Tensione di soglia del MOS (26)

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A differenza degli altri dispositivi a semiconduttore, diodo e transistore bipolare a giunzione, il condensatore MOS ha una tensione di soglia ben definita e dipendente da alcuni parametri fondamentali.
Il modello a soglia del diodo e, in seguito, del transistore bipolare a giunzione mostra che entrambi i dispositivi vanno in funzione quando la tensione applicata al diodo/tra base ed emettitore è identicamente pari alla Vγ.

Polarizzando con una certa tensione un condensatore MOS a canale n, è possibile accumulare sulla superficie di separazione tra ossido e semiconduttore una quantità di elettroni liberi, portatori di carica mobili. Affinché si verifichi questo fenomeno, è necessario che la tensione applicata al gate superi un valore prefissato, la tensione di soglia VT (treshold voltage).
Figura 1: andamento della tensione superficiale in funzione della tensione applicata al gate.

La carica nella superficie di contatto cresce linearmente con la tensione applicata al gate, non appena questa sia maggiore o uguale alla soglia. Infatti, in queste condizioni viene raggiunta la condizione di forte inversione, ossia il potenziale di superficie assume come valore il doppio del potenziale di Fermi (VG' = VG'*, figura 1 e figura 2).

Figura 2. Grafici di Campo elettrico, potenziale, quantità di carica di inversione e svuotamento e concentrazione di portatori nel canale in funzione del potenziale di superficie.

Dalle analisi svolte al condensatore MOS, sono note le seguenti grandezze, alla condizione φs = 2φF:

e dal seguente sistema si possono ricavare:
ed è possibile dunque ottenere un'espressione che definisca la tensione di sogliola:

In definitiva, la tensione di soglia
  • dipende dal potenziale di Fermi e dal drogaggio del substrato;
  • è proporzionale direttamente allo spessore dell'ossido tOX;
  • è inversamente proporzionale alla costante dielettrica dell'ossido εOX.

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