V T V GS V DS =3V =V GS

Transcripción

1 Guía de Ejercicios Nº4 Transistor MOS Datos generales: ε o = 8.85 x F/m, ε r(si) = 11.7, ε r(sio 2) = 3.9 1) En un transistor n-mosfet, a) La corriente entre Source y Drain es de huecos o de electrones? Es de electrones. b) El substrato del transistor está dopado con impurezas donoras o aceptoras? Aceptoras. c) Qué diferencia al terminal Drain del terminal Source? En cuanto a la construcción, no tienen diferencias ya que el dispositivo es perfectamente simétrico. Se puede diferenciar entre Drain y Source una vez asignado un potencial a cada terminal. En el caso de un transistor nmos, quien se encuentre a menor potencial será el source, y quien se encuentre a mayor potencial será el Drain. d) En un n-mosfet que forma parte de un circuito electrónico, cómo se determina cual terminal es el Drain y cuál es el Source? Ver (c). e) Qué sucede en un n-mosfet si se polariza con V B > V S? El bulk es silicio tipo P y el source es silicio tipo N, por lo tanto, su juntura forma un diodo parásito. Para que la corriente en nuestro transistor solamente circule por el canal, se desea que este diodo parásito se encuentre polarizado en inversa, es decir V B < V S. De lo contrario, la corriente de fuga por este transistor puede ser tan grande, que se pierda toda la corriente en el canal. f) En un MOSFET en estado de saturación, La corriente se provoca debido al arrastre o a la difusión de portadores? Es una corriente de arrastre. g) En un MOSFET en estado de corte, La corriente es exactamente cero? Qué fenómenos de fuga existen? Existe una corriente de fuga mayormente del Drain al Bulk, por el diodo parásito antes mencionado que, al estar en polarización inversa, su corriente de fuga es muy pequeña, pero no es exactamente cero. h) La palabra tríodo deriva de 3 nodos, Por qué se llama tríodo al estado de polarización V GS > V T, V GS-V DS > V T? Cuántos nodos intervienen en el control de en estado tríodo y cuantos en saturación? Se le llama triodo porque los tres terminales del dispositivo intervienen en el control de la corriente (Gate, Drain y Source). Por otro lado, cuando se llega al estado de saturación, la dependencia de la corriente con V DS es prácticamente despreciable y el control se hace mediante la tensión de Gate y Source (V GS). i) La tensión V T de un transistor MOSFET, Es realmente constante o en rigor tiene una leve dependencia con V DS? No es constante, pero no depende de V DS sino que depende de V BS. 2) Dado un transistor n-mosfet con μ n = 215 cm 2 V -1 s -1, t ox = 150 Å, V To = 1 V, L = 1.5 μm, W = 30 μm, que tiene aplicadas tensiones V DS = 2 V y V BS = 0 V, a) Calcule el rango de tensiones V GS para los cuales el transistor se encontrará operando en los regímenes de i) corte (cut-off), ii) saturación y iii) lineal (o triodo). V T=V T0=1V porque V BS=0 i) Corte Se cumple que V DS 0. Se quiere V GS =1 V. Y también V GD V DS V GS V DS =3V V GS 1V 1

2 ii) Saturación Se cumple que V DS 0. Se quiere V GS =1V. Y también V GD V DS V GS V DS =3V 1 V V GS iii) Lineal Se cumple que V DS 0. Se quiere V GS =1V. Y también V GD V DS V GS V DS =3V V GS b) Grafique en ={ función de V GS, e indique en el gráfico las regiones de corte, saturación y lineal. 0 siv GS 1V C OX W 2 L V V GS T 2 si 1V V GS W C OX L V V DS GS 2 V DS siv GS c) Explique cómo a partir de una medición experimental de la curva vs. V GS (para V BS = 0 V) puede obtenerse los parámetros k=wμ nc ox/2l y V To del transistor. Luego de las mediciones, se toma la raíz de los valores para obtener el gráfico de una recta. Luego, el valor del cruce de la extrapolación de la recta con el eje de tensiones corresponde a V T, y el valor de la pendiente, corresponde a k. 6) En la Fig. 2 se ilustran un par de curvas vs V DS de un transistor p-mosfet para V BS = 0 V. a) A partir de estas curvas, Cuál es el valor de V to? En el cambio de régimen (lineal a saturación) V SD =V SG Para V SG =1,5V tenemos V SD 0,8V V T 0,7V Corroboramos con otras curvas: Para V SG =2V tenemos V SD 1,3V V T 0,7V 2

3 V T 0,7V b) Estime los parámetros k=wμ nc ox/2l y λ del transistor. En saturación =k V SG 2 k= V SG 2 Corroboramos k= 100 A 1,5V 0,7V =100 A 2 =156,25 A V 2 2 0,64V k= 300 A 2V 0,7V = 300 A =177,51 2 AV 2 2 1,69V k 165 AV 2 Para estimar hace falta extrapolar la recta correspondiente a la zona de 1 saturación. Si la ecuación de la recta es = AV SD B, =V = B SD =0 A Cuánto valen A y B? Dados dos puntos, Aproximadamente, Corroboramos A = A B A= I 2 I 1 V 2 V 1 y B= AV I 150 A 100 A 11,9 AV 1 5V 0,8V B 11,9 AV 1 0,8V 100 A=90,48 A A = 11,9 90,48 V 1 = 0,132 V A 300 A 27,03 AV 1 5 V 1,3 V B 27,03 A V 1 1,3V 300 A=264,86 A = 27,03 264,86 V 1 = 0,102 V 1 0,117V 1 V SG = 2 V V SG = 1.5 V Fig. 2 7) Dado un transistor n-mosfet con parámetros V To = 1 V, N A = cm -3, Φ p = 0.42 V, μ n = 215 cm 2 V -1 s -1, C ox = 2.3 ff/μm 2, y con una tensión aplicada de V DS = 100 mv: a) Para V GS = 1 V y V BS = 0 V, En qué región está operando el transistor? Corte, saturación o lineal? Está operando en el límite entre región de corte y región de saturación. V SD 3

