Fundamentos del transitor MOSFET
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- Lourdes Godoy Hernández
- hace 8 años
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1 Fundamentos del transitor MOSFET Lección 04.1 Ing. Jorge Castro-Godínez EL2207 Elementos Activos Escuela de Ingeniería Electrónica Instituto Tecnológico de Costa Rica I Semestre 2014 Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 1 / 50
2 Contenido 1 Generalidades 2 3 Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 2 / 50
3 Generalidades (1) Qué es un transitor? Es un dispositivo de al menos 3 terminales. Una de las terminales actua como elemento de control del flujo de corriente entre las otras dos terminales. El transitor MOSFET es escencialmente un condesador MOS con dos junturas pn colocadas de manera adjunta a una región de semiconductor controlada por la compuerta MOS. Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 3 / 50
4 Generalidades (2) MOSFET está basado en el efecto de campo. Se emplea un campo eléctrico para controlar corriente entre dos terminales. Transistor más utilizado, cerca de un 80 % del mercado. Constituye la base de la industria microelectrónica / 1.5 m 1988 / 1.0 m 1991 / 0.8 m 1993 / 0.6 m 1996 / 0.4 m 1998 / 0.25 m 2000 / 0.18 m Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 4 / 50
5 Generalidades (3) El transistor MOSFET es un dispositivo de 4 terminales: compuerta (G), fuente (S), drenador (D) y sustrato (B). Dispositivo unipolar: corriente de condución involucra prácticamente un solo tipo de portador de carga. MOSFET consiste en: 2 regiones semiconductoras fuertemente dopadas separadas por una región semiconductora de tipo de complemetario. un aislante y en electrodo sobre dicha región. Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 5 / 50
6 Generalidades (4) Drenador Compuerta Fuente SiO 2 Polisilicio Substrato Dióxido de silicio Polisilicio + Substrato (Si dopado) Difusión (Si de dopado complementario al substrato) Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 6 / 50
7 Generalidades (5) Compuerta Drenador Fuente Ancho del canal (W) Substrato Dióxido de silicio Polisilicio + Substrato (Si dopado) Largo del canal (L) Difusión (Si de dopado complementario al substrato) X (profundidad de canal) Z (ancho de canal) Y (largo de canal) Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 7 / 50
8 Generalidades (6) Compuerta aislada de la superficie del silicio por SiO 2 Controla la resistencia entre fuente y drenador Drenador (D) Compuerta (G) Fuente (S) E al semiconductor aplicando voltaje de compuerta Polisilicio SiO 2 Substrato (B) Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 8 / 50
9 Generalidades (7) Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 9 / 50
10 Generalidades (7) Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 10 / 50
11 Polarización y Regiones de Operación 1 Desde el punto de vista del potencial de superficie / V GS Transistor apagado Corriente 0 Banda plana Acumulación Agotamiento Inversión débil Transistor encendido Corriente 0 Inversión fuerte 2 Desde el punto de vista de V DS en comparación con V GS Transistor apagado Corriente 0 Región de corte Transistor encendido Corriente 0 Región de saturación. Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 11 / 50
12 Banda plana Generalidades S : potencial en la interfaz Si-SiO 2, potencial de superficie, medido con respecto a B B : potencial en el semiconductor en zona lejana a la interfaz Si-SiO 2, diferencia entre E i y E F Banda plana: s 0 E C VGS V FB E F B E i E F E V -V FB voltaje necesario para compensar la diferencia de función de trabajo del metal y el semiconductor Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 12 / 50
13 Acumulación Generalidades Acumulación: S < 0 0 V GS E V - huecos se acumulan en la superficie - no se forma canal entre drenador y fuente = transistor inactivo E F E C Drenador Compuerta - Fuente + S B E i E F E V n n+ - p + + Substrato Sin canal MOSFET = Dos diodos en serie en direcciones opuestas I DS 0 Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 13 / 50
14 Agotamiento Generalidades Agotamiento: 0< S < B 0 V V V V TH = voltaje de umbral (V GS para activar MOSFET) FB GS TH Drenador Compuerta + Fuente - E V n+ + + n p Substrato E F S E C E i E F E V -huecos repelidos de la superficie = empobrecimiento de huecos en la superficie -Transistor aún inactivo = región de subumbral Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 14 / 50
15 Inversión Generalidades Inversión débil: B < S < 2 B Inversión fuerte: S 2 B V GS V TH -electrones atraídos a la superficie = concentración de electrones en la superficie iguala concentración de huecos en el substrato superficie de substrato p se comporta como material n E -existe un canal entre drenador y fuente, transistor activo V Drenador Compuerta + n Fuente n+ S E C E i E F E V p E F E F sobre E i = en la superficie es de tipo N Substrato canal Zona de agotamiento Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 15 / 50
