Objetivos. Transistor MOSFET ELEMENTOS ACTIVOS EL-2207 I SEMESTRE 2007

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1 Objetivos Transistor MOFET ELEMENTO ACTO EL07 EMETRE 007 El transistor de efecto de camo MOFET y la tecnología CMO (6 semanas Construcción, símbolo, clasificación. Funcionamiento. Curvas características y olarización. Modelo del MOFET ara alicaciones analógicas. Modelo del MOFET ara alicaciones digitales. Caacitancias internas y modelos de alta frecuencia. Alicaciones: El FET como interrutor: interrutor serie, aralelo, circuito muestreador, circuito multilexor. nversor lógico y comuertas lógicas básicas, configuraciones básicas de amlificadores. El MOFET de canal corto: características y efectos de canal corto Objetivo Conocer el comortamiento y modelado del transistor de efecto de camo MOFET, así como sus rinciales alicaciones. El transistor de efecto de camo MOFET El transistor de efecto de camo MOFET MOFET = Metal Oxide emiconductor Field Effect Transistor Comuerta Princiio de funcionamiento resentado en 195 or Lillienfeld, atente ara MOFET existe desde 198 (Lillienfeld, ero su imlementación fue osible en / 1.5µm 1988 / 1.0µm 1991 / 0.8µm renador Fuente Ancho del canal (W 1993 / 0.6µm 1996 / 0.4µm 1998 / 0.5µm 000 / 0.18µm MOFETs son el tio de transistor más utilizado (más de 80% del mercado y la base de la industria microelectrónica ióxido de silicio Polisilicio (i doado Largo del canal (L ifusión (i de doado comlementario al substrato X (rofundidad de canal Z (ancho de canal Y (largo de canal

2 El transistor de efecto de camo MOFET Princiio de funcionamiento del MOFET El MOFET es un disositivo de 4 terminales: comuerta, fuente, drenador y substrato MOFETs son disositivos UNPOLARE corriente de conducción involucra rácticamente sólo un tio de ortador de carga MOFET consiste en dos regiones semiconductoras fuertemente doadas searadas or una región semiconductora de tio comlementario, un aislante y un electrodo sobre dicha región renador Comuerta Fuente io Polisilicio ióxido de silicio Polisilicio (i doado ifusión (i de doado comlementario al substrato Comuerta aislada de la suerficie del silicio or io E al semiconductor alicando voltaje de comuerta renador ( Comuerta (G Fuente ( io Polisilicio Controla la resistencia entre fuente y drenador La corriente de arrastre que fluye entre fuente y drenador se controla variando el voltaje en el electrodo de comuerta ección n Transversal MOFET istema metalóxido xidosemiconductor Óxido de aislamiento Metalización qφ M = Metal io emiconductor 4.1e ( Al 0.95 e qχ = 4. 05e Óxido de esaciamiento Comuerta contacto Óxido de comuerta 8..9 e E E El comortamiento del MOFET se define con base en el POTENCAL E UPERFCE ψ

3 anda lana Acumulación anda lana: = F Acumulación: ψ < 0 <0 ψ = 0 ψ = φ φ φ : otencial en la interfaz iio ψ : deformación de banda en la suerficie huecos se acumulan en la suerficie no se forma canal entre drenador y fuente = transistor inactivo renador Comuerta Fuente φ E n n F voltaje necesario ara comensar la diferencia de función de trabajo del metal y el semiconductor E in canal MOFET = os diodos en serie en direcciones ouestas 0 Agotamiento nversión Agotamiento: 0< ψ < φ 0 > > > = voltaje de umbral ( ara activar MOFET F renador Comuerta Fuente nversión débil: φ < ψ < φ nversión fuerte: ψ > φ electrones atraídos a la suerficie = concentración de electrones en la suerficie iguala concentración de huecos en el substrato suerficie de substrato se comorta como material n n n huecos reelidos de la suerficie = emobrecimiento de huecos en la suerficie Transistor aún inactivo = región de subumbral E existe un canal entre drenador y fuente, transistor activo renador Comuerta n Fuente canal n Zona de agotamiento sobre = en la suerficie es de tio N E

4 Regiones lineal y de saturación Transistores NMO y PMO Región lineal Región de saturación >, < >, G G n n n n renador Comuerta Fuente Polisilicio N n n P renador Comuerta Fuente Polisilicio P N Estrangulamiento del canal a artir de,at Flujo de corriente: de drenador a fuente renador es región n conectada al otencial más alto e forma canal tio N entre drenador y fuente Flujo de corriente debido a electrones Flujo de corriente: de fuente a drenador renador es región conectada al otencial más bajo e forma canal tio P entre drenador y fuente Flujo de corriente debido a huecos El canal se acorta esde el unto de vista de fabricación, la fuente y el drenador son intercambiables. ólo ueden distinguirse desués de olarizarlos imbología del MOFET ímbolos de tres terminales: substrato conectado a fuente, flecha indica dirección de corriente técnica imbología del MOFET ímbolos de cuatro terminales: flecha en substrato aunta de P a N i no se usan flechas, un círculo sin rellenar se añade a la comuerta de los transistores PMO MOFETs de enriquecimiento (normalmente aagado MOFETs de emobrecimiento (normalmente encendido MOFETs de enriquecimiento (normalmente aagado MOFETs de emobrecimiento (normalmente encendido NMO PMO NMO PMO NMO: P, canal N PMO: N, canal P NMO PMO

