MASTER DEGREE: Industrial Systems Engineering

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1 PAC- Performance-centered Adaptive Curriculum for Employment Needs Programa ERASMUS: Acción Multilateral LLP BG-ERASMUS-ECUE MASTER DEGREE: Industrial Systems Engineering ASIGNATURA ISE3: Electrónica para Sistemas Industriales (EIS) MÓDULO 1: Principios básicos de circuitos integrados MOS y bipolar y módulos multichip TAREA 1-1: CIRCUITOS INTEGRADOS MOS

2 Contenido TAREA 1-1: CIRCUITOS INTEGRADOS MOS INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS CONTENIDO APARTADO 1: Estructura de los circuitos MOS El transistor MOSFET La tecnología CMOS APARTADO 2: Principio de funcionamiento de los circuitos MOS Funcionamiento de una Estructura MOS Funcionamiento del transistor MOSFET Funcionamiento de la tecnología C-MOS APARTADO 3: Parámetros fundamentales de los circuitos MOS Parámetros fundamentales del transistor MOSFET Modelado del transistor MOSFET según la región de operación APARTADO 4: Características de los CI MOS APARTADO 5: Aplicaciones de los CI MOS en los Sistemas Industriales CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA Y/O REFERENCIAS ENLACES DE INTERÉS Índice de figuras Figura 1. Estructura MOS... 5 Figura 2. Transistor MOSFET Figura 3. Sección transversal de dos transistores en una puerta CMOS Figura 4. Formación de las distintas regiones al aplicar tensión en la compuerta de una estructura MOS con sustrato p Figura 5. Formación del canal en un nmos Figura 6. Transistor en modo lineal Figura 7. Estrangulación del canal en la región de saturación Figura 8. Puerta NOT con tecnología CMOS, A es la entrada y Q la salida Figura 9. Intensidad en función de Vds, para diferentes Vgs Figura 10. Curvas Id- Vds para un microtransistor. Puede apreciarse como se reduce la zona lineal en comparación con un transistor clásico CIRCUITOS INTEGRADOS MOS 2

3 TAREA 1-1: CIRCUITOS INTEGRADOS MOS 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS En este proyecto profundizaremos sobre las características básicas de la tecnología para la elaboración de circuitos integrados MOS. Estudiaremos su estructura, su funcionamiento, sus parámetros y características básicas, así como las aplicaciones para las que son utilizados en los Sistemas Industriales. En primer lugar realizaremos un estudio sobre la estructura de los circuitos integrados MOS, cuyo pilar fundamental es el transistor MOSFET, y profundizaremos en cómo se combinan dichos transistores para hacer surgir la tecnología C-MOS (complementary MOS), presente en prácticamente la totalidad de los circuitos integrados actuales. A continuación explicaremos el principio de funcionamiento de los circuitos integrados MOS, primero del transistor MOSFET, y a continuación de la tecnología C-MOS. En el siguiente apartado trataremos de profundizar más todavía en el funcionamiento de los transistores MOSFET y C-MOS, explicando su operatividad dependiendo de los determinados parámetros que los definen y de sus características particulares. Por último, nos detendremos en las principales aplicaciones que se hacen de los circuitos integrados MOS en los Sistemas Industriales. 2. CONTENIDO 2.1 APARTADO 1: Estructura de los circuitos MOS Los circuitos integrados MOS (Metal-Óxido-Semiconductor en sus siglas en inglés), de aplicación mayoritaria en el campo de la electrónica, están formados por transistores MOSFET y transistores C-MOS, estos últimos no son transistores diferentes, sino una combinación de dos tipos de transistores MOSFET. En primer lugar estudiaremos el transistor MOSFET, para luego a continuación explicaremos como se estructuran estos para formar el transistor C-MOS, ya que esta variante operativa la que forma prácticamente la mayoría de los circuitos integrados de la actualidad El transistor MOSFET CIRCUITOS INTEGRADOS MOS 3

