Tema 5 El Transistor MOS

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1 FUNAMENTO FÍCO Y TECNOLÓGCO E LA NFORMÁTCA Tema 5 El Transisor MO Agusín Álvarez Marquina Esrucura física y polarización del ransisor nmo de acumulación (ource= Fuene) G (Gae= Puera) (rain= renador) (+) (+) ímbolo usrao p nmo G B (Bulk= usrao) es la ensión enre los erminales de puera y fuene. es la ensión enre los erminales del drenador y la fuene. 0/1/010 Tema 5: El Transisor MO

2 Esrucura física y polarización del ransisor pmo de acumulación (rain= renador) G (Gae= Puera) (ource= Fuene) (-) (-) - (+ ) ímbolo p+ p+ usrao n pmo G (+ ) B (Bulk= usrao) es la ensión enre los erminales de puera y fuene. es la ensión enre los erminales del drenador y la fuene. 0/1/010 Tema 5: El Transisor MO 3 Formación del canal en el ransisor MO () Formación del canal (ransisor nmo) Cuando se polariza con una ensión posiiva en puera respeco al susrao de ipo p... Comienza a inducirse un despoblamieno progresivo de huecos en la zona inmediaa a la superficie del semiconducor debajo del óxido de puera. i se sigue aumenando la ensión posiiva en puera... e van acumulando elecrones (minoriarios en el susrao de ipo p) presenes en odo el semiconducor debido a la roura esponánea de enlaces. 0/1/010 Tema 5: El Transisor MO 4

3 Formación del canal en el ransisor MO () Tensión umbral Es la diferencia de poencial enre puera y susrao a la que comienza a formarse el canal. La aplicación de una ensión de polarización suficiene consigue de ese modo inverir la polaridad de la carga habiual en la zona inmediaamene debajo del óxido de puera. 0/1/010 Tema 5: El Transisor MO 5 Tensión umbral del ransisor MO C Transisor nmo 0 aciamieno Huecos Elecrones C Transisor nmo nversión 0 0/1/010 Tema 5: El Transisor MO 6

4 Perfil del canal. Análisis cualiaivo () G = 1 x ( G - )- X usrao p G a B b c d e 3,0-0,0= 3,0 0/1/010 Tema 5: El Transisor MO 7 a b c d e 3,0-0,0= 3,0 3,0-0,0= 3,0 3,0-0,0= 3,0 3,0-0,0= 3,0 Perfil del canal. Análisis cualiaivo () G = 1 usrao p G - x ,5 1 0,5 0,75 0 a B b c d e ( G - )- X 3,0-0,00= 3,00 0/1/010 Tema 5: El Transisor MO 8 a b c d e 3,0-0,5=,75 3,0-0,50=,50 3,0-0,75=,5 3,0-1,00=,00

5 Perfil del canal. Análisis cualiaivo () G = 1 usrao p G - x ,5 5 1,5 3,75 a 0 b B c d e ( G - )- X 3,0-0,00= 3,00 0/1/010 Tema 5: El Transisor MO 9 a b c d e 3,0-1,5= 1,75 3,0-,50= 0,50 3,0-3,75= -0,75 3,0-5,00= -,00 Curvas caracerísicas de los ransisores MO Reflejan la variación de la corriene en función de la ensión para diferenes valores de consanes. 1,8 1,5 (ma) 1, - = Zona lineal Zona de sauración 4 3 0,9 0,6 0, >...> 1 > () 0/1/010 Tema 5: El Transisor MO 10

6 Curvas caracerísicas de los ransisores MO obenidas con Microwind- nmo pmo 0/1/010 Tema 5: El Transisor MO 11 0/1/010 Tema 5: El Transisor MO 1

7 0/1/010 Tema 5: El Transisor MO 13 Modos de operación del ransisor MO y sus ecuaciones () La ecuación (de primer orden o de nivel 1) que permie describir el comporamieno de la corriene con la ensión de un ransisor MO iene la forma siguiene: ( ) es el facor de ganancia del ransisor 0/1/010 Tema 5: El Transisor MO 14

8 Modos de operación del ransisor MO y sus ecuaciones () W ox L Cox - movilidad de los poradores ( n o p ) - permiividad elécrica del medio (io ) ox - espesor de la capa de óxido (io ) W - ancho del canal L - longiud del canal (W/L) - relación de aspeco W L C ox = / ox - capacidad de puera por unidad de área K - facor dependiene del proceso de fabricación usrao W K L W Puera L Óxido fino ox Fuene / renador 0/1/010 Tema 5: El Transisor MO 15 Zonas de funcionamieno del ransisor MO El ransisor MO presena res zonas de funcionamieno: 1. Zona de core o subumbral.. Zona lineal u óhmica (no saurada). 3. Zona de sauración. 0/1/010 Tema 5: El Transisor MO 16

