Transistor MOSFET ELEMENTOS ACTIVOS EL-2207 I SEMESTRE 2011

Transcripción

1 Transistor MOSFET ELEMENTOS ACTIVOS EL-2207 I SEMESTRE 2011 ITCR - Elementos Activos I 2011

2 Objetivos El transistor de efecto de campo MOSFET y la tecnología CMOS (6 semanas) Construcción, símbolo, clasificación. Funcionamiento. Curvas características y polarización. Modelo del MOSFET para aplicaciones analógicas. Modelo del MOSFET para aplicaciones digitales. Capacitancias internas y modelos de alta frecuencia. Aplicaciones: El FET como interruptor: interruptor serie, paralelo, inversor lógico y compuertas lógicas básicas Escalamiento de MOSFETs Objetivo Conocer el comportamiento y modelado del transistor de efecto de campo MOSFET, así como sus principales aplicaciones. ITCR - Elementos Activos I 2011

3 Transistor MOSFET Transistor: dispositivo de al menos tres terminales, en el que una terminal controla el flujo de corriente entre las otras dos Transistor MOSFET Transfer Resistor Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor MOSFETs Basado en el principio de efecto de campo Uso de un campo eléctrico para controlar corriente entre dos terminales Transistor más utilizado (más de 80% del mercado) Base de la industria microelectrónica

4 Transistor MOSFET Principio de efecto de campo presentado en 1925 por Julius Lillienfeld MOSFET Patente presentada en 1928 por Lillienfeld Implementación posible en los 60s Teoría de escalamiento = miniaturización 60s, Robert Dennard 1986 / 1.5mm 1988 / 1.0mm 1991 / 0.8mm 1993 / 0.6mm 1996 / 0.4mm 1998 / 0.25mm 2000 / 0.18mm

5 Transistor MOSFET Drenador Compuerta Fuente Polisilicio Dióxido de silicio SiO 2 Substrato Polisilicio + Substrato (Si dopado) Difusión (Si de dopado complementario al substrato) Dispositivo de 4 terminales: compuerta, fuente, drenador y substrato Dispositivo UNIPOLAR corriente de conducción involucra prácticamente sólo un tipo de portador de carga MOSFET consiste en dos regiones semiconductoras fuertemente dopadas separadas por una región semiconductora de tipo complementario un aislante y un electrodo sobre dicha región

6 Transistor MOSFET Compuerta Drenador Fuente Ancho del canal (W) Substrato Largo del canal (L) Dióxido de silicio Polisilicio + Substrato (Si dopado) Difusión (Si de dopado complementario al substrato) X (profundidad de canal) Z (ancho de canal) Y (largo de canal)

7 Principio de Funcionamiento del MOSFET Compuerta aislada de la superficie del silicio por SiO 2 Controla la resistencia entre fuente y drenador Drenador (D) Compuerta (G) Fuente (S) E al semiconductor aplicando voltaje de compuerta Polisilicio SiO 2 Substrato (B) La corriente de arrastre que fluye entre fuente y drenador se controla variando el voltaje en el electrodo de compuerta

8 Sección Transversal - MOSFET Metalización Óxido de aislamiento contacto Óxido de espaciamiento Compuerta Óxido de compuerta

9 Polarización y Regiones de Operación Desde el punto de vista del potencial de superficie/ V GS Banda plana Acumulación Agotamiento Inversión Inversión débil Inversión fuerte Transistor apagado = Corriente 0 Transistor encendido = Corriente 0 Desde el punto de vista de V DS en comparación con V GS Región de corte Transistor apagado = Corriente 0 Determinado por V GS Región lineal Región de saturación Transistor encendido = Corriente 0

10 Sistema Metal Oxido Semiconductor Metal SiO 2 Semiconductor q M 4.1eV ( Al ) E C 0.95 ev q 4. 05eV E F 8..9 ev E C E i E V E V S El comportamiento del MOSFET se define con base en el POTENCIAL DE SUPERFICIE S, que mide la deformación de bandas del semiconductor en la interfaz con el óxido

11 Banda Plana S : potencial en la interfaz Si-SiO 2, potencial de superficie, medido con respecto a B B : potencial en el semiconductor en zona lejana a la interfaz Si-SiO 2, diferencia entre E i y E F Banda plana: s 0 E C VGS V FB E F B E i E F E V -V FB voltaje necesario para compensar la diferencia de función de trabajo del metal y el semiconductor