4 El transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor o MOSFET es un transistor que se utiliza para amplificar o conmutar señales electrónicas. A día de hoy es el transistor más utilizado en la industria microelectrónica, tanto en circuitos analógicos como digitales y ha sido el transistor más popular durante las últimas décadas desde que desbancó al transistor bipolar de este puesto. Esto se traduce en que prácticamente la totalidad de los microprocesadores comerciales están basados en transistores MOSFET Breve historia del MOSFET El principio básico de operación de este tipo de transistor fue patentado por primera vez por el austrohúngaro Julius Edgar Lilienfeld en Sin embargo debido a las dificultades encontradas a la hora de elaborar la intercara lisa y libre de defectos entre el sustrato dopado y el aislante, no se lograron fabricar hasta varias décadas después. En 1959, Dawon Kahng y Martin M. (John) Atalla en los Laboratorios Bell inventaron el transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET) como un avance y mejora sobre el diseño del transistor FET patentado. El transistor MOSFET fue creado al colocar una capa aislante en la superficie de un semiconductor y luego colocando un electrodo metálico de compuerta sobre el aislante. Se utiliza silicio cristalino para el semiconductor base, y una capa de dióxido de silicio creada a través de oxidación térmica, que se utiliza como aislante. El MOSFET de silicio no generaba trampas de electrones localizados entre la interfaz, entre el silicio y la capa de óxido nativo, y por este motivo se veía libre de la dispersión y el bloqueo de portadores que limitaba el desempeño de los transistores de efecto de campo anteriores. Después del desarrollo de cuartos limpios para reducir los niveles de contaminación, y del desarrollo de la fotolitografía así como del proceso planar que permite construir circuitos en muy pocos pasos, el sistema Si- SiO 2 obtuvo gran importancia debido a su bajo costo de producción por cada circuito, y la facilidad de integración. Adicionalmente, el método de acoplar dos MOSFET complementarios (de canal N y canal P) en un interruptor de estado alto/bajo, conocido como CMOS, implicó que los circuitos digitales disiparan una cantidad muy baja de potencia, excepto cuando son conmutados. Por estos tres factores, los transistores MOSFET se han convertido en el dispositivo utilizado más ampliamente en la construcción de circuitos integrados La Estructura MOS CIRCUITOS INTEGRADOS MOS 4

5 Los transistores MOSFET, tienen como base fundacional lo que se conoce como estructura MOS. Una estructura MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) es un dispositivo electrónico formado por un sustrato de silicio dopado, sobre el cual se hace crear una capa de óxido (SiO 2 ). Los elementos se contactan con dos terminales metálicas llamadas sustrato y compuerta. La estructura es similar a la de un condensador de placas paralelas, en donde se reemplaza una de las placas por el silicio semiconductor del sustrato, y la otra por un metal, aunque en la práctica se utiliza polisilicio, es decir, policristal de silicio. Figura 1. Estructura MOS Estructura del MOSFET Un transistor MOSFET es una evolución de la estructura MOS, también conocida como condensador MOS. A dicha estructura se le incluirán dos terminales adicionales (surtidor y drenador), cada uno conectado a regiones altamente dopadas que se mantienen separadas del sustrato. Por lo tanto un transistor MOSFET está formado por cuatro terminales llamadas surtidor (S), drenador (D), compuerta (G) y sustrato (B), source, drain, gate y bulk, en inglés, sin embargo el sustrato está generalmente conectado internamente al terminal del surtidor y por ese motivo se pueden encontrar dispositivos de tres terminales, similares a otros transistores de efecto de campo. La compuerta está localizada encima del sustrato y aislada de todas las demás regiones del dispositivo por una capa de dieléctrico, que en el caso del MOSFET es un óxido, como el dióxido Figura 2. Transistor MOSFET. CIRCUITOS INTEGRADOS MOS 5

6 de silicio. Si se utilizan otros materiales dieléctricos que no sean óxidos, el dispositivo es conocido como un transistor de efecto de campo metal-aislantesemiconductor (MISFET). Los otros dos terminales adicionales (surtidor y drenador), están conectados a regiones altamente dopadas separadas una de la otra por la región del sustrato, que a su vez también está fuertemente dopada, pero en este caso en el sentido contrario, esto quiere decir que si el drenador y el surtidor son de semiconductor dopado tipo n, el sustrato lo será del tipo p y viceversa. Dando lugar a los dos tipos básicos de transistores MOSFET, NMOS, en el caso de que el drenador y el surtidor sean tipo n, o PMOS, en el caso contrario La tecnología CMOS La tecnología CMOS, (Complementary metal-oxide-semiconductor) es una de las familias lógicas empleadas en la fabricación de circuitos integrados. Su principal característica consiste en la utilización conjunta de transistores de tipo nmos y tipo pmos configurados de tal forma que, en estado de reposo, el consumo de energía es únicamente el debido a las corrientes parásitas. Dicha tecnología fue desarrollada por Wanlass y Sah, de Fairchild Semiconductor, a principios de los años 60, pero su comercialización se debe a RCA, con la familia lógica CD4000. En la actualidad, la mayoría de los circuitos integrados que se fabrican utilizan la tecnología CMOS. Esto incluye microprocesadores, memorias, procesadores digitales de señales y muchos otros tipos de circuitos integrados digitales cuyo consumo es considerablemente bajo Estructura de los circuitos C-MOS En un circuito CMOS, la función lógica que se quiere sintetizar se implementa por duplicado mediante dos circuitos: uno basado exclusivamente en transistores pmos (circuito de pull-up), y otro basado exclusivamente en transistores nmos (circuito de pull-down). El circuito pmos es empleado para propagar el valor binario 1 (pull-up), y el circuito nmos para propagar el valor binario 0 (pull-down). CIRCUITOS INTEGRADOS MOS 6

