Salta al contenuto
Note per Studenti Esercizio 10 · quesiti rapidi sul transistor MOS, effetto body, scalatura e capacità (temi d'esame 2024-2026)

Esercizio 10quesiti rapidi sul transistor MOS, effetto body, scalatura e capacità (temi d'esame 2024-2026)

Esame
In questa pagina 7

Ogni appello ha 2020 domande a risposta multipla (a, b, c). Si riportano i quesiti sul transistor MOS dei temi del giugno 2024 (stessi quesiti nel luglio 2025), settembre 2024 (stessi quesiti nel settembre 2026), giugno 2025 e luglio 2026. Per i temi di giugno 2024 e luglio 2025 la risposta è quella della chiave disponibile; per gli altri è ricavata e motivata qui.

Teoria usata: Il transistor MOS come interruttore - soglia, caratteristiche e capacitàIl MOS ha quattro terminali (gate, source, drain, bulk); il bulk dell'n-MOS va a massa, quello del p-MOS a V_DD. Il canale esiste (inversione) per V_GS > V_T nell'n-MOS (V_T > 0) e per V_GS < V_T nel p-MOS (V_T < 0). La soglia cresce in modulo con la tensione di source rispetto al bulk (effetto body): V_T = V_T0 + γ(√|−2Φ_F+V_SB| − √|2Φ_F|). Corrente: lineare per V_DS < V_GS − V_T, I_D = k'(W/L)[(V_GS−V_T)V_DS − V_DS²/2]; saturazione per V_DS > V_GS − V_T, I_D = (k'/2)(W/L)(V_GS−V_T)²(1+λV_DS). In digitale il transistor è un interruttore con resistenza equivalente R_eq ∝ 1/Z (Z = W/L) e capacità di gate C_g = C_ox W L, di drain e source ∝ W. Raddoppiando Z la resistenza dimezza e le capacità raddoppiano.Il transistor MOS come interruttore - soglia, caratteristiche e capacità →.


1. Effetto body (giugno 2024, luglio 2025, luglio 2026: n-MOS; settembre 2024 e 2026: p-MOS)

In un transistor n-MOS l'effetto body implica: a. aumento del modulo della tensione di soglia per VSB>0V_{SB}>0; b. aumento del modulo per VSB<0V_{SB}<0; c. diminuzione del modulo per VSB<0V_{SB}<0.

Risposta: a. VT=VT0+γ(∣−2ΦF+VSB∣−∣2ΦF∣)V_T=V_{T0}+\gamma(\sqrt{\lvert-2\Phi_F+V_{SB}\rvert}-\sqrt{\lvert2\Phi_F\rvert}) cresce con VSBV_{SB} quando il source è più alto del bulk. Con VT0=0,4 VV_{T0}=0{,}4\ \mathrm V, γ=0,4 V1/2\gamma=0{,}4\ \mathrm V^{1/2}, 2ΦF=0,6 V2\Phi_F=0{,}6\ \mathrm V: VSB=1 V→VT=0,596 VV_{SB}=1\ \mathrm V\to V_T=0{,}596\ \mathrm V; VSB=2 V→0,735 VV_{SB}=2\ \mathrm V\to0{,}735\ \mathrm V; per VSB<0V_{SB}<0 (giunzione polarizzata in diretta) la soglia diminuirebbe, ma il caso non si presenta nei circuiti digitali. Nel tema di luglio 2026 la domanda è "l'effetto body in un n-MOS comporta: b. un aumento di ∣VT∣\lvert V_T\rvert". Variante p-MOS (settembre 2024 e 2026: "in un p-MOS l'effetto body implica..."): con il bulk a VDDV_{DD} il modulo di VTV_T aumenta quando il source è più basso del bulk, cioè per VSB=VS−VB<0V_{SB}=V_S-V_B<0: risposta b (aumento del modulo per VSB<0V_{SB}<0).

2. Scalatura delle dimensioni (tutti gli appelli del 2024, 2025, 2026)

Per un n-MOS con Wn/Ln=1 μm/0,5 μmW_n/L_n=1\ \mu\mathrm m/0{,}5\ \mu\mathrm m si ha CS=CD=10 fFC_S=C_D=10\ \mathrm{fF} e RON=10 kΩR_{ON}=10\ \mathrm{k\Omega}. Quanto valgono per Wn/Ln=4 μm/0,5 μmW_n/L_n=4\ \mu\mathrm m/0{,}5\ \mu\mathrm m? a. 10 fF10\ \mathrm{fF}, 2,5 kΩ2{,}5\ \mathrm{k\Omega}; b. 40 fF40\ \mathrm{fF}, 40 kΩ40\ \mathrm{k\Omega}; c. 40 fF40\ \mathrm{fF}, 2,5 kΩ2{,}5\ \mathrm{k\Omega}.