4 V GS =V T =1V y V DS =100 mv V GS =0V b) A partir de la Fig. 3 calcule el parámetro γ ( backgate parameter ) del transistor. V V T 0 = 2 p 2 p = T 0 2 p 2 p 2V 1V 1 V = 2.42V 1/ 2 0,92 V = 1 V 1/ V 1/ 2=0.67V 1/ 2 0,84 V 5V 0,84 V = ID (μa) V BS = V BS = Fig. 3 V GS 11) Dado un transistor n-mosfet con parámetros μ n = 215 cm 2 V -1 s -1, t ox = 150 Å, L = 2 μm, W = 30 μm, L diff = 6 μm, C ov = 0.5 ff/μm, λ = 0.05 V -1, N A = cm -3, V To = 1 V, Φ p = 0.42 V, C jsw 0, C gb 0, en la condición de operación V GS = 1.5 V, V DS = 1.5 V, V BS = 0 V, a) El transistor está operando en la región de corte, saturación o lineal? V BS =0 V T =V T0 =1V V GS y V DS V GS Saturación. b) Calcule el valor de V T y de la corriente de polarización V DSsat =0,5V = n OX 2 t OX W L V GS 2 1 V DS V DSsat = 215cm2 V 1 s ,5 ff cm cm =24,3757 AV ,25 V 2 1,05=97,15 A ,5 V 1V 2 1 0,05V 1 1,5 V 0,5 V c) Calcule los parámetros del modelo de pequeña señal: g m, g mb, r o, C gs, C gd, C sb, C db g m = V Q =2 k V GSQ = AV 2 1,5V 1V = S GS g mb = I D V Q =2 k V GSQ V V T T Q BS V = g m BS 2 2 p = 1 C OX 2 S q N A 1 = 2 11,7 88,5 ff cm 1 1, C cm 3 230nF cm 2 = 1, V 1 / 2 =0.8V 1/ 2 g mb = 0.8V 1 / S = S 2 0,84 V 4

5 g o = V Q =k V GSQ 2 = DS 1 V DSQ V DSsat g o = A 0,05V 1 =4.63 S 1,05 r o = 1 g o = k C gs = 2 3 W L C OX W C ov = m 2 m 230 nf cm 2 30 m 0,5 ff m 1 C gs =92 ff 15 ff=107 ff C gd =W C ov =15 ff C sb =C j C jsw =W L diff q s N A 2 B 2 L diff W C JSW C sb =30 m 6 m 1, C 11,7 88,5 ff cm cm 3 2 0,55 V 0,42 V C sb = cm 2 9, F cm 2 =166,32 ff q C db =C j C jsw =W L s N A diff 2 B V BD 2 L W C diff JSW C db =30 m 6 m 1, C 11,7 88,5 ff cm cm 3 2 0,55V 0,42 V 1,5V C db = cm 2 5, F cm 2 =104,4 ff d) Dibuje el modelo de pequeña señal del transistor e) Compare los valores de g m, r o, C gs, C gd, C sb, C db obtenidos con los respectivos valores suministrados o deducidos a partir de las hojas de datos del BS107 de Infineon Technologies. Qué conclusiones obtiene? V T =1,5V vs V T =1V Si V GS =1,5... la corriente vale cero... no hay g m ni r o Sin embargo podemos llegar a analizar lo siguiente: 5

6 Asumo misma corriente y tambien asumo aproximación lineal cerca del cero. g m = 20 ms 10 ma Si tengo 100 A g m 200 S Input Capacitance: Output Capacitance: C gs =60 pf Reverse Transfer Capacitance: C out =8 pf. A cual representa? C gd =3,5 pf f) Sabiendo que en la actualidad los microprocesadores se construyen con tecnología de L = 45 nm y conservando una relación W/L 3, compare las capacidades de los transistores integrados actuales con las del BS ) Sólo dos de los parámetros que intervienen en el cálculo de la corriente de saturación del MOSFET varían con la temperatura ambiente: μ n(t)=μ n(t o)x(t o/t) 1.5 y V T=V To+α(T-T o), con α>0. Al variar la temperatura con V GS constante, Las variaciones de μ n y V T influyen en en el mismo sentido o en sentido opuesto? Si T aumenta, μ n disminuye y V T aumenta. Si μ n disminuye, disminuye. Si V T aumenta, disminuye. Cambio de ID con la temperatura Tensión (V) Temp 1 Temp Corriente (ua) 6

7 Temperatura k (μa V -2 ) V T (V) T T 2 (>T 1) 100 1,5 7