7 Figura 3. Sección transversal de dos transistores en una puerta CMOS. Dicha configuración permite ahorrar mucha energía en comparación a utilizar solamente un tipo de transistor, ya que cuando funciona una parte del circuito (pull-up o pull-down), la configuración complementaria permanece desconectada, sin consumir energía. 2.2 APARTADO 2: Principio de funcionamiento de los circuitos MOS Funcionamiento de una Estructura MOS Al aplicar tensión en la compuerta del condensador MOS se crea un campo eléctrico que interactúa con el surtidor dopado desplazando las cargas minoritarias hacia la zona más próxima a la compuerta, generando así una región de inversión, es decir, una zona de dopado opuesto al que poseía originalmente, permitiendo la creación de un canal de conducción Figura 4. Formación de las distintas regiones al aplicar tensión en la compuerta de una estructura MOS con sustrato p. Al aplicar un potencial a través de la estructura MOS, se produce una modificación de las cargas en el semiconductor. Si consideramos por ejemplo un semiconductor de tipo p, al aplicar una tensión positiva entre la compuerta y el sustrato, se genera una región de agotamiento debido a que los huecos cargados positivamente son repelidos de la interfaz entre el aislante de compuerta y el semiconductor. Esto deja CIRCUITOS INTEGRADOS MOS 7

8 expuesta una zona libre de portadores, que está constituida por los iones de los átomos aceptores cargados negativamente. Si la tensión es lo suficientemente alta, una alta concentración de portadores de carga negativos formará una región de inversión localizada en una franja delgada contigua a la interfaz entre el semiconductor y el aislante. Esta región se forma muy lentamente mediante generación térmica en los centros de generación y recombinación de portadores que están en la región de agotamiento. De forma convencional, la tensión de compuerta a la cual la densidad volumétrica de electrones en la región de inversión es la misma que la densidad volumétrica de huecos en el sustrato se llama tensión de umbral. Esta estructura con un sustrato de tipo p es la base de los transistores nmosfet, los cuales requieren el dopado local de regiones de tipo n para el drenador y el surtidor Funcionamiento del transistor MOSFET Un transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET) se su funcionamiento en el control de la concentración de portadores de carga en la estructura MOS existente entre los electrodos del sustrato y la compuerta. A diferencia de lo ocurrido en un condensador MOS, en un transistor MOSFET, el hecho de poseer dos zonas dopadas como son el surtidor y el drenador, hace posible que la formación del canal de conducción sea más rápida y manejable. Formación del canal en un MOSFET La forma como se forma el canal de conducción MOSFET aprovecha el funcionamiento de la estructura MOS, pero incrementa su velocidad de formación al añadirle las dos zonas surtidor y drenador de dopaje contrario al surtidor. La ocupación de las bandas de energía en un semiconductor está determinada por la posición del nivel de Fermi con respecto a los bordes de las bandas de energía del semiconductor. Como se ha descrito anteriormente, y como se puede apreciar en la figura, cuando se aplica una tensión de compuerta suficiente, el borde de la banda de valencia se aleja del nivel de Fermi, y los huecos presentes en el sustrato son repelidos de la compuerta. Cuando se polariza todavía más la compuerta, el borde de la banda de conducción se acerca al nivel de Fermi en la región cercana a la superficie CIRCUITOS INTEGRADOS MOS 8

