TRANSISTOR MOSFET. Tipos: Canal n y canal p. Uno y otro son complementarios: simétricos y opuestos en cuanto a la polaridad de las tensiones

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1 TRANSISTOR MOSFET MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor Tipos: Canal n y canal p. Uno y otro son complementarios: simétricos y opuestos en cuanto a la polaridad de las tensiones Estructura física y símbolo de un nmosfet: L Óxido (t ox ) W G S D n+ n+ Canal p- B (a GND) Metales Contactos óhmicos Operación S G D n+ n+ W: anchura L: Longitud D(Drain): Drenador G(Gate): Puerta S(Source): Fuente B(Body): Cuerpo o sustrato n+: dopado n fuerte p-: dopado p débil VT: Umbral (Threshold) G D S B G + V GS D S I DS p- B GND V GS >V T : crea canal de conducción V DS >0: crea corriente de conducción I DS Dpto. Tecnología Electrónica SISTEMAS DIGITALES AVANZADOS Caracterización temporal - 53

2 TRANSISTOR MOSFET: ECUACIONES ELÉCTRICAS Tensión umbral, V T : V T = V T0 + γ fv ( SB ) VT0: depende esencialmente de la tecnología, sobre todo de C ox = ε ox /t ox, no de la geometría Valores típicos. entre 0.5 y 1.5 volt en nmosfet de enriquecimiento (enhancement) y entre -1 y -4 volt en nmosfet de empobrecimiento (depletion) γ: coeficiente del efecto sustrato (body effect) I DS V GS =V DS +V T Región de corte (subumbral): ocurre si V GS <V T y en ella, I DS 0 crece Regiones lineal y de transición: ocurre si V GS >V T y V DS < V GS, lineal, V DS pequeña: I DS = β ( V GS V T ) V DS 2 V DS de transición, V DS mayor: I DS = β ( V GS V T ) ( 1+ λ V 2 DS ) λ es la modulación de la longitud de canal Región de saturación: ocurre si V GS >V T y V DS > V GS, I DS ( V GS V T ) 2 = β ( 1 + λ V 2 DS ) Lineal Saturación De transición V GS V DS V GS <V T Corte Transconductancia del proceso: k = μ C ox, donde la movilidad es μ n 2.5 μ p Transconductancia del dispositivo: β = k W/L Dpto. Tecnología Electrónica SISTEMAS DIGITALES AVANZADOS Caracterización temporal - 54

3 Representación y tensiones umbrales: TRANSISTORES nmosfet (enhancement) nmosfet (depletion) pmosfet V Tn < 0 V Tn > 0 V Tp < 0 Comparación entre tipos n y p. La conducción es similar si las transconductancias son iguales: ( β n = β p ) W p L p = 2,5 W n L n A veces se utiliza: K = β n β p = μ n μ p ( W n L n ) ( W p L p ) La intensidad crece conforme aumenta W/L Dpto. Tecnología Electrónica SISTEMAS DIGITALES AVANZADOS Caracterización temporal - 55

4 TRANSISTORES: CAPACIDADES C gd D G C db B C gs C sb S C gb Con buena aproximación, es equivalente a una única capacidad C g C g = C gs + C gb + C gd W L C ox Dpto. Tecnología Electrónica SISTEMAS DIGITALES AVANZADOS Caracterización temporal - 56

5 VALORES DE ALGUNOS PARÁMETROS [Dally98] * Constantes del Si: Parámetro Descripción Tipo n Tipo p ε Si Permitividad del Si 104 af ε SiO2 Permitividad del óxido de Si 34.5 af μ n Movilidad de electrones m 2 /V s μ p Movilidad de huecos m 2 /V s n i Concentración intrínseca m -3 * Valores típicos de un proceso CMOS de 0.35 μm: Parámetro Descripción Tipo n Tipo p V T Tensión umbral V V k Transconductancia del proceso 200 μa/v 2 50 μa/v 2 t ox Anchura del óxido de Gate (puerta) 7 nm λ Modulación de longitud de canal 0.1 V -1 γ Parámetro del efecto Body (cuerpo) 0.3 V 1/2 Dpto. Tecnología Electrónica SISTEMAS DIGITALES AVANZADOS Caracterización temporal - 57

6 Lógicas CMOS CMOS estáticas Redes de conmutación Dinámicas Otras Dpto. Tecnología Electrónica SISTEMAS DIGITALES AVANZADOS Caracterización temporal - 58