16 Transistor NMOS Generalidades Flujo de corriente: de drenador a fuente. Drenador es la región n+ conectada al potencial más alto. Se forma canal tipo N entre drenador y fuente Flujo de corriente debido a electrones. Drenador Compuerta Fuente + - Polisilicio N+ n+ n+ I P Substrato Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 16 / 50
17 Transistor PMOS Generalidades Flujo de corriente: de fuente a drenador. Drenador es la región p+ conectada al potencial más bajo. Se forma canal tipo P entre drenador y fuente. Flujo de corriente debido a huecos. Desde el punto de vista de fabricación, la fuente y el drenador son intercambiables. Sólo pueden distinguirse después de polarizarlos. Drenador - Compuerta Polisilicio P+ Fuente p+ p+ I N + Substrato Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 17 / 50
18 Símbolos (1) Símbolos de tres terminales: substrato conectado a fuente, flecha indica dirección de corriente técnica Si no se usan flechas, un círculo sin rellenar se añade a la compuerta de los transistores PMOS MOSFETs de enriquecimiento (normalmente apagado) MOSFETs de empobrecimiento (normalmente encendido) NMOS PMOS NMOS PMOS Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 18 / 50
19 Símbolos (2) Símbolos de cuatro terminales: flecha en substrato apunta de P a N MOSFETs de enriquecimiento (normalmente apagado) MOSFETs de empobrecimiento (normalmente encendido) NMOS: Substrato P, canal N PMOS: Substrato N, canal P NMOS PMOS Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 19 / 50
20 I D vs V GS Generalidades (1) Enriquecimiento: normalmente inactivo Empobrecimiento: normalmente activo I DS I DS NMOS 0 V th V GS V th 0 V GS V GS 0 V th V GS 0 V th PMOS I DS I DS Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 20 / 50
21 I D vs V GS Generalidades (2) Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 21 / 50
22 I D vs V GS Generalidades (3) Curva de transferencia Función de transferencia: Salida = f(entrada) Salida : I D Entrada : V GS V TH Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 22 / 50
23 I D vs V GS Generalidades (4) Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 23 / 50
24 Tensión de umbral V T H Voltaje V GS necesario para causar inversión de la superficie V TH tiene 4 componentes V TH Q GC 2 B C B ox Q C ox ox Diferencia de función de trabajo entre compuerta y canal Voltaje necesario para cambiar el potencial superficial Caída de tensión en la zona de carga espacial Compensación de cargas parásitas en SiO 2 y la interfaz óxido-semiconductor Q B qn A x d 2qN 2qN 2 A Si S A Si B x d : ancho de zona de agotamiento Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 24 / 50
25 Región de subumbral o corte La condición de la región de corte o subumbral se da cuando V GS < V T H. Idealmente para este caso, la corriente es cero. De manera real, se calcula como: I I D D0 I D0 e I ( V D ( VGS VTH ) mv t GS V TH [1 e VDS / Vt ] I D0 W W ) 0.1 A L L e ( VGS VTH ) mv t C dep : capacitancia de agotamiento de substrato, C ox : capacitancia de compuerta W: ancho de transistor L: longitud de canal V TH : voltaje de umbral V t : voltaje térmico C m 1 C dep ox O bien, con la pendiente de subumbral S, I D I D0 e ( VGS VTH ) mv t I D0 e ( VGS VTH )ln10 S d(logi S dvgs DS 1 ) Cambio en V GS necesario para una variación ln10 Vt m de una década en I DS Valor ideal: 60 mv/dec Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 25 / 50
26 (1) Las condiciones de la región lineal: V GS V T H V GS V T H > V DS La corriente de drenador se define como: i D = k W [ (V GS V T H ) V DS V 2 ] DS L 2 i D = k W L ( V GS V T H V ) DS V DS 2 Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 26 / 50
27 (2) Corriente de drenador en la región lineal: V GS V TH, V GS -V TH > V DS I W ' ( V L V V ) V 2 K ( V V 2 DS DS D K GS TH DS GS TH ) V V DS K' t OX OX A, 2 V K t OX OX W L V GS V, V TH DS V GS V TH K: parámetro de transconductancia K`= transconductancia del proceso : movilidad OX : permitividad del SiO 2 = t OX : espesor de óxido D G S + - n n+ p B Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 27 / 50
28 (3) Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 28 / 50
29 (4) Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 29 / 50
30 (5) Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 30 / 50
31 Región satuación (1) Corriente de drenador en la región de saturación: V GS V TH, V GS -V TH V DS K' W ID ( V 2 L I GS V K ) ( V 2 2 TH Modulación de largo de canal D K W ( V 2 L ' 2 GS VTH GS ) (1 V V DS ) 2 TH : coeficiente de modulación de canal [V -1 ] ) D G S + - n n+ p B Modulación de longitud de canal: Estrangulamiento del canal a partir de V DS V DS,SAT = V GS V TH El canal se acorta La corriente en saturación no es constante para un V GS dado, sino depende también de V DS Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 31 / 50