9 del semiconductor, y esta región se llena de electrones en una región de inversión o un canal de tipo n originado en la interfaz entre el sustrato tipo p y el óxido. Este canal conductor se extiende entre el drenador y el surtidor, y la corriente fluye a través del dispositivo cuando se aplica un potencial entre el drenador y el surtidor. Al aumentar la tensión en la compuerta, se incrementa la densidad de electrones en la región de inversión y por lo tanto se incrementa el flujo de corriente entre el drenador y el surtidor. Figura 5. Formación del canal en un nmos. Para tensiones de compuerta inferiores a la tensión de umbral, el canal no tiene suficientes portadores de carga para formar la zona de inversión, y de esta forma solo una pequeña corriente de subumbral puede fluir entre el drenador y el surtidor. Cuando se aplica una tensión negativa entre compuerta-surtidor (positiva entre surtidor-compuerta) se crea un canal de tipo p en una superficie del sustrato tipo n, de forma análoga al canal n, pero con polaridades opuestas para las cargas y las tensiones. Cuando una tensión menos negativa que la tensión de umbral es aplicada (una tensión negativa para el canal tipo p) el canal desaparece y solo puede fluir una pequeña corriente de subumbral entre el drenador y el surtidor. Dependiendo de la existencia o no de canal de conducción en estado de reposo, se fabrican dos tipos diferentes de transistores MOSFET, estos son los MOSFET de enriquecimiento y los de empobrecimiento. Ambos tipos de transistores están basados en la estructura MOS. MOSFET de enriquecimiento CIRCUITOS INTEGRADOS MOS 9

10 Los MOSFET de enriquecimiento basan su principio de funcionamiento en la creación de un canal de conducción entre el drenador y el surtidor al aplicar una tensión en la compuerta. La tensión de la compuerta provoca la atracción de portadores minoritarios hacia la zona contigua a la compuerta, creando una región de inversión, es decir, una zona con dopado opuesto al que poseía originalmente, permitiendo la creación de un canal de conducción entre el drenador y el surtidor. El término enriquecimiento hace referencia al incremento de la conductividad eléctrica debido a un aumento de la cantidad de portadores de carga en la región correspondiente al canal. El canal puede formarse con un incremento en la concentración de electrones (en un nmos), o huecos (en un pmos). De este modo un transistor nmos se construye con un sustrato tipo p y tiene un canal de tipo n, mientras que un transistor pmos se construye con un sustrato tipo n y tiene un canal de tipo p. MOSFET de empobrecimiento Los MOSFET de empobrecimiento se diferencian de los anteriores en que poseen un canal conductor en su estado de reposo, que se hace desaparecer aplicando tensión eléctrica en la compuerta, lo cual ocasiona una disminución de la cantidad de portadores de carga y por lo tanto una disminución de la conductividad. Modos de operación Se da otra peculiaridad en el funcionamiento de los transistores MOSFET, esta es la variación del modo de operación dependiendo de las tensiones aplicadas en los terminales correspondientes. La operatividad de un transistor MOSFET se puede dividir en tres regiones diferentes de operación que son : región de corte, región lineal y región de saturación. Región de corte Esta región se produce cuando la tensión aplicada entre la compuerta y el surtidor no supera una tensión mínima llamada tensión de umbral. CIRCUITOS INTEGRADOS MOS 10

11 En esta región el transistor se encuentra apagado, no existe conducción entre el surtidor y el drenador de modo que el MOSFET se comporta como un interruptor abierto. Un modelo más exacto considera el efecto de la energía térmica descrita por la distribución de Boltzmann para las energías de los electrones, en donde se permite que los electrones con alta energía presentes en el surtidor ingresen al canal y fluyan hacia el drenador. Esto ocasiona que exista una corriente llamada corriente de subumbral, que posee una relación exponencial con la tensión entre la compuerta y el surtidor. Región lineal Esta región ocurre cuando la tensión aplicada entre la compuerta y el surtidor es mayor que la tensión umbral, y a su vez la aplicada entre el drenador y el surtidor es menor que la diferencia entre la tensión entre la compuerta y el surtidor y la tensión umbral. Es decir: V GS > V th y V DS < ( V GS V th ) Al polarizarse la puerta con una tensión mayor que la tensión de umbral, se crea una región de agotamiento en la región que separa la fuente y el drenador. Si esta tensión crece lo suficiente, aparecerán portadores minoritarios (huecos en pmos, electrones en nmos) en la región de agotamiento, que darán lugar a un canal de conducción. El transistor pasa entonces a estado de conducción, de modo que una diferencia de potencial entre fuente y drenador dará lugar a una corriente. El transistor se comporta como una resistencia controlada por la tensión de compuerta. Figura 6. Transistor en modo lineal. CIRCUITOS INTEGRADOS MOS 11

