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Introduzione
Ciao a tutti.
Ecco uno dei miei soliti articoli che nascono da un problema reale a cui mi sono dovuto scontrare e che come al solito e grazie al forum mi ha permesso di imparare cose nuove.
E' da considerarsi anche un bel ripasso sul funzionamento del N MOS.
Il tutto nasce da questa discussione:
Ricordo che a me piace far capire, a chi legge l'articolo, come ho ragionato (anche sbagliando in prima istanza) nell'affrontare il problema e come poi è stato risolto.
Quindi sarà da considerarsi come una bella chiaccherata al bar... con una birretta... :-)
La questione è la seguente:
Abbiamo un N MOS che viene utilizzato come "interruttore" per alimentare un carico.
Nel caso che rappresento, verrà acceso per un tempo finito, diciamo 5ms.
Ecco lo schema:
La resistenza di Sense (1 Ohm) viene utilizzata per monitorare la corrente circolante nel carico.
In presenza di una tensione di gate superiore alla Vgs di threshold il "MOS si accende", andando un zona lineare o zona triodo.
Il mos si comporta quindi come una resistenza piccola di valore Rdson. Sostanzialmente un interruttore chiuso.
Ai capi del carico mi trovo una tensione pari a 24Vdc meno la caduta di tensione sulla R sense (piccola) e sulla Rds on.
Questa, come già detto, è la classica applicazione del MOS in cui viene utilizzato come interruttore.
Ora mi chiedo: cosa succede se il carico dovesse andare in corto circuito?
Ovvero se la situazione diventasse la seguente:
Beh, la prima risposta sarà: qualcosa brucia... :-)
Uomo-esplosione.jpg
Bene, per dare una spiegazione più tecnica vediamo di ripassare un po' il funzionamento del MOS.
Teoria sul Mos a canale N ad arricchimento.
Vediamo di effettuare la trattazione su di un N-MOS ad arricchimento che è forse il componente più classico utilizzato per l'applicazione sopra citata.
Il fatto che sia N MOS significa che il canale che si verrà a formare sarà di portatori tipo "n".
Assenza di polarizzazione
Nel caso in cui non ci sia polarizzazione del gate (tensione Vgs nulla) siamo in una situazione come questa:
Il MOS nella configurazione sopra si comporta come due diodi. Quindi anche in presenza di Vds>0 non scorre alcuna corrente.
Intorno alle due giunzioni è presente la zona RCS che stà per REGIONE di CARICHE SPAZIALI.
Tensione al Gate
Se ora inizio ad aumentare la Vgs succede che inizialmente si "respingono" le lacune del semiconduttore "p" e si ha un allargamento della RCS sottostante.
Ecco alcune immagini che rappresenta il fenomeno.
[FIDOCAD]
Oltre una certa tensione di gate, detta tensione di soglia, Vth, Il campo elettrico presente sotto il gate riesce a richiamare elettroni “liberi” che tenderanno ad accumularsi sotto il gate, con la formazione di un canale conduttivo (canale n indotto) che collega il drain con il source.
Aumentando ulteriormente la tensione di gate, VG, si aumenta la popolazione di elettroni liberi nel canale n indotto.
Ecco la situazione:
E aumentando ancora la Vgs il canale assume ampiezze maggiori presentando quindi una resistività minore.
Riassumendo: superata un valore di Vgs detto di soglia (Vth) si viene a formare un canale conduttivo (elettronic liberi). Questo canale è maggiore in dimensione (e quindi presenta una resistività minore) più grande è il valore di Vgs fornito. La resistenza che viene vista tra drain e source è chiamata Rds ON. Ovvero la resistenza di canale in fase "ON" del MOS.
Tensione al Drain (piccola)
Ora inizio ad applicare una tensione VDS diciamo PICCOLA.
Applicando una tensione positiva (piccola) al drain, con al gate una tensione positiva maggiore della tensione di soglia, Vt, si ha flusso di elettroni (spinti dal campo elettrico) che danno luogo ad una corrente di drain Id.
La corrente di drain Id dipende dalla resistività del canale (ossia come abbiamo detto dal numero di elettroni liberi nel canale).
Aumentando la tensione di gate, Vg, si aumenta la popolazione di elettroni liberi nel canale n indotto (con conseguente riduzione della resistività di canale) e di conseguenza si aumenta la corrente di drain.
Ricordo che la resistenza che si viene a creare sotto il canale viene chiamata Rds on ed quindi tanto più piccola più alto è il valore di Vgs fornito.