9 Zona de core e produce cuando: 0< < No hay canal formado. por debajo de la ensión umbral. e dice que el ransisor esá en OFF o en core. e caraceriza por: =0 Modelo equivalene: 0< < 0/1/010 Tema 5: El Transisor MO 17 Zona de lineal u óhmica () e produce cuando: < - Recordando la ecuación del ransisor MO, podemos rescribirla de la siguiene manera: ( ) ( 1 ) i asumimos que en esa zona ( /)<< ( - ), la expresión del corchee se puede considerar prácicamene consane, por lo que: 0/1/010 Tema 5: El Transisor MO 18

10 Zona de lineal u óhmica () 1 ( ) K W L ( ce e aquí se concluye que en esa zona el ransisor se compora como una resisencia, pudiéndose deerminar su valor por: 1 ) R L W 1 K( ) ce 0/1/010 Tema 5: El Transisor MO 19 Zona de lineal u óhmica () Modelo equivalene: R n o R p para nmo R n para pmo R p Noa: esa resisencia será ano menor cuano mayor sea la ensión en puera. R L W 1 ce K ( ) 0/1/010 Tema 5: El Transisor MO 0

11 Zona de lineal u óhmica () Un aspeco ineresane a considerar es que la movilidad de los huecos p es nooriamene menor que la de los elecrones n para el silicio. La ganancia será casi res veces menor en un ransisor p con respeco al n. Por ello la resisencia de canal R será casi res veces mayor para las mismas relaciones de aspeco y proceso ecnológico en un ransisor ipo p respeco al ipo n. En resumen, a igual relación de aspeco los ransisores pmo son sensiblemene más resisivos. Más lenos en la conmuación de una capacidad que los nmo. 0/1/010 Tema 5: El Transisor MO 1 Zona de sauración () e produce cuando: > - e caraceriza por: sa =ce Ese comporamieno es una consecuencia de la aparición de un fenómeno conocido como esrangulación del canal o pinch-off. Recordemos porqué se produce. 0/1/010 Tema 5: El Transisor MO

12 Zona de sauración () Analicemos la variación del perfil del canal (disribución de los poradores presenes en el canal) a medida que va aumenando la ensión (caso nmo). G (+) (+) usrao p E G Para > y = 0 B canal n (Perfil horizonal, disribución uniforme de los poradores en oda la longiud del canal) 0/1/010 Tema 5: El Transisor MO 3 Zona de sauración () (Zona lineal u óhmica) G (+) (+) Para > y < ( - ) usrao p E G E E es débil B El perfil del canal se va esrechando en dirección al drenador dado que la inensidad del campo E G se va haciendo menor a medida que nos acercamos al drenador. 0/1/010 Tema 5: El Transisor MO 4

13 Zona de sauración () - (Zona de sauración) G (+) (+) Para > y > ( - ) usrao p E G E E es fuere B En esa zona, a medida que se hace más grande, mayor será la zona esrangulada del canal pero a su vez el campo E será más inenso. Por ano el nivel de corriene se maniene prácicamene consane, es decir, alcanza su nivel de sauración ( sa ). 0/1/010 Tema 5: El Transisor MO 5 Zona de sauración () La línea de separación enre la zona lineal y la zona de sauración se alcanza cuando: ( ) El nivel de corriene será: ( ) ( ) ( ) 0/1/010 Tema 5: El Transisor MO 6 ( ) Ecuación de una parábola ce

14 Zona de sauración () ebido a la reducción efeciva que experimena el canal en la zona saurada, la expresión analíica uilizada para represenar el comporamieno del ransisor MO en esa zona iene la forma: ( sa) ( sa) iendo - facor de modulación de la longiud del canal (0,0-0,005) K 1 ce W L 1 ce 0/1/010 Tema 5: El Transisor MO 7 Zona de sauración () Modelo equivalene. = sa r 0/1/010 Tema 5: El Transisor MO 8

15 Modos de funcionamieno de un ransisor MO. Resumen nmo pmo Modelo elécrico equivalene Zona de core 0< < 0> > < Zona lineal < ( - ) > ( - ) R n o R p = sa Zona de sauración > ( - ) < ( - ) r 0/1/010 Tema 5: El Transisor MO 9 Ecuaciones de un ransisor nmo Zona de core 0< < 0 Zona lineal > < ( - ) ncox W ( ) L Zona de sauración > C W L n ox > ( - ) ( sa) ( ) 1 0/1/010 Tema 5: El Transisor MO 30

16 Ecuaciones de un ransisor pmo Zona de core 0> > 0 Zona lineal < > ( - ) pcox W ( ) L Zona de sauración < C W L p ox < ( - ) ( sa) ( ) 1 0/1/010 Tema 5: El Transisor MO 31