12 Acumulación Acumulación: S < 0 V GS 0 E V - huecos se acumulan en la superficie - no se forma canal entre drenador y fuente = transistor inactivo E F E C Drenador Compuerta - Fuente + S B E i E F E V n n+ - p + + Substrato Sin canal MOSFET = Dos diodos en serie en direcciones opuestas I DS 0

13 Agotamiento Agotamiento: 0< S < B 0 V V V V TH = voltaje de umbral (V GS para activar MOSFET) FB GS TH Drenador Compuerta + Fuente - E V n+ + + n p Substrato E F S E C E i E F E V -huecos repelidos de la superficie = empobrecimiento de huecos en la superficie -Transistor aún inactivo = región de subumbral

14 Inversión débil: B < S < 2 B Inversión fuerte: S 2 B V GS V TH Inversión -electrones atraídos a la superficie = concentración de electrones en la superficie iguala concentración de huecos en el substrato superficie de substrato p se comporta como material n E -existe un canal entre drenador y fuente, transistor activo V Drenador Compuerta + Fuente E C E i n n+ S E F E V p E F E F sobre E i = en la superficie es de tipo N Substrato canal Zona de agotamiento

15 Transistores NMOS y PMOS Drenador Compuerta Fuente + - Polisilicio N+ n+ n+ I P Drenador Compuerta Fuente - + Polisilicio P+ p+ p+ I N Substrato Flujo de corriente: de drenador a fuente Drenador es región n+ conectada al potencial más alto Se forma canal tipo N entre drenador y fuente Flujo de corriente debido a electrones Substrato Flujo de corriente: de fuente a drenador Drenador es región p+ conectada al potencial más bajo Se forma canal tipo P entre drenador y fuente Flujo de corriente debido a huecos Desde el punto de vista de fabricación, la fuente y el drenador son intercambiables. Sólo pueden distinguirse después de polarizarlos

16 Simbología del MOSFET Símbolos de tres terminales: substrato conectado a fuente, flecha indica dirección de corriente técnica Si no se usan flechas, un círculo sin rellenar se añade a la compuerta de los transistores PMOS MOSFETs de enriquecimiento (normalmente apagado) MOSFETs de empobrecimiento (normalmente encendido) NMOS PMOS NMOS PMOS

17 Simbología del MOSFET Símbolos de cuatro terminales: flecha en substrato apunta de P a N MOSFETs de enriquecimiento (normalmente apagado) MOSFETs de empobrecimiento (normalmente encendido) NMOS: Substrato P, PMOS: Substrato N, NMOS PMOS canal N canal P

18 Empobrecimiento y Enriquecimiento Enriquecimiento: normalmente inactivo Empobrecimiento: normalmente activo I DS I DS NMOS 0 V th V GS V th 0 V GS V GS 0 V th V GS 0 V th PMOS I DS I DS

19 Voltaje de Umbral Voltaje V GS necesario para causar inversión de la superficie V TH tiene 4 componentes V TH 2 GC B Q C B ox Q C ox ox Diferencia de función de trabajo entre compuerta y canal Voltaje necesario para cambiar el potencial superficial Caída de tensión en la zona de carga espacial Compensación de cargas parásitas en SiO 2 y la interfaz óxido-semiconductor Q B qn A x d 2qN 2qN 2 A Si S A Si B x d : ancho de zona de agotamiento

20 Ecuaciones Características (región de subumbral) En la región de corte (subumbral), V GS < V TH. Idealmente, la corriente es cero. En el caso real, la corriente de subumbral se calcula como I I D D0 I D0 I D e ( V ( VGS V mv GS t TH V ) TH [1 e ) W L V DS / V t ] I D0 W 0.1mA L e ( VGS V mv t TH ) W: ancho de transistor L: longitud de canal V TH : voltaje de umbral V t : voltaje térmico C dep : capacitancia de agotamiento de substrato, C ox : capacitancia de compuerta m 1 C C dep ox O bien, con la pendiente de subumbral S, I D I D0 e ( VGS V mv t TH ) I D0 e ( V GS V S TH )ln10 S d(logi dv GS DS ) 1 ln10v t m Cambio en V GS necesario para una variación de una década en I DS Valor ideal: 60 mv/dec

21 Corriente de Subumbral I DS A T=300K, S= mv/dec; a T = 100 ºC, S=100mV/dec Mayor pendiente I DS vs V GS 10-9 S -1 S, mejor comportamiento de apagado y menor corriente de fuga V GS

