In informatica ed elettronica un MOSFET (o MOS-FET oppure MOS FET, acronimo , e spesso conosciuto come transistore MOS) è un tipo di transistor a effetto di campo largamente usato nel campo dell'elettronica digitale, ma diffuso anche nell'elettronica analogica. Indicato anche come IGFET ()..
Il principio di funzionamento del transistor ad effetto di campo è stato ideato da Lilienfeld nel 1925, mentre il primo MOSFET fu realizzato da Kahng e Atalla nel 1959 presso i Bell Laboratories. Il MOSFET è composto da un substrato di materiale semiconduttore drogato, solitamente il silicio, al quale sono applicati tre terminali: gate, source e drain. L'applicazione di una tensione al gate permette di controllare il passaggio di cariche tra il source e il drain, e quindi la corrente elettrica che attraversa il dispositivo. A seconda che il drogaggio del semiconduttore body sia di tipo n o di tipo p il transistor prende rispettivamente il nome di pMOSFET e nMOSFET, abbreviati spesso in pMOS e nMOS, questo per via del canale di drogaggio complementare che si viene a creare nel substrato..
Struttura
Il MOSFET è costituito da un condensatore, composto da un'elettrostruttura formata da tre strati di materiali diversi, affiancata da due terminali, detti source e drain.
Il condensatore MOS (Metallo-Ossido-Semiconduttore) è composto da due elettrodi: il substrato ed il gate. Il substrato, detto anche body, il "corpo" del transistor, è costituito da materiale semiconduttore drogato, solitamente il silicio, anche se alcuni produttori di circuiti elettronici, in particolare la IBM, hanno cominciato a usare una miscela di silicio e germanio. Diversi altri semiconduttori caratterizzati da migliori proprietà elettroniche rispetto al silicio, come l'arseniuro di gallio, non formano buoni ossidi e quindi non sono adatti per i MOSFET.
Il gate è realizzato con materiale conduttore: a causa dell'assenza di processi tecnologici in grado di allineare con buona precisione un gate metallico alla struttura MOS, e a causa dell'elevata contaminazione che l'alluminio introduceva durante i processi di annealing termico, si è per diversi anni usato il silicio policristallino (polisilicio) ad alto drogaggio, che non gode tuttavia di eccezionali proprietà conduttive. Gate e substrato sono separati da un sottile strato isolante detto ossido di gate, composto da biossido di silicio o dielettrici ad elevata permittività elettrica. Tale strato è necessario al fine di ridurre la perdita di potenza, causata principalmente dalla fuoriuscita di cariche dal gate. Infatti volendo il più possibile realizzare un comportamento ideale del MOS, la corrente di gate deve essere il più possibile nulla.
I terminali di source e drain, infine, sono anch'essi composti da semiconduttore, drogato però in maniera opposta: se il substrato ha un drogaggio di tipo p i due terminali hanno drogaggio di tipo n, e viceversa..
Con la riduzione dello spessore dell'ossido di gate è stata introdotta la tecnologia metal gate, ovvero si è cominciato ad usare un materiale metallico per la costruzione del terminale.
I due principali fattori che hanno portato all'introduzione di questa tecnologia sono: Con la riduzione delle dimensioni dei transistor, la riduzione dello spessore dell'ossido di gate rende non più trascurabile lo spessore della regione svuotata sul polisilicio, ciò porta a dover considerare uno spessore di ossido equivalente. Questo genera ripercussioni sulle tensioni di soglia e sulle correnti di drain che, in generale, contribuiscono ad una riduzione delle performance del dispositivo. L'aumento del drogaggio del polisilicio volto a ridurne la resistività e la profondità di svuotamento crea problemi di contaminazione dell'ossido, oltre al fatto che il silicio fortemente drogato presenta una scarsa mobilità per elettroni e lacune. Si sono di conseguenza cercati processi tecnologici che permettono di mantenere l'allineamento del gate con drain e source e che usano metallo al posto del polisilicio. Una delle tecniche più avanzate per ottenere MOS con tecnologia metal gate è il processo damascene, che prevede la costruzione di un gate fittizio in polisilicio e la sua successiva rimozione per far posto al vero gate metallico, solitamente di alluminio o tungsteno. Uno strato di nitruro di titanio viene interposto tra gate metallico e ossido (quest'ultimo viene ricreato quando si rimuove il gate in polisilicio) sia per evitare che il metallo contamini l'ossido, sia per migliorarne l'adesione.
