Electrónica Básica. Gustavo A. Ruiz Robredo Juan A. Michell Mar<n. Tema B.1. El Transistor MOS: Estructura Física y Modelos de Circuito

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1 Electrónica Básica Tema B.1. El Transistor MO: Estructura Física y Modelos de Circuito Gustavo A. Ruiz Robredo Juan A. Michell Mar<n PTO. E ELECTRÓNICA Y COMPUTAORE Este tema se publica bajo Licencia: CreaIve Commons BY- NC- A 3.0

2 Estructura del Transistor NMO Transistor NMO de enriquecimiento: ubstrato Fuente Puerta renador Conductor p n n ubstrato - P Aislante 2

3 Características físicas Transistor NMO ifusiones / Polisilicio io 2 W n n t ox L eff L ubstrato - P L ε ox Leff = L 2 L, Cox = t ox 3

4 Transistor NMO Layout Active N-select P-select Metal 1 Poly 4

5 Transistor NMO Layout Active N-select P-select Metal 1 Poly 5

6 Transistor NMO Layout Active N-select P-select Metal 1 Poly 6

7 Transistor NMO Layout Active N-select P-select Metal 1 Poly G B 7

8 Layout simplificado Transistor NMO a a b W c A s = a b A d = a c P s = 2(ab) P d = 2(ac) L 8

9 Tensión Umbral Intrínseca: V TN0 Formación del canal: V G =V TN0 (V B =0). V G =V TN0 Electrones G B p n n ubstrato - P Iones Negativos V = V 2Φ TN 0 FBN F Φ = F KT q ln 2qε N 2Φ N si C ( ) AUB n i ( ) AUB ox F 9

10 Tensión Umbral Generalizada: V TN Efecto substrato (body): B p V V G G n n V ubstrato - P ( ) VTN = VTN 0 γ n 2Φ F VB 2ΦF VB 0 γ = n 2qε si NAUB C ox ( )

11 Modelo de Gran eñal: Región Lineal Canal formado en toda la superficie V B B p ubstrato - P V V G V I G n n G V G I B V B V V 0 V V > 0 V V V 0 B G TN G TN

12 Características I-V: Región Lineal Modelo Idealizado: I Región Lineal V G2 V G1 V G3 V G4 V G5 V G6 VG VTN V V V G TN W V I ( ) = µ ncox VG VTN V L 2 1 W I = µ C V V 2 L ( ) 2 max n ox G TN V 2 12

13 Características I-V: Región Lineal Resistencia controlada por tensión: 2( ) V V V V >> V G TN G TN I Región Lineal V G4 V G5 V G6 I R W I µ C ( V V ) V L on n ox G TN V I = = 1 µ C W L V V ( ) n ox G TN V G3 V V G2 V

14 Modelo de Gran eñal: Región de aturación Canal parcialmente formado en la superficie: V B B p ubstrato - P V V G V I G n n G V G I B V B V V 0 V V > 0 V V V 0 B G TN G TN

15 Características I-V: Región de aturación Modelo Idealizado: I V G6 Región Lineal Región de aturación V G5 VG VTN V V V G TN V G4 V G3 V G2 V G1 V 1 W I = µ C V V 2 L ( ) 2 n ox G TN

16 Características I-V: Región de aturación Modulación de la longitud del canal: I V G6 Región Lineal Región de aturación V G5 V G4 VG VTN V V V G TN V G3 V G2 1 2 I = µ C W V V 1 λv 2 L V G1 V ( ) ( ) n ox G TN n

17 Modelo de Pequeña eñal en Baja Frecuencia Transistor NMO polarizado, sometido a variaciones de tensión de pequeña señal. V 0 V V G0 V G G V B0 V B B I 0 I 17

18 Modelo de Pequeña eñal en Baja Frecuencia Aproximación de las variaciones de corriente: ΔI gmδ VG gmbδ VB gdsδv Transconductancia: g m I V G V B, V Transconductancia de substrato: g mb I V B V G, V Conductancia drenador-fuente: g ds I V V G, V B 18

19 Modelo de Pequeña eñal en Baja Frecuencia Circuito equivalente: Δ I = gmδ VG gmbδ VB gdsδv G v gs B g m v gs v bs g mb v bs r o i = g v g v g v r = g 1 d m gs mb bs ds ds o ds 19

