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Los Dispositivos Semiconductores Franco Renato Campana Valderrama

Capítulo 11 El Transistor Transistor de Efecto de Campo Metal-Óxido-Semiconductor

MOSFET


- Dependiendo de la polarización sirve para:

- Amplificación de señales.- Interruptor (aplicaciones digitales).

Puerta (G)Fuente (S)Drenador (D)Sustrato (B)

L: largo del“canal”.W: Ancho del“canal”.

11.- EL TRANSISTOR MOSFET

(W/L): relación dimensional que gobierna la conducción de un transistor MOS.

- Dispositivo de 4 terminales.

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Corte transversal de un MOSFET tipo N:

Corte transversal de un MOSFET tipo P:


http://www.edn.com/photo/265/265747-6709773_fig2.jpg

http://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S1369800198000067-gr6.jpg

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11.3.- Descripción cualitativa del MOSFET

VGS >0: Se crea el canal (capa de inversión)

VGS >0 y VDS >0: Se “ahusa” la regióndel canal del lado del drenador. ID≠0.

Se “extrangula” la región delcanal del lado del drenador y ante un incremento adicionalde VDS, el punto “P” se “desplaza”

Para VDS mayores al anterior


Modos de operación o zonas de trabajo del MOSFET

Tres modos de operación o zonas de trabajo

Zona lineal: Resistor controlado

por tensión

Zona de saturación: Amplificación

Zona de corte: Corriente nula

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Simbología de los MOSFETs N y P:

Con B=S

Con B=S


11.4.- Algunas consideraciones para la deducción de las relaciones I-V del MOSFET

1.- El MOSFET está funcionando en condiciones de estadoestable (DC) y se analizará un MOSFET N.

2.- Ambas junturas están inversamente polarizadas.

3.- Se usará la aproximación de canal gradual: EEEEx >>EEEEy

4.- El óxido y las regiones de deplexión se asumenaislantes perfectos: IG=0 A, IB=0 A

5.- La corriente que atraviesa el canal está compuesta porla suma de las corrientes de arrastre y difusión:

ID=IDarr+IDdif

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Corriente de arrastre IDarr ��(�) = �� ′�∅

��

��(�) = �� ′

��Corriente de difusión IDdif

Corriente total �� = �� ′�∅

��

��

+ �� ′

��

��ó�

Usaremos las cargas halladas en el capítulo anterior paraencontrar la corriente de drenador en:

Inversión fuerte: Corriente de arrastreInversión débil: Corriente de difusión

Donde se encuentran estos corrientes ?


Inversión fuerte:Corriente de arrastre

La corriente aquíes cero ?

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VT

Corriente

de fugas

Inversión débil o región subumbral:

Corriente de difusiónInversión fuerte:

Corriente de arrastre


Para la demostraciones de estas ecuaciones, se les invita a leer el libro (sección 11.4) y estár bien acompañados !

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Ecuaciones características del MOSFET N en la inversión fuerte

OXnn Ck µ=

kn: Transconductancia de proceso.

µn: Movilidad de los electrones en el canal.

Cox: Capacidad del óxido bajo la puerta.

( )

−−= 2

2

1

DSDSTGSnD VVVVL

WkI

Triodo

TGSDS VVV −<

( )2

2

1

TGSnD VVL

WkI −=

Saturación

TGSDS VVV −≥


OXpp Ck µ=

kp: Transconductancia de proceso.

µp: Movilidad de los huecos en el canal.

Cox: Capacidad del óxido bajo la puerta.

( )

−−= 2

2

1

SDSDTSGpD VVVVL

WkI

Triodo

TSGSD VVV −<

( )2

2

1TSGpD VV

L

WkI −=

Saturación

TSGSD VVV −≥

Ecuaciones características del MOSFET P en la inversión fuerte

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DONDE:

L,W: longitud y ancho del canal respectivamente.

Parámetros de diseño:

Parámetros de proceso:

kn(p), µn(p), VT, ro .

El diseñador tiene control de: parámetros de diseño.

El diseñador NO tiene control de: parámetros de proceso.


Ecuaciones aproximadas del MOSFET en la inversión débil

( )tφnVV/0D TGS

eL

WII

−

=

( )1nCμI 2/oxn/0 −= tφ

MOSFET N

( )tφnVV/0D TSG

eL

WII

−

=

( )1nCμI 2/oxp/0 −= tφ

MOSFET P

Importante cuando el MOSFET se usa en circuitosde bajo consumo de corriente.

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Efectos de polarización del sustrato

Qué pasa cuando B≠S ?

El voltaje umbralaumenta !

VT0: Tensión umbral cuando VB=VS.

γ: Coeficiente del efecto cuerpo.

φFp(n): Potencial dependiente del dopaje.