12 Región de saturación Cuando la tensión entre drenador y el surtidor supera a la diferencia entre la tensión de la compuerta y el surtidor y la tensión umbral, el canal de conducción bajo la puerta sufre un estrangulamiento en las cercanías del drenador y desaparece. La corriente entre fuente y drenador no se interrumpe, ya que es debido a l c a m p o e l é Figura c 7. Estrangulación del canal en la región de saturación. t rico entre ambos, pero se hace independiente de la diferencia de potencial entre ambos terminales. En esta región el transistor se comporta como un interruptor cerrado Funcionamiento de la tecnología C-MOS Como hemos indicado anteriormente, la tecnología C-MOS consiste en implementar una función lógica dividida en dos: una directa basada en transistores nmos y su complementaria implementada con pmos. Para su mejor comprensión explicaremos el funcionamiento de una Figura 8. Puerta NOT con tecnología CMOS, A es la entrada y Q la salida. CIRCUITOS INTEGRADOS MOS 12

13 puerta lógica NOT o puerta inversora. - Cuando la entrada es 1, el transistor nmos no está en estado de conducción. Al estar su drenador conectado a la alimentación (1), el valor 1 no se propaga al drenador y por lo tanto a la salida de la puerta lógica. El transistor pmos, por el contrario, está en estado de conducción y es el que propaga un '0' a la salida. - Cuando la entrada es 0, el transistor pmos no está en estado de conducción. Al estar su fuente conectada a tierra (0), el valor 0 se propaga al drenador y por lo tanto a la salida de la puerta lógica. El transistor nmos, por el contrario, está en estado de conducción y es el que propaga un '1'a la salida. Dicha implementación se realiza para cualquier tipo de función lógica digital. 2.3 APARTADO 3: Parámetros fundamentales de los circuitos MOS Como la tecnología MOS basa su funcionamiento en el transistor MOSFET, los parámetros que definen su funcionamiento serán los básicos de dicha tecnología, así será el único elemento tratado en este apartado Parámetros fundamentales del transistor MOSFET Un transistor MOSFET, se podría modelizar como una fuente de intensidad controlada por tensión, ahora bien, como hemos indicado en el apartado anterior, los transistores MOSFET poseen diversas regiones de funcionamiento, en las cuales varía el comportamiento del dispositivo. En cada región existe una modelización diferente debido al diferente comportamiento, y adoptan mayor importancia unos parámetros en lugar de otros que la poseen en otra región, primero haremos un resumen de todos los parámetros que adquieren importancia en su funcionamiento y acto seguido explicaremos mediante sus leyes de funcionamiento la importancia que adquieren cada uno. Los parámetros más importantes que rigen el comportamiento de la intensidad un transistor MOSFET son los siguientes: VARIABLES - Vgs y Vds: Vgs es la que se aplica entre la compuerta y el drenador, Vds es la tensión que se aplica entre el drenador y la fuente, ambas son regulables por el usuario. CIRCUITOS INTEGRADOS MOS 13

14 - Ids: Es la variable de salida del sistema. Es la intensidad que circula por el canal, varía su comportamiento dependiendo de la región de funcionamiento. CONSTANTES - Vth: Es la tensión de umbral, Cuando aplicamos una tensión Vgs menor que esta tensión, el transistor permanece apagado, luego Ids será aproximadamente igual a 0, si Vgs es mayor que Vth el transistor entrará en alguna de las dos zonas activas (lineal o saturación), en las que Ids es mayor que 0. - W: Es el ancho de compuerta. - L: Es la longitud del canal - Cox: Es la capacitancia que surge debida a la capa de óxido y el sustrato. Está situada entre el surtidor y el drenador. - Co: Es la capacitancia de la región de agotamiento. - : es la movilidad efectiva de los portadores de carga - Vt = kt/q que es el voltaje térmico Modelado del transistor MOSFET según la región de operación Como indicamos en el anterior apartado, existen 3 regiones fundamentales de operación de los transistores MOSFET, que son la región de corte, la región lineal y la región de saturación. Dependiendo de las variables CIRCUITOS INTEGRADOS MOS 14 Figura 9. Intensidad en función de Vds, para diferentes Vgs

