MOSFET

Il MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) è uno dei dispositivi elettrici fondamentali dell’elettronica moderna e il cuore pulsante della microelettronica. Si tratta di un transistor a effetto di campo in cui il flusso di corrente tra due terminali, denominati source e drain, è controllato da una tensione applicata a un terzo terminale, detto gate. La sua peculiarità consiste nel fatto che il controllo avviene senza passaggio di corrente attraverso il gate, grazie alla presenza di uno strato di ossido isolante solitamente di biossido di silicio, SiO₂ che separa il gate dal semiconduttore sottostante.

Il concetto di transistor a effetto di campo è stato proposto già nel 1925 dal fisico austriaco Julius Edgar Lilienfeld, il quale brevettò un dispositivo a tre terminali simile a un MOSFET. Tuttavia, a causa delle limitazioni tecnologiche dell’epoca, il dispositivo non fu mai realizzato. Solo decenni dopo, nel 1959, gli ingegneri Mohamed Atalla e Dawon Kahng dei Bell Labs riuscirono a sviluppare il primo MOSFET funzionante, segnando una svolta epocale nella storia dell’elettronica.

A differenza dei transistor bipolari a giunzione (BJT), introdotti negli anni ’40, i MOSFET offrivano vantaggi significativi: basso consumo di potenza, alta densità di integrazione e facilità di miniaturizzazione. Questo li ha resi rapidamente dominanti nei circuiti digitali, specialmente con l’avvento della tecnologia CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), utilizzata in microprocessori, memorie, sensori e dispositivi logici.

Oggi, miliardi di MOSFET sono integrati in un singolo circuito integrato, e la loro evoluzione continua con architetture sempre più avanzate come i FinFET e i transistor a gate multipli, fondamentali per mantenere la miniaturizzazione secondo la Legge di Moore.

Struttura di un MOSFET

Il MOSFET è un dispositivo a quattro terminali: sorgente (source), drenaggio (drain), gate e corpo (body). Tuttavia, nella maggior parte delle applicazioni pratiche, il terminale di corpo è collegato internamente al terminale di sorgente, riducendo di fatto i terminali esterni a tre.

Il funzionamento del MOSFET si basa sul controllo della larghezza di un canale conduttivo attraverso il quale scorrono i portatori di carica (elettroni nei dispositivi a canale n, lacune nei dispositivi a canale p). La larghezza del canale viene modulata da una tensione applicata al gate, che agisce come elettrodo di controllo.

Il gate è separato elettricamente dal canale mediante uno strato sottilissimo di biossido di silicio oppure, nei dispositivi più avanzati, da un ossido metallico ad alta costante dielettrica (high-k dielectric). Questo strato isolante impedisce il flusso diretto di corrente tra il gate e il canale, permettendo un controllo elettrostatico altamente efficiente.

Quando una tensione positiva per un MOSFET a canale n viene applicata al gate rispetto alla sorgente, si crea un campo elettrico che attrae portatori di carica (elettroni) nel substrato semiconduttore sottostante l’ossido. Questo fenomeno induce la formazione di un canale conduttivo tra la sorgente e il drain, consentendo il passaggio di corrente. Al contrario, una tensione insufficiente al gate impedisce la formazione del canale e quindi la conduzione.

Il drain è posto all’estremità opposta del canale rispetto alla sorgente e rappresenta il terminale di uscita della corrente. Sia la sorgente che il drain sono costituiti da regioni fortemente drogate (tipo N+ o P+, a seconda del tipo di MOSFET), mentre il corpo è generalmente drogato con polarità opposta per creare la giunzione del canale.

Il corpo è il substrato semiconduttore su cui sono costruiti gli altri strati del dispositivo. Esso può influenzare il comportamento del MOSFET, agendo come una sorta di back-gate, e la sua connessione o isolamento influisce sul funzionamento del transistor, in particolare sulla tensione di soglia.

In sintesi, i portatori di carica entrano nel canale dalla sorgente, sono accelerati dal campo elettrico lungo il canale e raggiungono il drain, permettendo la conduzione. La possibilità di far fluire o meno questa corrente dipende dalla tensione applicata al gate, che regola la formazione del canale stesso.

Funzione dell’Ossido Metallico nel MOSFET

Nel MOSFET, l’ossido separa fisicamente il gate dal canale semiconduttore, ma consente comunque di controllare la conduzione del canale tramite il campo elettrico. Quando viene applicata una tensione al gate, il campo elettrico risultante modula la formazione o l’ostruzione del canale conduttivo tra la sorgente (source) e il drenaggio (drain). In pratica, l’ossido agisce come un isolante dielettrico che permette di regolare la corrente nel canale senza che il gate entri in contatto diretto con il canale stesso.