Funzionamento A seconda della tensione applicata ai capi del substrato sotto al Gate, detto condensatore MOS, la regione di substrato che collega drain e source può essere ricca di lacune, vuota, o ricca di elettroni: viene illustrato il funzionamento che consegue nel caso di un nMOS, il cui substrato p (cioè ha un eccesso di lacune) si considera cortocircuitato con il terminale di source.
Accumulo
Quando all'elettrodo di gate viene imposta una tensione negativa rispetto all'elettrodo di substrato, generalmente posto a massa, le lacune del substrato si accumulano in un piccolo strato in prossimità del gate, e non consentono il passaggio di corrente tra D e S (causa l'elevata ricombinazione).
Svuotamento Quando all'elettrodo di gate viene imposta una tensione positiva rispetto all'elettrodo di substrato ma inferiore ad una tensione di soglia (in inglese threshold) anche se le lacune del substrato si allontanano dal gate, la regione in prossimità di esso è comunque priva di sufficienti portatori liberi di carica.
Soglia di conduzione Questa tensione di soglia dipende da quella tra source e body: ciò viene comunemente chiamato "effetto body", dovuto alla capacità del condensatore MOS. Se vi è una differenza di tensione tra source e body, per ottenere la regione di inversione è necessaria una maggiore differenza di potenziale, il che equivale ad un aumento della tensione di soglia del transistore. Se si definisce pertanto la tensione di soglia senza considerare l'effetto body, nel canale risulta una carica indotta minore di quella aspettata, e questo comporta un errore in eccesso nella valutazione della corrente del canale. Per un nMOS si ha:
dove è la soglia per nulla, il parametro dell'effetto body e ( : potenziale di Fermi) è il potenziale di superficie corrispondente all'inizio inversione. L'equazione risulta approssimata dal momento che la tensione del canale non è in generale costante, ma varia man mano che ci si sposta da un potenziale all'altro.
Corrente di sottosoglia
Nella distribuzione di Boltzmann alcuni elettroni hanno comunque energia sufficiente per passare tra D e S: scorre una piccola corrente elettrica, che varia esponenzialmente con , ed è definita approssimativamente dalla relazione:
dove è la corrente per , è la capacità della regione di svuotamento e la capacità dello strato di ossido. In un transistore il cui canale sia sufficientemente lungo non c'è dipendenza della corrente dalla tensione del drain finché . Questa corrente è una delle cause del consumo di potenza nei circuiti integrati.
Saturazione
Quando la tensione di gate è positiva e compresa tra e il transistor passa al funzionamento attivo: gli elettroni nel substrato, detti portatori maggioritari di carica, vengono attratti dal gate: si forma un canale conduttore tra source e drain nel quale il silicio si comporta come se fosse drogato n come i terminali source e drain, consentendo inizialmente il passaggio della corrente tra source e drain..
All'aumentare della tensione tra drain e source, la differenza di potenziale fra il gate e la regione del canale vicina al drain diminuisce, ed il canale viene progressivamente strozzato in prossimità di esso. Tale fenomeno è detto pinch-off, simile all'effetto Early nel transistore bipolare. La strozzatura si verifica nel punto di ascissa , pari alla lunghezza del canale, in cui il potenziale è pari a .. La carica di inversione, dunque, diminuisce all'avvicinarsi al terminale di drain, e questo implica che una volta raggiunto il completo strozzamento il valore della corrente che percorre il canale non dipende dalla variazione di , dal momento che la tensione ai capi del canale ohmico rimane costante.