15 de entrada aplicadas el transistor operará en una de estas tres regiones, a continuación detallaremos las leyes físicas que describen su funcionamiento y como afectan los parámetros en cada una de las regiones.. Para un transistor NMOS de enriquecimiento se tienen las siguientes regiones: Región de corte Cuando V GS < V th Como indicamos en el apartado anterior en esta región el MOSFET se comporta como un interruptor abierto en el modelo más simple. Sin embargo en un modelo más realista en esta zona se ocasiona una corriente de subumbral que está descrita por la siguiente expresión: en donde I D0 es la corriente que existe cuando V GS = V th, Región lineal Cuando V GS > V th y V DS < ( V GS V th ) El comportamiento en esta región no es exactamente lineal y la corriente entre el drenador y el surtidor es modelada por medio de la ecuación: Región de saturación Cuando V GS > V th y V DS > ( V GS V th ) En esta región el transistor actúa como una fuente de intensidad independiente de la diferencia de potencial aplicada, y su comportamiento se modela con la siguiente ecuación: CIRCUITOS INTEGRADOS MOS 15

16 Estas ecuaciones son un modelo sencillo de funcionamiento de los transistores MOSFET, pero no tienen en cuenta un buen número de efectos de segundo orden, como por ejemplo: - Saturación de velocidad: La relación entre la tensión de puerta y la corriente de drenador no crece cuadráticamente en transistores de canal corto. - Efecto cuerpo o efecto sustrato: La tensión entre fuente y sustrato modifica la tensión umbral que da lugar al canal de conducción - Modulación de longitud de canal. 2.4 APARTADO 4: Características de los CI MOS Características más importantes del MOSFET Las dimensiones del transistor MOSFET Dos de los parámetros más importantes en un transistor MOSFET son la longitud del canal (L) y el ancho de la compuerta (W). En el proceso de fabricación se puede modificar el comportamiento eléctrico del dispositivo variando cualquiera de estos dos parámetros. Como hemos apreciado en el apartado anterior, la intensidad de salida del transistor MOSFET depende de dichos parámetros. Figura 10. Curvas Id- Vds para un microtransistor. Puede apreciarse como se reduce la zona lineal en comparación con un transistor clásico. CIRCUITOS INTEGRADOS MOS 16

17 Además, la longitud del canal denomina la tecnología con la cual fue fabricado el componente electrónico. Esto quiere decir que un transistor fabricado con tecnología de 45nm es un transistor cuya longitud de canal es de 45nm. Los MOSFET pequeños son deseables por varias razones. El motivo principal la reducción del tamaño de los transistores ya que de esta manera se pueden incluir cada vez más dispositivos en la misma área de un circuito integrado. Esto da lugar a circuitos con la misma funcionalidad pero en áreas más pequeñas, o bien circuitos con más funcionalidades en la misma área. Debido a que los costes de fabricación para una oblea de semiconductor son relativamente estables, el costo por cada circuito integrado que se produce está relacionado principalmente con el número de circuitos que se pueden producir por cada oblea. De esta forma, los circuitos integrados pequeños permiten integrar más circuitos por oblea, reduciendo el precio de cada circuito. De hecho, a lo largo de las últimas tres décadas el número de transistores por cada circuito integrado se ha duplicado cada dos o tres años, cada vez que un nuevo nodo de tecnología es introducido. Esta duplicación de la densidad de integración de transistores fue observada por Gordon Moore en 1965 y es conocida como la Ley de Moore. Otra ventaja de la reducción de tamaño es que se al reducir el tamaño se consigue que los transistores conmuten más rápido. Por ejemplo, si reducimos proporcionalmente la longitud, el ancho y el espesor de la capa de óxido por un factor de aproximadamente 0.7 por cada nodo, de esta forma, la resistencia del canal del transistor no cambia con la reducción, mientras que la capacitancia de la compuerta se reduce por un factor de 0.7. De modo que la constante de tiempo del circuito RC también se reduce por un factor de 0.7 Sin embargo estas características, que se han ido cumpliendo tradicionalmente en las tecnologías antiguas, en los transistores de las generaciones recientes, la reducción de las dimensiones del transistor no implica necesariamente que la velocidad de los circuitos se incremente, debido a que el retardo inducido por las interconexiones se vuelve cada vez más importante Dificultades a la hora de reducir el tamaño del MOSFET Históricamente, las dificultades de reducir el tamaño del MOSFET se han debido únicamente al proceso de fabricación de los dispositivos semiconductores, sin embargo, la necesidad de utilizar tensiones cada vez más bajas, y con menor desempeño eléctrico, han requerido del rediseño de los circuitos y de la innovación, ya que el comportamiento a pequeña escala CIRCUITOS INTEGRADOS MOS 17