( )FSBFTT VVV φφγ 220

−++=MOSFET N

MOSFET P ( )FnSBFpTT VVV φφγ 22

0−+−=

∅��(�) = ∅�� (�)

��

! =2#$% �(�)

C’ox


Como regla general:Terminal B de un NMOS a la tensión más negativa (tierra o VSS).Terminal B de un PMOS a la tensión más positiva (VDD).

Sino se dice lo contrario, asumir que VB=VS

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11.5.- Algunos efectos de segundo orden del Transistor MOSFET

1.- Modulación de la longitud del canal:

Pendiente: 1/r0


Qué ha pasadocon L y cuál essu repercusiónen la corriente ID ?

( ) ( )DSTHGSnD VVVL

WkI λ+−= 1

2

1 2

λ: Factor de la modulación de la longitud del canal.

VA: Tensión de Early.

ro: Resistencia de salida del MOSFET

&' =(��=1

*��

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Movilidad reducida de los portadores del canal

La movilidad de los portadores es la misma en el canal?

Región de deplexión

Dispersión coulombica en el canal:1) Átomos ionizados de la R.D.2) Cargas atrapadas en el óxido.

Campo eléctrico transversal

Campo eléctricohorizontal


11.6.- MOSFETS COMPLEMENTARIOS: CMOS

Refiere que los dos tipos de MOSFETs pueden estar en un mismo chip: MOSFET N y MOSFET P.

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Capítulo 12 Modelamiento en AC y Efectos

adicionales en el MOSFET


12.2.- Modelo en AC del MOSFET

Modelo circuital pi-híbrido en pequeña señal:

+� ≈ -./0� + -.1/1� + -��/��

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Donde los parámetros a pequeña señal son

Transconductancia de puerta en saturación

Resistencia de salida

-.=234

5678 59= 2��:�(�) ; <⁄ -.= 34

�>?

Inversión fuerte Inversión débil

-.1 = @-.(A+B. @ = 0.1, 0.3) -.1 = � − 1 -.

&'=5H34 =IJ34 -��= I

�KL =�MN47 O?P

I8�MN47 O?P

34>?

Transconductancia de sustrato en saturación


Modelo circuital pi-híbrido en pequeña señal y alta frecuencia:

Cgs(d) : capacidad intrínsecade puerta-surtidor(drenador)

Cgb: capacidad puerta-sustratoCgso(do) : capacidad de traslapede puerta-surtidor(drenador)Csb, Cdb : capacidades dejuntura de surtidor,drenador-sustrato.

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Modelo pi-híbrido completo

Q0�R Suma de las capacidades intrínseca y de traslape.

Q0�R Suma de las capacidades intrínseca y de traslape.

Cuando S=B


Relación entre cgd y cgs en inversión fuerte

fT : Frecuencia a ganancia unitaria.

Q0� + Q0� =-.2STR

TR =� (U% − (R

2S�2

O también

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12.3.- Escalamiento del Transistor MOSFET

Refiere a la reducción de las dimensiones del MOS, basado en reglas de escalamiento.

Propiedad propia del MOSFET.

Siempre se toma como parámetro el L mínimo del canal.

2010: L=70 nm

Este escalamientobusca:

Alta densidad de dispositivospor unidad de área.

L=25 um (1970)

L=0.18 um(2000)

NN

P


Aún así, escalando apropiadamente el dispositivo se tendrán algunos de los siguientes problemas

Efectos de L pequeño

L pequeño

Efectos de carga compartida.

Reducción de la barrera inducido desde el drenador.

Perforamiento.

“La longitud del canal L no es mucho mayor que lasuma de los anchos de las regiones de deplexion deldrenador y surtidor”.

Todo esto se manifiestaen la tensión umbral !

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Corriente de puerta y de sustrato

Región de deplexión

Habrán algunos portadores quelograrán remontar la barrera deenergía del óxido.

EEEEx

Que pasa si el ancho del óxido (tox) es muy pequeño ?

EEEEY

Corriente de puerta IG≠0 A

12.4.- Algunos efectos de Campos Eléctricosde gran magnitud


Y que pasa en la región de deplexión con un VDS muy alto?

Región dedeplexión

EEEE

EEEE

Se logra un fuerte campo horizontal, y los portadores viajanmuy acelerados por este campo en la R.D.

Pequeñaavalancha Huecos

generadospor impacto

hacia el sustrato

Corriente de sustrato IB≠0 A

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NOTA

Las relaciones vistas para la inversión débil, se hicieron conla finalidad de mostrar los diferentes comportamientos delMOSFET.Se advierte al estudiante de pre-grado que, debido a sucomplejidad, estas relaciones son mostradas sólo con finesde lectura, pero no para su posterior demostración.El estudiante de pre-grado sí deberá conocer y en el mejorde los casos, demostrar las relaciones del MOSFET para lainversión fuerte ya que ello le servirá para sus cursosvenideros como el diseño de Circuitos Analógicos.

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