8/19/2019 Curvas Características Del MOSFET de Vaciamiento

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Práctica No.____________

Curvas características del MOSFET de vaciamiento canal n

Objetivos específicos: El alumno aprenderá a:

· Obtener las curvas características de drenaje del MOSFET de vaciamiento

· Obtener la gráfica de la función de transferencia del MOSFET de vaciamiento.

INTRODUCCION TEORICA.

Análisis de la operación del transistor MOSFET de vaciamiento canal-n.

Los MOSFET son dispositivos de cuatro terminales llamados Source o fuente (S), Drain o denaje(D), Gate

o compuerta (G) y Sustrate o substrato (SS). Sin embargo, el substrato generalmente está conectado

internamente al terminal del fuente, y por este motivo se pueden disponer de dispositivos MOSFET de

tres terminales. La palabra MOSFET es acrónimo de Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor

(significa en castellano transistor de efecto de campo).

Los MOSFET’s se dividen en dos tipos: el de vaciamiento (o decrecimiento, agotamiento, etc.) ycrecimiento (o incremental). Los términos vaciamiento o crecimiento se definen como consecuencia de

los modos de operación, como será explicado más adelante.

La construcción básica de un MOSFET del tipo vaciamiento canal n se esquematiza en las figuras 8.1 y 8.2.

Se forma a partir de una base de material de silicio monocristalino tipo  p al se le denomina sustrato. El

sustrato es el cimiento sobre el que se construirá el dispositivo resultando un dispositivo de cuatro

terminales, como el que aparece en la figura 8.1. Las terminales de fuente y drenaje están unidas entre sí

a través de una región de semiconductor tipo n mediante una zona denominada canal n como se muestraen la misma figura. La compuerta se conecta a una superficie de contacto metálico, pero permanece

aislada del canal n por una capa muy delgada de

pero permanece aislada del canal n por una capa muy delgada de dióxido de silicio. El SiO2 es un tipo

particular de aislante que no permite una conexión eléctrica directa entre la terminal de compuerta y el

canal para el MOSFET; por esta razón, a estos dispositivos se les conoce también como IGFET’s (insulated-

gate field -effect-transistor, transistor de efecto de campo con compuerta aislada ). 

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No existe conexión eléctrica directa entre la terminal de la compuerta y el canal de un MOSFET

La resistencia de entrada de un MOSFET es mucho mayor que la del JFET típico, aún cuando la impedanciade entrada de la mayoría de los JFET sea lo suficientemente alta comparada a la impedancia de entrada

de los BJT’s. De hecho, debido a esta muy alta impedancia de entrada, la corriente de compuerta IG es

esencialmente de cero amperes para las diferentes configuraciones de polarización en cd.

Proceso1 tecnológico para la fabricación del MOSFET. 

Continuación vamos a describir de forma esquemática los pasos del proceso para fabricar un transistor

MOSFET de canal n con compuerta metálica.

Este proceso se lleva a cabo usando la tecnología planar que se puede realizar mediante procesos de

crecimiento epitaxial2  de películas semiconductoras, crecimiento térmico de óxidos, difusión de

impurezas, implantación de iones, fotolitografia y deposición3  de polisilicio de capas dieléctricas y

metálicas.

1 Consiste en una serie de pasos ordenados rigurosamente para la trasferencia del diseño gráfico de un

chip a una oblea de silicio monolítico.2 Es un proceso por medio del cual se hace crecer una capa de material que mantiene una relación definida con

respecto al substrato cristalino inferior. Por ejemplo, partir de una cara de un cristal de material semiconductor, o

sustrato, se hace crecer una capa uniforme y de poco espesor con la misma estructura cristalina que este.3 Depositar.

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ETAPAS DE FABRICACION DE UN MOSFET DE VACIAMIENTOEtapa Vista frontal de la oblea Descripción de la etapa

1 La oblea de partida, silicio monocristalino, tipo p.

2 Se crece la capa de dióxido de silicio (SiO2) térmico.

3

Primer proceso fotolitográfico para la abertura de una

ventana en lo que serán las áreas activas (regiones de

drenaje, compuerta y fuente) por medio de fotolitografia.

  Se aplican varias gotas de photorresist4 (PR) sobre la

oblea y se hace girar a altas rpm para distribuir la

sustancia uniformemente.

  Después del paso de girado, se lleva a la oblea a

horneado para eliminar solventes y mejorar la adhesión

de la película del PR.

4

Se enmascara5 la oblea para proteger de luz UV las zonas

que serán removidas.

Luego se expone a la oblea a luz UV y la capa de PR no

cubierta por el enmascaramiento experimenta un cambio en

sus propiedades químicas (indosubilidad) que se fijan por

medio de un proceso similarmente al revelado en fotografía

5

  Luego se remueve la zona que no recibió la luz por

medio de una solución.