18 difiere notablemente al de gran escala en los dispositivos. Por ejemplo los MOSFETs pequeños presentan mayor corriente de fuga así como una impedancia de salida más baja. Producir MOSFETs con longitudes de canal mucho más pequeñas que un micrómetro es todo un reto, y las dificultades de la fabricación de semiconductores son siempre un factor que limita el avance de la tecnología de circuitos integrados. En los años recientes, el tamaño reducido del MOSFET, más allá de las decenas de nanómetros, ha creado diversos problemas operacionales. Algunos de los factores que limitan la reducción del tamaño del MOSFET son las siguientes: - Aumento de la corriente de subumbral - Aumento en las fugas compuerta-óxido - Aumento en las fugas de las uniones surtidor-sustrato y drenadorsustrato - Reducción de la resistencia de salida - Reducción de la transconductancia - Capacitancia de interconexión - Producción y disipación de calor - Variaciones en el proceso de fabricación - Retos en el modelado matemático Ventajas con respecto a los transistores bipolares La principal aplicación de los MOSFET está en los circuitos integrados PMOS, NMOS y CMOS, debido a las siguientes ventajas de los transistores de efecto de campo con respecto a los transistores bipolares: - Consumo en modo estático muy bajo. - Tamaño muy inferior al transistor bipolar (actualmente del orden de media micra). - Gran capacidad de integración debido a su reducido tamaño. - Funcionamiento por tensión, son controlados por voltaje por lo que tienen una impedancia de entrada muy alta. La intensidad que circula por la puerta es del orden de los nanoamperios. - Los circuitos digitales realizados con MOSFET no necesitan resistencias, con el ahorro de superficie que conlleva. - La velocidad de conmutación es muy alta, siendo del orden de los nanosegundos. - Cada vez se encuentran más en aplicaciones en los convertidores de alta frecuencias y baja potencia. CIRCUITOS INTEGRADOS MOS 18

19 2.4.2 Particularidades de la tecnología C-MOS Debido a que la función lógica implementada en tecnología C-MOS se constituye de transistores pmos y nmos, poseen las mismas características que los ya descritos en el transistor MOSFET, sin embargo la tecnología C- MOS presenta ventajas e inconvenientes particularizados Ventajas e inconvenientes Ventajas La familia lógica tiene una serie de ventajas que la hacen superior a otras en la fabricación de circuitos integrados digitales: - El bajo consumo de potencia estática, gracias a la alta impedancia de entrada de los transistores de tipo MOSFET y a que, en estado de reposo, un circuito CMOS solo experimentará corrientes parásitas. Esto es debido a que en ninguno de los dos estados lógicos existe un camino directo entre la fuente de alimentación y el terminal de tierra, o lo que es lo mismo, uno de los dos transistores que forman el inversor CMOS básico se encuentra en la región de corte en estado estacionario. - Gracias a su carácter regenerativo, los circuitos CMOS son robustos frente a ruido o degradación de señal debido a la impedancia del metal de interconexión. - Los circuitos CMOS son sencillos de diseñar. - La tecnología de fabricación está muy desarrollada, y es posible conseguir densidades de integración muy altas a un precio mucho menor que el de otras tecnologías. Inconvenientes Algunos de los inconvenientes son los siguientes: - Debido al carácter capacitivo de los transistores MOSFET, y al hecho de que estos son empleados por duplicado en parejas nmos-pmos, la velocidad de los circuitos CMOS es comparativamente menor que la de otras familias lógicas. - La sensibilidad a las cargas estáticas. Históricamente, este problema se ha resuelto mediante protecciones en las entradas del circuito. Pueden ser diodos en inversa conectados a masa y a la alimentación, que, además de proteger el dispositivo, reducen CIRCUITOS INTEGRADOS MOS 19

