. Il campo elettrico è invertito, attirando i buchi sulla superficie e respingendo gli elettroni. La superficie del silicio sembra essere drogata più pesantemente e il dispositivo è considerato in uno stato di accumulo.

Le caratteristiche dei condensatori MOS possono essere utilizzate per formare transistor MOS. Gate, dielettrico e backgate rimangono come sono. Su entrambi i lati del GATE ci sono due ulteriori regioni drogate selettivamente. Uno di questi si chiama source e l'altro si chiama drain. Supponiamo che sia la sorgente che il backgate siano collegati a terra e che il drenaggio sia collegato a una tensione positiva. Finché la tensione tra GATE e BACKGATE è ancora inferiore alla tensione di soglia, non verrà formato alcun canale. La giunzione PN tra il drain e il backgate è polarizzata inversamente, quindi solo una piccola quantità di corrente fluisce dal drain al backgate. Se la tensione GATE supera la tensione di soglia, appare un canale sotto il dielettrico GATE. Questo canale è come un sottile strato di silicio di tipo N che mette in cortocircuito drain e source. Una corrente costituita da elettroni fluisce dalla sorgente attraverso il canale fino allo scarico. In generale, ci sarà corrente di drain solo quando la tensione gate-source V supera la tensione di soglia Vt.

In un MOSFET simmetrico, la denominazione di source e drain è alquanto arbitraria. Per definizione, i portatori fluiscono dal source al drain. Pertanto, l'identità di source e drain è determinata dalla polarizzazione del dispositivo. A volte la tensione di polarizzazione sul transistor non è fissa e i due terminali si scambiano di ruolo. In questo caso, il progettista del circuito deve specificare che uno è il drain e l'altro è il source.

Source e drain sono MOSFET asimmetrici con drogaggio e forme geometriche differenti. Esistono molte ragioni per realizzare transistor asimmetrici, ma tutte hanno lo stesso risultato finale. Un terminale è ottimizzato come drain e l'altro come source. Se drain e source vengono scambiati, il dispositivo non funzionerà correttamente.

I transistor hanno un canale di tipo N, quindi sono chiamati MOSFET a canale N, o NMOS. Esiste anche un tubo MOS a canale P (PMOS), che è un P-MOSFET composto da un BACKGATE di tipo N debolmente drogato e da un source e drain di tipo P. Se il GATE di questo transistor è polarizzato direttamente rispetto al BACKGATE, gli elettroni vengono attratti dalla superficie e le lacune vengono respinte dalla superficie. La superficie del silicio si accumula e non si forma alcun canale. Se il GATE è polarizzato inversamente rispetto al BACKGATE, le lacune vengono attratte dalla superficie e si forma un canale. Pertanto, la tensione di soglia del transistor PMOS è negativa. Poiché la tensione di soglia dell'NMOS è positiva e la tensione di soglia del PMOS è negativa, gli ingegneri di solito rimuovono il segno davanti alla tensione di soglia. Un ingegnere potrebbe dire: "La tensione di soglia del PMOS sale da 0.6 V a 0.7 V", quando in realtà la tensione di soglia del PMOS scende da -0.6 V a -0.7 V.