Corrente di sottosoglia

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La corrente di sottosoglia è un fenomeno che riguarda il funzionamento dei MOSFET nella regione sottosoglia, consistente nella formazione di una debole corrente tra il source e il drain.

Nel modello di base dei MOSFET sono previste tre regioni di funzionamento, in particolare è prevista la regione di interdizione (cut-off) quando $V_{GS}<V_{tn}$ , ovvero quando la tensione applicata al gate non raggiunge il valore di soglia $V_{tn}$ necessario alla formazione del canale e di conseguenza non scorre alcuna corrente tra il source e il drain. In realtà, nei casi in cui la tensione $V_{GS}$ è inferiore ma prossima a $V_{tn}$ , alcuni elettroni del source scorrono verso il drain dando vita ad una piccola corrente di drain che dipende esponenzialmente da $V_{GS}$

Nella distribuzione di Boltzmann alcuni elettroni hanno comunque energia sufficiente per passare tra D e S: scorre una piccola corrente di sottosoglia, che varia esponenzialmente con $V_{GS}$ , ed è definita approssimativamente dalla relazione:^[1]^[2]

I_{D}\approx I_{D0}e^{\begin{matrix}{\frac {V_{GS}-V_{th}}{(1+{\frac {C_{d}}{C_{ox}}})V_{T}}}\end{matrix}}

dove $I_{D0}$ è la corrente per $V_{GS}=V_{th}$ , $C_{d}$ è la capacità della regione di svuotamento e $C_{ox}$ 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 $V_{DS}>>V_{T}$ . Questa corrente è una delle cause del consumo di potenza nei circuiti integrati.

Nei circuiti digitali, la conduzione di sottosoglia è generalmente vista come una corrente parassita in uno stato che idealmente non prevedrebbe corrente. Nei circuiti analogici, d'altro canto, la zona di sottosoglia è considerata come una vera e propria regione di funzionamento e la corrente di sottosoglia è una normale proprietà del transistor.

In passato, tale corrente era insignificante, ma con la miniaturizzazione dei transistor ora arriva causare fino al 50% del consumo totale di potenza. La spiegazione sta nel fatto che per ridurre la potenza dissipata nei circuiti integrati (proporzionale al quadrato della tensione di alimentazione) la ricerca sul VLSI è sempre stata sviluppata anche in modo da ridurre la tensione di alimentazione. Così come la tensione di alimentazione è diminuita, per migliorare l'efficienza energetica, la tensione di soglia è scesa nelle stesse proporzioni. Come quest'ultima si è ridotta, gli effetti sul consumo energetico della corrente di sottosoglia sono aumentati esponenzialmente.

Note

^ P R Gray, P J Hurst, S H Lewis, and R G Meyer, Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, Fourth Edition, New York, Wiley, 2001, pp. 66–67, ISBN 0-471-32168-0.
^ P. R. van der Meer, A. van Staveren, A. H. M. van Roermund, Low-Power Deep Sub-Micron CMOS Logic: Subthreshold Current Reduction, Dordrecht, Springer, 2004, p. 78, ISBN 1-4020-2848-2.