Risposta: c. LL è invariata e WW quadruplica (ZZ da 22 a 88): le capacità di giunzione sono proporzionali a WW (CD=Cd0W→4⋅10=40 fFC_D=C_{d0}W\to4\cdot10=40\ \mathrm{fF}) e la resistenza equivalente è proporzionale a 1/Z1/Z (10/4=2,5 kΩ10/4=2{,}5\ \mathrm{k\Omega}). Il prodotto RCRC resta 100 ps→100 ps100\ \mathrm{ps}\to100\ \mathrm{ps}: più grande il transistor, più rapidamente carica ma più carica.

3. Capacità source-bulk con WW raddoppiata (settembre 2024 e 2026)

Se in un n-MOS si raddoppia WW (con LL costante), la capacità parassita tra source e bulk: a. raddoppia; b. quadruplica; c. rimane uguale.

Risposta: a. La capacità di giunzione è CS=Cs0WC_S=C_{s0}W (area del fondo e perimetro dipendono da WW per un'estensione fissata della diffusione): proporzionale a WW, indipendente da LL. Non è W⋅LW\cdot L (quella è la capacità di gate).

4. Capacità di gate (giugno 2024, luglio 2025)

Nel modello semplificato del transistor la capacità di gate: a. è direttamente proporzionale all'area di gate; b. è inversamente proporzionale all'area di gate; c. è costante se ZZ rimane costante.

Risposta: a. Cg=CoxWLC_g=C_{ox}WL. Non è costante a Z=W/LZ=W/L fisso: con Z=2Z=2 si ha Cg=CoxZ L2C_g=C_{ox}Z\,L^2, che cambia con LL. Esempio: Cox=5 fF/μm2C_{ox}=5\ \mathrm{fF}/\mu\mathrm m^2: W=0,5W=0{,}5, L=0,25 μmL=0{,}25\ \mu\mathrm m (Z=2Z=2): 0,625 fF0{,}625\ \mathrm{fF}; W=1W=1, L=0,5 μmL=0{,}5\ \mu\mathrm m (stesso Z=2Z=2): 2,5 fF2{,}5\ \mathrm{fF}.

5. Resistenza equivalente (luglio 2026)

La resistenza equivalente di un p-MOS acceso: a. aumenta all'aumentare di W/LW/L; b. diminuisce all'aumentare di W/LW/L; c. è indipendente dalle dimensioni.

Risposta: b. Rp=Rp0/ZpR_p=R_{p0}/Z_p: un transistor più largo conduce più corrente, quindi ha meno resistenza (e più capacità).

6. Verifica numerica

Python: valori di VT(VSB)V_T(V_{SB}) e della scalatura (R⋅CR\cdot C costante), capacità di gate per diverse dimensioni.

Errori comuni

  • Confondere VSB>0V_{SB}>0 (n-MOS) con VSB<0V_{SB}<0 (p-MOS) per l'aumento di ∣VT∣\lvert V_T\rvert.
  • Moltiplicare per 44 anche la resistenza quando WW quadruplica: la resistenza si divide per 44.
  • Dire che la capacità di drain/source è proporzionale all'area di gate.

Versione ripasso

  • Body: n-MOS: ∣VT∣\lvert V_T\rvert aumenta per VSB>0V_{SB}>0 (a); p-MOS: aumenta per VSB<0V_{SB}<0 (b). Es.: VSB=1V_{SB}=1 V: VT=0,596V_T=0{,}596 V.
  • Scalatura: W×4W\times4, LL costante: CS,DC_{S,D} ×4\times4 (10→4010\to40 fF), RR /4/4 (10→2,510\to2{,}5 k): risposta c.
  • CSC_S con W×2W\times2: raddoppia (a), ∝W\propto W e indip. da LL.
  • CgC_g: ∝WL\propto WL (a), non costante a ZZ fisso.
  • RpR_p vs ZpZ_p: Rp=Rp0/ZpR_p=R_{p0}/Z_p decresce con W/LW/L (b).
  • Errori: VSBV_{SB} scambiato; R×4R\times4; giunzione ∝WL\propto WL.

Teoria collegata