Il biossido di silicio è il materiale più comunemente utilizzato come isolante nei MOSFET. La sua funzione principale è impedire il passaggio diretto di corrente tra il gate e il canale, ma al contempo consente la creazione di un campo elettrico che influisce sulla conduttività del canale. Sebbene il SiO₂ non sia un ossido metallico, è un materiale ideale per questo scopo grazie alla sua elevata resistenza dielettrica, che lo rende un eccellente isolante, oltre alla bassa corrente di fuga che garantisce.

Il termine “ossido metallico” nel contesto del MOSFET si riferisce alla struttura del dispositivo, dove un materiale isolante, tipicamente SiO₂, è posizionato tra il gate metallico e il semiconduttore. Questa nomenclatura può risultare fuorviante, poiché, in effetti, il materiale utilizzato come ossido nel MOSFET è non metallico.

Con l’avanzamento della tecnologia dei semiconduttori, si è resa necessaria l’adozione di ossidi con costanti dielettriche superiori rispetto al SiO₂. Materiali come HfO₂ (biossido di afnio) e ZrO₂ (biossido di zirconio) sono diventati cruciali nei MOSFET ad alte prestazioni, consentendo di ridurre lo spessore dello strato isolante pur mantenendo un’efficace capacità di isolamento e migliorando al contempo le prestazioni del dispositivo.

In sintesi, sebbene nel nome MOSFET si parli di “ossido metallico”, il materiale effettivo utilizzato come isolante è un ossido non metallico, come il biossido di silicio . L’ossido, quindi, svolge un ruolo fondamentale nel separare il gate dal canale, consentendo di controllare la corrente attraverso il canale senza comprometterne l’integrità elettrica.

Principio di Funzionamento del MOSFET

Il MOSFET è un dispositivo a semiconduttore che funziona come un interruttore controllato da tensione, e la sua operazione si basa sulla modulazione del canale conduttivo tra la sorgente (source) e il drenaggio (drain) tramite un campo elettrico generato dal gate.

Il principio di funzionamento di un MOSFET si fonda sull’applicazione di una tensione al gate V_G rispetto alla sorgente V_S che crea un campo elettrico capace di influenzare la conduttività del canale semiconduttore tra la sorgente e il drenaggio. Questo campo elettrico induce una regione conduttiva nel canale quando la tensione di gate è sufficientemente alta, permettendo il passaggio di corrente tra la sorgente e il drenaggio. Il comportamento del MOSFET dipende dal valore della tensione di gate-sorgente (V_GS) rispetto alla tensione di soglia (V_th).

La Tensione di Soglia e la Condizione di Conduzione

La tensione di soglia è  il valore minimo della tensione di gate-sorgente necessario per iniziare a formare un canale conduttivo nel MOSFET. Quando V_GS  è inferiore rispetto a V_th il canale è troppo poco conduttivo per permettere un flusso significativo di corrente tra la sorgente e il drenaggio. In altre parole, il MOSFET si trova in uno stato di non conduzione.

Il campo elettrico, generato dalla tensione applicata al gate, in questo caso, non è sufficiente a invertire la polarità del canale, impedendo la formazione di un canale conduttivo tra la sorgente e il drenaggio. In questa condizione, il MOSFET si comporta come se fosse spento, e non c’è corrente che scorre tra source e drain, indipendentemente dalla tensione applicata tra questi ultimi. Questo stato di “interruttore aperto” è ideale per l’utilizzo del MOSFET in applicazioni di commutazione.

Quando V_GS ≥V_th invece, il campo elettrico è abbastanza forte da invertire la polarità del canale, creando una zona conduttiva che permette il passaggio di corrente tra la sorgente e il drenaggio. La resistenza del canale dipende dal valore esatto della tensione V_GS​, e in questa condizione il MOSFET si trova in uno stato di conduzione, che può essere lineare o di saturazione, a seconda della tensione applicata tra il drain e il source.

Conduzione Lineare e Saturazione

Quando V_GS > V_th e la tensione di drain V_DS è relativamente bassa, il MOSFET si trova nella regione lineare o di ohmica, dove il flusso di corrente tra la sorgente e il drenaggio è proporzionale alla differenza di tensione tra il drain e il source. In questa zona, il MOSFET si comporta come una resistenza variabile che può essere regolata modificando V_GS.