20 Parámetros de Pequeña eñal en aturación Transconductancia: I W g = = 2µ C I 1 λv V L ( ) m n ox n G Modelo idealizado: W g 2µ C I L m n ox 20

21 Parámetros de Pequeña eñal en aturación Conductancia de salida: 1 I 1 W ( ) 2 ds = o = = µ n ox G TH λn λn V 2 L g r C V V I Transconductancia de substrato: g I γ n gm = = = η g V 2 2Φ V mb n m B F B 21

22 Modelo de Pequeña eñal en Alta Frecuencia Circuito equivalente G B C gd C gs v gs g m v gs g mb v bs r o C gb v bs C sb C db 22

23 Modelo de Pequeña eñal en Alta Frecuencia Capacidades en G: C Región de corte: C = C L C gb g ( eff ) eff gbo = C C W L g ( eff ) ox eff eff = W C gs eff gso C = W C gd eff gdo C Región lineal: = L C gb eff gbo C C = W C 2 g ( eff ) gs eff gso C C = W C 2 g ( eff ) gd eff gdo C Región de saturación = L C gb eff gbo C 2C = W C Cgd = Weff Cgdo 3 g ( eff ) gs eff gso 23

24 Modelo de Pequeña eñal en Alta Frecuencia Capacidades en y : C CA C P = j jsw sb m m ( 1 ( V φ )) j 1 ( V φ ) ( ) B B B B jsw C CA C P = j jsw db m m ( 1 ( V φ )) j 1 ( V φ ) ( ) B B B B jsw 24

25 Transistor PMO Estructura física y símbolo de circuito. V B V V G V I B n G p p V G G V B B V ubstrato - N I Tensión umbral negativa: V < 0, Tensiones de polarización negativas: TP V 0, V 0, V 0 B G 25

26 Transistor PMO Layout Pozo-N N-select Active P-select Poly Metal 1 26

27 Transistor PMO Layout Pozo-N N-select Active P-select Poly Metal 1 27

28 Transistor PMO Layout Pozo-N N-select Active P-select Poly Metal 1 28

29 Transistor PMO Layout Pozo-N N-select Active P-select Poly Metal 1 G B 29

30 Layout simplificado Transistor PMO a a b W c A s = a b A d = a c P s = 2(ab) P d = 2(ac) L 30

31 Transistor PMO: Tensión Umbral Tensión umbral intrínseca: V TP0. 2qε N ( ) 2 si UB ΦF VTP0 = VFBP 2 ΦF Cox KT N ( ) Φ ln UB F = q ni Tensión umbral generalizada: efecto body. ( ) V = V 0 γ 2Φ V 2Φ TP TP p F B F γ = p 2qε si NUB C ox ( ) 31

32 Transistor PMO: Modelo de Gran señal Modelo idealizado en la región lineal: V B B n V V G V I G p p ubstrato - N V V, V V V G TP G TP W 1 I =µ C V V V V L 2 ( ) 2 p ox G TP 32

33 Transistor PMO: Modelo de Gran señal Modelo idealizado en la región de saturación: V B B n V V G V I G p p ubstrato - N V V, V V V G TP G TP 1 W I = µ C V V 2 L ( ) 2 p ox G TP 33

34 Transistor PMO: Modelo de Gran señal Modulación de la longitud del canal en saturación: V B V B n V G V I G p p ubstrato - N V V, V V V G TP G TP 1 I = µ C W V V λ V 2 L ( ) 2 ( 1 ) p ox G TP p 34

35 Modelo de Pequeña eñal en aturación Transconductancia (g m ): g = 2µ C W I 1λ V L ( ) m p ox p Modelo idealizado: W g 2µ C I L m p ox 35

36 Modelo de Pequeña eñal en aturación Conductancia de salida (g o ): 1 1 W ( ) 2 ds = o = µ p ox G TP λp λp g r C V V I 2 L Transconductancia de efecto substrato (g mbs ) : g γ p gm = =η g 2 2Φ V mb p m F B 36

37 Circuito Equivalente de Pequeña eñal en LF Inclusión del efecto substrato: G v gs Modelo simplificado: B g m v gs v bs g mb v bs r o G v gs g m v gs r o 37

38 Circuito Equivalente de Pequeña eñal en HF Inclusión del efecto substrato: G B C gd C gs v gs g m v gs g mb v bs r o C gb v bs C sb C db 38