Nelle prossime immagini vengono rappresentati gli andamenti Vds,Id al variare del valore di Vgs.
Sostanzialmente si evince come la resistenza di canale è più bassa per Vgs maggiori.
Ora vediamo cosa succede applicando una tensione più grande VDS.
Quello che succede è che il canale che fino ad ora era uniforme, viene a deformarsi.
Perché questo?
Consideriamo la largezza del canale proporzionale alla differenza di potenziale tra il potenziale di GATE (piatto di gate) e il potenziale della zona sotto, una volta che però ho superato il valore di soglia!!!
Per poter comprendere meglio il fenomeno consideriamo il canale come se fosse formato da tante (nell'esempio solo 3) resistenze discrete in serie.
Tensione al Drain (elevata)
Supponiamo ora di applicare una tensione maggiore al Drain (nell'esempio 12V). Questa tensione si distribuisce linearmente lungo le resistenze.
Dal Punto di vista Statico, applicando tensione al Drain, si induce una caduta di tensione lineare nel canale.
Ciò comporta una riduzione della tensione tra il gate e il substrato lungo il canale.
Il canale elettronico tenderà a ridursi in prossimità del drain.
Questo fenomeni si chiama "strozzamento" del canale.
Ora, abbiamo detto prima che il canale è presente solo se il poteziale di gate Vg SUPERA il potenziale della zona sotto di almeno Vsoglia.
Quindi, nel punto in cui Vg-Vd è pari a Vth, succede che il canale, in quella zona, è proprio un "pelino"… appunto strozzato.
Vediamo a questo punto di definire quelle che sono chiamate regioni di funzionamento del Mosfet.
Il MOS e le sue regioni di funzionamento
Cosideriamo la situazione in cui il canale è formato, quindi Vgs>Vgs soglia.
Poi applichiamo una Vds ma NON TROPPO ALTA cioè ben lontana dallo strozzamento del canale.
Siamo nella situazione in cui sotto ho il canale formato, il MOS è una resistenza di “basso” valore e tanto più basso quanto più la VGS è alta sopra la soglia.
Questa zona di funzionamento è detta ZONA LINEARE
Ora però succede che, per quello che abbiamo detto prima, che aumentando la Vds, la differenza di potenziale tra il gate (tutto il piattello NERO che si vede nella immagine) e la zona sotto diminuisce perché si crea una tensione lungo il canale.
Aumentando ulteriormente VDS lo “strozzamento” del canale comporta un calo di conducibilità.
Quindi in questa situazione siamo che il MOS da resistenza di basso valore (che poi non è altro che la pendenza della curva qui sopra nel grafico Vds/Id) inizia a comportarsi come una resistenza più grande.
Ad un certo punto:
Per VDS= VGS-Vth, il canale è completamente “strozzato” (pinched-off) e la ID satura.
Il valore di tensione Vds=Vgs-Vth è chiamata tensione di Pinch Off e anche il relativo punto nel grafico.
Continuando ad aumentare la Vds, Per VDS> Vgs-Vth la Id rimane costante (anche se in verità non è proprio cosi ma si rimanda a trattazioni più specifiche per questo fenomeno).
Questa zona è chiamata zona di saturazione.
A questo punto si possono fare tutti i conti a livello microscopico per ottenere le leggi che stanno dietro al comportamento del mos. Si rimanda a testi specifici.
Qui vengono riportati solo i risultati principali.
Innanzitutto il grafico che mostra le tre regioni di funzionamento del MOS: Regione di OFF /SPENTO), zona lineare o triodo, zona di saturazione.
MOSFET_VI_Characteristics.png
Partendo da considerazioni di microelettronica e considerando le dimensioni fisiche del componente risultano queste importanti relazioni:
Dispositivo spento
Vgs < Vth
ID = 0
Dispositivo in zona LINEARE
Vgs > Vth
Vds < Vgs − Vth
![Id = K'_n \frac{W}{L}\left[ {(Vgs - Vth)Vds - \frac{{V^2 ds}}{2}} \right]](/mediawiki/images/math/9/4/3/943edd33d2b6be305dd0c1c0066ee2b6.png)
Dispositivo in SATURAZIONE
Vgs > Vth
Vds > Vgs − Vth
In questa ultima legge possiamo raccogliere in un unico parametro "k" il termine
riscrivendo la relazione in una forma più semplice:
ID = K(Vgs − Vth)2
Terminata la parte di articolo dedicata al "ripasso" sul funzionamento del MOSFET passiamo ora a risolvere il quesito iniziale.
... to be continued...