Le cariche attraversano quindi la regione svuotata ( è la larghezza della regione, quindi è praticamente la superficie sotto l'ossido) sostenute dal campo elettrico, sicché la corrente dipende solamente e quadraticamente dalla tensione , ed il MOSFET funziona come un transresistore.:
essendo il fattore di pinch-off dell'ordine del cV, se G è la transconduttanza:
dove il termine Vov = VGS - Vth è detto tensione di overdrive: la relazione è pressoché lineare per piccoli segnali.
Un altro parametro importante nella realizzazione del dispositivo è la resistenza di uscita , data da:
Si noti che se è posta nulla la resistenza di uscita diventa infinita.
Conduzione lineare
Quando la tensione drain-source diventa inferiore alla tensione il canale raggiunge il drain: essendo possibile la conduzione il canale si comporta come una resistenza nel senso che il potenziale diventa variabile lungo la sua lunghezza L ma non nella larghezza W che aumenta solo al crescere della tensione applicata al gate, misurate rispettivamente lungo la direzione parallela e perpendicolare rispetto a quella della corrente che percorre il canale: l'equazione della transconduttanza continua ad essere valida solo localmente:
per cui la corrente nel canale diventa:
dove è la mobilità effettiva dei portatori di carica, la larghezza del canale, la sua lunghezza e la capacità per unità di superficie.
Il comportamento è quindi equivalente a quello di un triodo.
Impiego digitale
Lo sviluppo delle tecnologie digitali ha portato alla supremazia del MOSFET rispetto ad ogni altro tipo di transistor basato sul silicio. La ragione di tale successo è stato lo sviluppo della logica digitale CMOS, che vede nel MOSFET il costituente fondamentale. Il sostanziale vantaggio del dispositivo è il fatto che, idealmente, quando è spento non permette alla corrente di scorrere, e ciò si traduce nella riduzione della potenza dissipata. Alla base di ogni porta logica vi è infatti l'invertitore CMOS, la combinazione di un NMOSFET e di un PMOSFET in serie, in un modo tale che quando uno conduce l'altro è spento. Tale dispositivo fornisce un considerevole risparmio energetico e previene il surriscaldamento del circuito, una delle principali problematiche dei circuiti integrati.
Ulteriore vantaggio della tecnologia MOSFET risiede nel fatto che nei circuiti digitali lo strato di ossido tra il gate e il canale impedisce ad ogni corrente in continua di scorrere attraverso il gate, riducendo il consumo di potenza. In uno stato logico distinto questo isola efficacemente un MOSFET dallo stadio precedente e successivo, essendo il terminale di gate solitamente comandato dall'uscita di una porta logica precedente; permettendo inoltre una maggiore facilità nel progettare indipendentemente i vari stadi logici.
CMOS
La tecnologia CMOS, acronimo di complementary metal-oxide semiconductor, è usata per la progettazione di circuiti integrati, alla cui base sta l'uso dell'invertitore a MOSFET. Si tratta di una struttura circuitale costituita dalla serie di una rete di "Pull-Up" ed una di "Pull-Down": la prima s'incarica di replicare correttamente il livello logico alto LL1 mentre alla seconda è destinata la gestione del livello logico basso LL0. La rete di Pull-Up è costituita di soli pMOSFET, che si accendono solo se la tensione presente al gate, misurata rispetto al source, è minore della tensione di soglia, che per questi particolari componenti equivale a metà tensione di alimentazione. Inversamente la rete di Pull-Down è costituita di soli nMOSFET, che si accendono solo se la tensione presente al gate è maggiore della tensione di soglia. A partire dall'invertitore si costruiscono le porte logiche e quindi i circuiti integrati.