7 El inversor CMOS: Operación Estacionaria in V dd W p /L p = 5/1 V I II III W n /L n = 2/1 IV V GND V in Operación ON/OFF pmos V Tn V dd - V Tp nmos V in = 0 = 1 = 0 V in = 1 Región I: p: óhmica n: corte Región II: p: óhmica n: saturación Región III: p: saturación n: saturación Región IV: p: saturación n: óhmica Región V: p: corte n: óhmica Dpto. Tecnología Electrónica SISTEMAS DIGITALES AVANZADOS Caracterización temporal - 59

8 Operación: Operación Dinámica V dd : paso a 1 : paso a 0 I D in in C L C L CL GND V I D Volt V V in V dd - V Tp t PHL t PLH V in V Tn pmos V Tn V dd - V Tp pmos t nmos nmos Dpto. Tecnología Electrónica SISTEMAS DIGITALES AVANZADOS Caracterización temporal - 60

9 Formulación de Parámetros Temporales en MOST En buena parte, los retrasos en puertas CMOS se deben a los tiempos de transición. Expresiones aproximadas para ellos son [ACOS2000]: t f 4C L V dd L n 4C L V dd L p = μ n C ox W n ( V dd V Tn ) 2 t r = μ p C ox W p ( V dd V Tp ) 2 Observaciones de interés: * t r,f crecen proporcionalmente con la carga C L * La subida (t r ) depende de la geometría del pmost, disminuyendo linealmente con W p /L p * La bajada (t f ) depende de la geometría del nmost, disminuyendo linealmente con W n /L n * Subida y bajada se hacen aproximadamente iguales (t r t f ) al compensar las transconductancias de los dispositivos, (β n β p ), haciendo la geometría del pmos 2.5 veces mayor que la del nmos: W p /L p ~ 2.5 W n /L n Dpto. Tecnología Electrónica SISTEMAS DIGITALES AVANZADOS Caracterización temporal - 61

10 Simetrías en los Inversores CMOS in Vdd W p /L p = 5/1 * Son valores típicos en la geometría de un INV estándar simétrico. Se trata de igualar las transconductancias del nmos y del pmos, compensando el que μ n = 2.5 μ p. Para ello se hace W p /L p también 2.5 mayor que W n /L n ; así, se obtiene k = β n /β p ~ 1 W n /L n = 2/1 GND * INV simétrico: umbral en V dd /2, t r ~ t f, MNH ~ MNL V k>1 k =1 k<1 También los INV se pueden hacer asímetricos desplazando V T : ** K > 1: (W n /L n ) > (W p /L p ) permite desplazar V T hacia el 0 ** K < 1: (W n /L n ) < (W p /L p ) permite desplazar V T hacia el 1 V in Así pueden variarse los márgenes de ruído y de los niveles lógicos Dpto. Tecnología Electrónica SISTEMAS DIGITALES AVANZADOS Caracterización temporal - 62

11 Potencia Consumida La potencia (Pw = Energía/Tiempo) se disipa en forma de calor. En general debe ser reducida 1 para evitar los fallos que se producen en los circuitos al aumentar la temperatura 2 para reducir mantenimiento: menos coste y posibilidad de equipos portátiles, autónomos y bioelectrónicos La potencia en circuitos CMOS viene dada por una contribución estática (P leakage ) y dos contribuciones dinámicas (P short-circuit y P switching ): P Total = P leakage P + short circuit + P switching 1 La parte estática es debida a las pérdidas a causa de las corrientes de fuga: 2 P short-circuit es debida al camino resistivo desde Vdd a GND durante la conmutación. Depende de la tecnología, de los tiempos de subida/bajada y de las geometrías de los transistores β P short circuit = (( V 12 dd ( 2 V T )) 3 t t f) (expresión aproximada en un INV simétrico) P leakage = I leakage V dd dispositivos 3 P switching es debida a la carga y descarga de la capacidad de carga C L: 2 P switching media = f C L V dd P leakage es casi despreciable (CMOS no consume en estática) y P switching es la más importante en condiciones normales Dpto. Tecnología Electrónica SISTEMAS DIGITALES AVANZADOS Caracterización temporal - 63

12 PUERTAS CMOS ESTÁTICAS: GENERALIDADES Estructura general: * La estructura de transistores del bloque p es complementaria a la del bloque n: serie paralelo * Mantener características semejantes a la de un INV con geometría W/L: ** transistores en paralelo mantienen W/L ** transistores en serie se hacen con (k W)/L in bloque p bloque n 1 s 0 s Para hacer el análisis lógico basta modelar los transistores como ON/OFF. El bloque p suministra los 1 s de salida y el bloque n los 0 s Pueden construirse Puertas Complejas Dpto. Tecnología Electrónica SISTEMAS DIGITALES AVANZADOS Caracterización temporal - 64