20 los transitorios o zener conectados a masa. Este último método permite quitar la alimentación de un solo dispositivo. - Son vulnerables a latch-up: Consiste en la existencia de un tiristor parásito en la estructura CMOS que entra en conducción cuando la salida supera la alimentación. Esto se produce con relativa facilidad debido a la componente inductiva de la red de alimentación de los circuitos integrados. El latch-up produce un camino de baja resistencia a la corriente de alimentación que acarrea la destrucción del dispositivo. Siguiendo las técnicas de diseño adecuadas este riesgo es prácticamente nulo. Generalmente es suficiente con espaciar contactos de sustrato y pozos de difusión con suficiente regularidad, para asegurarse de que está sólidamente conectado a masa o alimentación. - Según se va reduciendo el tamaño de los transistores, las corrientes parásitas empiezan a ser comparables a las corrientes dinámicas (debidas a la conmutación de los dispositivos). - El comportamiento de la estructura MOS es sumamente sensible a la existencia de cargas atrapadas en el óxido. Una partícula alfa o beta que atraviese un chip CMOS puede dejar cargas a su paso, cambiando la tensión umbral de los transistores y deteriorando o inutilizando el dispositivo. Por ello existen circuitos "endurecidos" (Hardened), fabricados habitualmente en silicio sobre aislante (SOI). 2.5 APARTADO 5: Aplicaciones de los CI MOS en los Sistemas Industriales Aplicaciones del transistor MOSFET La forma más habitual de emplear transistores MOSFET es en circuitos de tipo CMOS, consistentes en el uso de transistores PMOS y NMOS complementarios. Las aplicaciones de MOSFET discretos más comunes son: - Resistencia controlada por tensión. - Circuitos de conmutación de potencia (HEXFET, FREDFET, etc.). - Mezcladores de frecuencia, con MOSFET de doble puerta Aplicaciones de la tecnología CMOS La tecnología CMOS es de amplísima aplicación en el día de hoy. Es la base principal de la electrónica debido a la excelente capacidad de CIRCUITOS INTEGRADOS MOS 20

21 compactación. En electrónica digital la mayor parte de los circuitos integrados cuentan con esta tecnología, es decir, procesadores, tarjetas gráficas, memorias, placas base, etc. Además por su reducido consumo, es aplicada para la elaboración de circuitos integrados de elementos portátiles, que de otra manera por su elevado consumo no permitiría su uso continuado por mucho tiempo. Además de su utilización en la electrónica digital, también son utilizados en la elaboración de circuitos analógicos debido a dos características importantes como son: la alta impedancia de entrada y la baja resistencia de canal. Como la compuerta de un transistor MOS viene a ser un pequeño condensador no se necesita una corriente de polarización, así para que un transistor funcione solamente se necesita una tensión de polarización. Un MOS saturado se comporta como una resistencia cuyo valor depende de la superficie del transistor. Es decir, que si se le piden corrientes reducidas, la caída de tensión en el transistor llega a ser muy reducida. Estas características posibilitan la fabricación de amplificadores operacionales "Rail-to-Rail", en los que el margen de la tensión de salida abarca desde la alimentación negativa a la positiva. También es útil en el diseño de reguladores de tensión lineales y fuentes conmutadas. 3. CONCLUSIONES A través de la realización de este trabajo hemos podido comprender la importancia de los circuitos integrados MOS, tanto en los sistemas industriales como en los otros campos económicos y sociales. La tecnología MOS, debido a sus propiedades, constituye la piedra angular de la microelectrónica actual, y dado que los dispositivos electrónicos inundan la práctica totalidad de los campos a día de hoy, le confiere un papel imprescindible. Además de la importancia de los circuitos integrados MOS, hemos aprendido los principios de funcionamiento de éstos, haciendo especial hincapié en los principios de funcionamiento del transistor MOSFET, que es el elemento básico de construcción de todos los circuitos MOS. Así mismo también hemos descubierto como se implementan los circuitos construidos con la familia lógica CMOS, y como dicho ingenio ha supuesto un importante avance debido al limitado consumo de los desarrollados con esta tecnología, mostrándose especialmente útil a la hora de desarrollar dispositivos portátiles. CIRCUITOS INTEGRADOS MOS 21

22 Por lo tanto la conclusión es que tanto la invención como el desarrollo de la tecnología MOS aumentando la velocidad de computación, la capacidad de las memorias así como consiguiendo reducir cada vez más el tamaño de los dispositivos, ha supuesto un gran paso adelante en el uso y disfrute de los aparatos electrónicos, que como es sabido nos facilitan enormemente la vida. 4. BIBLIOGRAFÍA Y/O REFERENCIAS [1]A. Agarwall, J. H. Lang, Fundations of analog and digital electronic circuits. Ed Morgan Kaufmann [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] 5. ENLACES DE INTERÉS [1] [2] CIRCUITOS INTEGRADOS MOS 22