5 Emobrecimiento y enriquecimiento oltaje de umbral NMO Enriquecimiento: normalmente inactivo Emobrecimiento: normalmente activo oltaje necesario ara causar inversión de la suerficie tiene 4 comonentes Q = φgc φ C Q C PMO 0 th 0 th th 0 0 th iferencia de función de trabajo entre comuerta y canal Q oltaje necesario ara cambiar el otencial suerficial = qn A x d A Comensación de la carga en la zona de carga esacial = qn ε φ φ = qn ε i s A Comensación de cargas arásitas en io y la interfaz óxidosemiconductor i ψ x d : ancho de zona de agotamiento Ecuaciones características del MOFET Ecuaciones características del MOFET Corriente de drenador en la región de subumbral: < 0 = 0 e = ( ( mt = W L W W 0.1µ A L L Corriente de drenador en la región lineal: >, > = K' ( = ( µ ε K' = t OX OX A, µ ε K = t OX OX W: ancho de transistor L: longitud de canal : voltaje de umbral W L K m = 1 K: transconductancia del roceso µ: movilidad ε OX : ermitividad del io = 3.9ε 0 t OX : esesor de óxido C C de t = voltaje térmico 6m at 300K Corriente de drenador en la región de saturación: >, < K' W = ( L Modulación de longitud de canal K W = ( L K = ( ' λ : coeficiente de modulación de canal [ 1 ] (1 λ Estrangulamiento del canal El canal se acorta La corriente en saturación no es constante ara un dado, sino deende también de = Modulación de longitud de canal

6 Curvas características del MOFET Curvas características del MOFET Curva característica de salida Curva de transferencia = = 4 < < 3 < 4 Modulación de longitud de canal = 3 = En la región lineal el transistor oera como una resistencia controlada or voltaje = 1 < K' W = ( L K = ( Regiones de Oeración Corriente de ubumbral Corriente de drenador en la región de subumbral: < ubumbral aturación = ( mt / t 0 e [1 e ] 0 e ( mt m = 1 C de : caacitancia de agotamiento de substrato, C : caacitancia de comuerta O bien, con la endiente de subumbral, C C de Lineal = 0 e ( mt = 0 e ( ln10 gs d(log = d 1 = ln10 m t Cambio en necesario ara una variación de una década en alor ideal: 60 m/dec A T=300K, = m/dec; a T = 100 ºC, =100m/dec

7 Corriente de ubumbral Polarización n del substrato 10 3 iodos arásitos difusiónsubstrato deben estar olarizados en inversa renador Comuerta Fuente renador Comuerta Fuente 10 6 Mayor endiente vs , mejor comortamiento de aagado y menor corriente de fuga n n P N NMO: debe conectarse al voltaje más bajo del sistema, or ejemlo a tierra (GN. PMO: debe conectarse al voltaje más alto del sistema, or ejemlo, a. También como rotección ante el efecto de enganche (latchu Polarización n del substrato oltaje de umbral con efecto de substrato Polarización afecta la tensión de umbral = efecto de substrato (body effect renador Comuerta Fuente renador Comuerta Fuente oltaje necesario ara causar inversión de la suerficie tiene 4 comonentes = γ ( φ φ 0 n n P N oltaje de umbral con =0 El efecto se conoce también como sensibilidad de substrato En general, se resenta de manera que aumenta el voltaje de umbral Puede utilizarse ara disminuir la corriente de subumbral, or ejemlo, en memorias RAM Coeficiente de efecto de substrato γ = qnaε si C φ = Comensación de la carga adicional en la zona de carga esacial debido a 0 t ni ln N A

8 Efecto de substrato Caacitancias del MOFET < 1 < 0 G =0 1 C G C C G Caacitancias del MOFET limitan su resuesta de frecuencia C C Caacitancias del MOFET 0 Un voltaje de substrato negativo con resecto al surtidor o bien un voltaje de surtidor ositivo con resecto al substrato causan un aumento del voltaje de umbral ntrínsecas ndeendiente de voltaje ebido a fabricación: ej.: traslaes (C ov Extrínsecas eendiente de voltaje nfluenciadas or resencia del canal Caacitancias del MOFET Region de oeración C G C G C Corte C OX W L C O C O Lineal C O 1/ C OX W L 1/ C OX W L aturación C O C O /3 C OX W L G n n G n n Comuerta y substrato aislados or canal Canal conecta comuerta con drenador y fuente Comuerta y substrato aislados or canal Canal conecta comuerta con fuente

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