32 Región satuación (2) Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 32 / 50
33 Modulación del canal (1) Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 33 / 50
34 Modulación del canal (2) Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 34 / 50
35 Modulación del canal (3) Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 35 / 50
36 Modulación del canal (4) Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 36 / 50
37 del MOSFET (1) Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 37 / 50
38 del MOSFET (2) Curva característica de salida V DS = V GS -V TH V GS =V GS4 V TH < V GS2 < V GS3 < V GS4 Modulación de longitud de canal V GS =V GS3 V GS =V GS2 En la región lineal el transistor opera como una resistencia controlada por voltaje V GS =V GS1 < V TH Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 38 / 50
39 Regiones operación Generalidades V GS V TH, V GS -V TH V DS V DS Corte Saturación V DS = V GS -V TH Subumbral V GS < V TH V GS V TH, V GS -V TH > V DS Lineal V TH V GS Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 39 / 50
40 Polarización del sustrato (1) Diodos parásitos difusión-substrato deben estar polarizados en inversa Drenador Compuerta Fuente Drenador Compuerta Fuente n+ n+ P p+ p+ N Substrato Substrato NMOS: Substrato debe conectarse al voltaje más bajo del sistema, por ejemplo a tierra (GND). PMOS: Substrato debe conectarse al voltaje más alto del sistema, por ejemplo, a V DD. También como protección ante el efecto de enganche (latch-up) Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 40 / 50
41 Polarización del sustrato (2) Polarización V BS afecta la tensión de umbral V TH = efecto de substrato (body effect) Drenador Compuerta Fuente Drenador Compuerta Fuente n+ n+ P p+ p+ N Substrato Substrato El efecto se conoce también como sensibilidad de substrato En general, se presenta de manera que aumenta el voltaje de umbral Puede utilizarse para disminuir la corriente de subumbral, por ejemplo, en memorias DRAM Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 41 / 50
42 Sustrato y V T H V B V S cambia el voltaje de umbral Se analiza aquí el caso de un NMOS V TH V ( 2 V 2 ) TH 0 B BS B Voltaje de umbral con V BS =0 Coeficiente de efecto de substrato 2qNA si C ox Compensación del cambio en la carga en la zona de carga espacial debido a V BS 0 N B Vt ln ni A Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 42 / 50
43 Efecto del sustrato Generalidades I D V BS2 < V BS1 < 0 V BS =0 V BS1 V BS2 V DS V GS -V TH 0 V GS Un voltaje de substrato negativo con respecto al surtidor o bien un voltaje de surtidor positivo con respecto al substrato causan un aumento del voltaje de umbral Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 43 / 50
44 Análisis de circuitos Generalidades Determine si el existe un canal inducido en el transistor: V GS V T H esto permite establecer si se encuentra encendido o apagado. Si el transistor se encuentra activo, determine si el canal es continuo: V GD > V T H o comprimido: V GD V T H Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 44 / 50
45 (1) Diseñe el circuito para que I D = 0, 4 ma y V D = 0, 5 V. El transistor tiene V T H = 0, 7 V, µ n C ox = 100µA/ V 2, L = 1µm, W = 32µm. Desprecie el efecto de modulación de la longitud del canal. Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 45 / 50
46 (2) Determine el valor de R y V D, de manera que el circuito presente una corriente I D = 80µA. El transistor NMOS presenta V T H = 0, 6 V, µ n C ox = 200µA/ V 2, L = 0, 8µm, W = 4µm. Considere λ = 0. Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 46 / 50
47 (3) Diseñe el circuito para que V D = 0, 1 V. Considere que V T H = 1 V, k n(w/l) = 1 ma/ V 2. Determine la resistencia entre fuente y drenador. Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 47 / 50
48 (4) Determine las tensiones en todos los nodos y las corrientes en todas las ramas del circuito. Considere que V T H = 1 V, k n(w/l) = 1 ma/ V 2, λ = 0 Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 48 / 50
49 (5) Se desea que el transistor del circuito opere en saturación con I D = 0, 5 ma y V D = 3 V. El transistor presenta V T H = 1 V, k n(w/l) = 1 ma/ V 2. Desprecie el efecto de modulación del largo del canal. Cuál es el máximo valor que puede tener R D que permita mantener la operación del transistor en la región de saturación? Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 49 / 50
50 Referencias Bibliográficas I A. Sedra, K. Smith. Circuitos Microelectrónicos. McGraw-Hill, 5ta edición, Jorge Castro-Godínez Fundamentos del transitor MOSFET 50 / 50
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