22 Ecuaciones Características (región lineal) Corriente de drenador en la región lineal: V GS V TH, V GS -V TH > V DS I D K' W L ( V GS V TH V 2 DS ) V DS K ( V GS V TH V 2 DS ) V DS K' m t OX OX, A 2 V K m t OX OX W L V GS Región lineal V, V TH DS V GS V TH K: parámetro de transconductancia K`= transconductancia del proceso m: movilidad OX : permitividad del SiO 2 = t OX : espesor de óxido D G + S n+ n+ p - B

23 Ecuaciones Características (región de saturación) Corriente de drenador en la región de saturación: V GS V TH, V GS -V TH V DS I I D K' W 2 L ( V GS V TH ) 2 K ( V 2 Modulación de largo de canal D K 2 ' W ( V ) 2 GS VTH L GS (1 V V DS : coeficiente de modulación de canal [V -1 ] TH ) ) 2 D G S + - n n+ p B Modulación de longitud de canal: Estrangulamiento del canal a partir de V DS V DS,SAT = V GS V TH El canal se acorta La corriente en saturación no es constante para un V GS dado, sino depende también de V DS

24 Curvas Características del MOSFET V DS = V GS -V TH Curva característica de salida V GS =V GS4 V TH < V GS2 < V GS3 < V GS4 Modulación de longitud de canal V GS =V GS3 V GS =V GS2 En la región lineal el transistor opera como una resistencia controlada por voltaje V GS =V GS1 < V TH

25 Curvas Características del MOSFET Curva de transferencia Función de transferencia: Salida = f(entrada) Salida : I D Entrada : V GS V TH I D K' 2 W L ( V GS V TH ) 2 K 2 ( V GS V TH ) 2

26 Regiones de Operación V GS V TH, V GS -V TH V DS V DS Corte Saturación V DS = V GS -V TH Subumbral V GS < V TH V GS V TH, V GS -V TH > V DS Lineal V TH V GS

27 Polarización del Substrato Diodos parásitos difusión-substrato deben estar polarizados en inversa Drenador Compuerta Fuente Drenador Compuerta Fuente n+ n+ P p+ p+ N Substrato Substrato NMOS: Substrato debe conectarse al voltaje más bajo del sistema, por ejemplo a tierra (GND). PMOS: Substrato debe conectarse al voltaje más alto del sistema, por ejemplo, a V DD. También como protección ante el efecto de enganche (latch-up)

28 Polarización del Substrato Polarización V BS afecta la tensión de umbral V TH = efecto de substrato (body effect) Drenador Compuerta Fuente Drenador Compuerta Fuente n+ n+ P p+ p+ N Substrato Substrato El efecto se conoce también como sensibilidad de substrato En general, se presenta de manera que aumenta el voltaje de umbral Puede utilizarse para disminuir la corriente de subumbral, por ejemplo, en memorias DRAM

29 Voltaje de Umbral con Efecto de Substrato V B V S cambia el voltaje de umbral Se analiza aquí el caso de un NMOS V TH V ( 2 V 2 TH 0 B BS B ) Voltaje de umbral con V BS =0 Coeficiente de efecto de substrato 2qN C ox A si B Compensación del cambio en la carga en la zona de carga espacial debido a V BS 0 V t N ln n A i

30 Efecto de Substrato I D V BS2 < V BS1 < 0 V BS =0 V BS1 V BS2 V DS V GS -V TH 0 V GS Un voltaje de substrato negativo con respecto al surtidor o bien un voltaje de surtidor positivo con respecto al substrato causan un aumento del voltaje de umbral

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32 Capacitancias del MOSFET D G S C GD C GS C DB C GB C SB Capacitancias del MOSFET limitan su respuesta de frecuencia B Capacitancias del MOSFET Intrínsecas -Independiente de voltaje -Debido a fabricación: ej.: traslapes (C ov ) Extrínsecas -Dependiente de voltaje -Influenciadas por presencia del canal

33 Capacitancias del MOSFET Region de operación C GB C GD C GS Corte C OX W L C OV C OV Lineal C OVB 1/2 C OX W L 1/2 C OX W L Saturación C OVB C OV 2/3 C OX W L p D G + - S n n+ p D G S n+ n+ B Compuerta y substrato aislados por canal Canal conecta compuerta con drenador y fuente B Compuerta y substrato aislados por canal Canal conecta compuerta con fuente

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