Se invece V_DS aumenta e supera un certo valore, il MOSFET entra in regime di saturazione, dove la corrente tra source e drain non dipende più significativamente da V_DS, ma è principalmente determinata da V_GS. In questa zona, il MOSFET agisce come un interruttore chiuso, consentendo il massimo flusso di corrente che può essere modulato solo dal gate.

Pertanto:
Se V_GS < V_th il MOSFET è spento, senza conduzione tra la sorgente e il drenaggio
Se V_GS ≥ V_th il MOSFET è acceso, e la corrente tra la sorgente e il drenaggio dipende dal valore di V_GS e V_DS

In sintesi, la tensione V_GS è il parametro fondamentale che controlla la capacità del MOSFET di condurre corrente. La tensione di soglia V_th stabilisce il limite oltre il quale il canale diventa conduttivo e il dispositivo si attiva, rendendo il MOSFET un elemento fondamentale nei circuiti elettronici, in particolare per le applicazioni di amplificazione e commutazione.

MOSFET a Canale P e a canale N

I MOSFET a canale P (PMOS) e i MOSFET a canale N (NMOS) sono due tipologie di transistor a effetto di campo che differiscono principalmente per la polarità del canale semiconduttore e la direzione in cui scorre la corrente, ma funzionano entrambi seguendo lo stesso principio di base: la conduzione tra la sorgente (source) e il drenaggio (drain) viene controllata dalla tensione applicata al gate.

MOSFET a Canale N (NMOS)

Nel MOSFET a canale N (NMOS), il canale semiconduttore è costituito da materiale di tipo N (arricchito di elettroni), mentre la regione di corpo (substrato) è di tipo P. Quando viene applicata una tensione positiva al gate rispetto alla sorgente con V_GS > V_th  si invertono le caratteristiche del canale, formando una zona conduttiva di tipo N che consente il passaggio di elettroni tra la sorgente e il drenaggio. In altre parole, il MOSFET a canale N è attivo quando il gate è positivo rispetto alla sorgente, e la corrente di conduzione è costituita da elettroni che scorrono dal drain verso la source.

Quando V_GS < V_th  il canale non si forma e il MOSFET è spento, impedendo il flusso di corrente. Quindi, nel caso di un NMOS, il transistor è attivo quando il gate è positivo rispetto alla sorgente.

Caratteristiche principali del NMOS:

-La corrente di conduzione è data dal flusso di elettroni, che sono portatori di carica negativi.

-Ha una bassa resistenza quando il canale è formato, e quindi offre una buona capacità di condurre corrente.

-Il MOSFET NMOS è più efficiente in termini di velocità e capacità di carico rispetto al PMOS, poiché gli elettroni hanno una mobilità maggiore rispetto alle lacune (utilizzate nei dispositivi PMOS).

MOSFET a Canale P (PMOS)

Nel MOSFET a canale P (PMOS), il canale semiconduttore è costituito da materiale di tipo P (arricchito di lacune), mentre la regione di corpo è di tipo N. La corrente di conduzione in un PMOS è costituita dalle lacune, che sono portatori di carica positivi. Al contrario del NMOS, un PMOS è attivo quando la tensione del gate è negativa rispetto alla sorgente con V_GS < V_th

La tensione negativa induce la formazione di un canale conduttivo che permette il passaggio delle lacune dal source al drain. Quando il gate è positivo rispetto alla sorgente ovvero V_GS > V_th  il canale è bloccato e il MOSFET PMOS non conduce corrente, diventando spento. Quindi, il MOSFET a canale P è attivo quando il gate è negativo rispetto alla sorgente.

Caratteristiche principali del PMOS:

-La corrente di conduzione è data dal flusso di lacune (portatori di carica positivi).

-Ha una mobilità inferiore rispetto al NMOS, poiché le lacune hanno una mobilità minore rispetto agli elettroni, comportando una resistenza maggiore al flusso di corrente.

-Il PMOS è generalmente usato in coppia con il NMOS in circuiti integrati, come nei circuiti CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), per creare dispositivi ad alta efficienza energetica.

Combinazione di PMOS e NMOS nei Circuiti CMOS

I circuiti CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) utilizzano sia MOSFET a canale N che a canale P, sfruttando le caratteristiche complementari di questi due tipi di transistor per ottenere prestazioni elevate e un basso consumo energetico. In un circuito CMOS, il NMOS e il PMOS sono configurati in modo tale che, quando uno dei due transistor è attivo (in conduzione), l’altro è spento, riducendo al minimo la corrente statica e quindi il consumo di energia. Questo rende i circuiti CMOS particolarmente adatti per applicazioni in cui l’efficienza energetica è cruciale, come nei microprocessori e nelle memorie.

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