  Finalmente, la oblea es limpiada, secada y horneada

nuevamente tal que la PR pueda resistir el acido fuerte

para atacar la capa de dióxido expuesta

6

Para atacar el SiO2 se usa acido HF debido a que no ataca al

silicio

4 Resina fotosensible es una material sensible a la luz utilizado en varios procesos industriales, tales como la

fotolitografía y fotograbado, para formar un recubrimiento modelado sobre una superficie.5 Máscara. Placa con aberturas que se diseña para producir un patrón de grabación en la capa fotosensible.

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Después de atacar al SiO2  se quita el PR por medio de un

solvente (Acetona) o por oxidación por plasma , dejando el

patrón de aislamiento que es el mismo que la imagen sobre

la mascara.

8 Proceso de difusión de impurezas donadoras se usan paraformar el drenaje, compuerta y fuente

9 Se crece una capa adicional de oxido térmico

10

Segundo proceso de fotolitografia para quitar el oxido que

definirá la región de compuerta.

  Enmascaramiento

  Exposicion a la luz UV

  Revelado

11 Remoción del PR no expuesto

12Remoción de la capa de dióxido de silicio por medio de

ataque quimico.

13Después de atacar al SiO2 

se quita el PR por medio de un solvente (Acetona)

14 Se crece una delgada capa de dióxido de silicio

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15Se inicia el tercer proceso de fotolitografia para remover el

oxido, definir ranuras de contactos para la fuente y drenaje.

16definición de los contactos de fuente

y drenaje.

17 Remover la capa PR

18Se deposita aluminio evaporado sobre toda la superficie

bajo condiciones de alto vacio.

19Se hace el proceso final de fotolitografia para remove la

capa de aluminio para definir el patrón de contactos.

20Definición exacta de contactos en puerta,

fuente y drenador

21Definición exacta de contactos en puerta,

fuente y drenador

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22 Fabricación del dispositivo MOSFET completada.

OPERACIÓN BÁSICA Y CARACTERÍSTICAS.

I) Respuesta de la corriente de drenaje I D con respecto a la variación del voltajeV DS, considerando la compuerta a tierra (V GS = 0 ).

La diferencia de potencial entre compuerta y fuente de la figura 8.3 es cero volts (V GS  = 0 ) al estar

conectadas en común con la terminal del sustrato y la conexión de tierra. Por el lado del circuito de

drenaje se le está aplicando al transistor un voltaje V DD a través de las terminales drenaje-fuente (V DS). El

resultado es que los electrones libres del canal n son arrastrados por esta diferencia de potencial V DS  y

formaran la corriente ID similar a la establecida a través del canal del JFET. En la figura 8.4 se muestra en la

curva característica del funcionamiento del MOSFET de vaciamiento, es decir, la variación de la corriente

resultante ID con respecto a la variación de VDS. Se puede apreciar que la corriente I D  aumenta conforme

el voltaje V DS aumenta (aumentando VDD). Ver Figura 8.3 (b). 

Este comportamiento proporcional se mantendrá a cierto valor donde V DS = V P   (este valor de voltajeprovoca el estrangulamiento del canal). A partir de este valor, los incrementos del voltaje V DS no producen

mayor incremento de la corriente I D . El comportamiento constante del valor de I D  se le llama corriente

de saturación I DSS . 

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Figura 8.3 (b)

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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL SIMULADO I). 

a) Armar el siguiente circuito.

b) Medir el voltaje V DS  y la corriente I D , mientras se incrementa el valor de la fuente V DD  desde 0 hasta 20volts, manteniendo el voltaje V GS  = 0 V.  Anotar sus resultados en la siguiente tabla 

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c) Con los valores de la tabla anterior, realice la gráfica de I D vs V DS . 

d) Analice y comente con los integrantes del equipo, los resultados. Escriba sus conclusiones.

II) Respuesta de la corriente de drenaje I D con respecto a la variación del voltaje

V GS, considerando V DS = a un valor constante.

Independientemente del efecto que provoca el voltajeV DS sobre la resistividad del canal (y su repercusión

en la corriente I D ), por medio del aumento de la zona de vaciamiento, ahora se estudiará el efecto del

voltaje sobre la misma corriente. En la figura 8.5, V GS  tiene  un potencial negativo, tal como  –  1 V. El

potencial negativo en la compuerta producirá un campo eléctrico en dirección substrato-compuerta, tal

que arrastrar a los electrones libres (portadores mayoritarios en el canal n) hacia el sustrato tipo  p y

atraerá a los huecos del sustrato tipo p. Dependiendo del valor de la polarización negativa establecida por

V GS, ocurrirá la recombinación entre electrones y huecos que reducirá el número de electrones libres

disponibles para la conducción en el canal n. Mientras más negativa sea la polarización, mayor será la

velocidad de la recombinación. Por consiguiente el valor de la corriente de drenaje ID se reduce con el

incremento en la polarización negativa para V GS como se muestra en la figura 8.5 para V GS = -1 V, -2 V, y asísucesivamente, hasta el nivel de estrechamiento de -4 V. Los niveles resultantes de la corriente de

drenaje y la gráfica de la curva de transferencia se comportan exactamente de la misma forma que para

el JFET.

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La figura 6.31 muestra la curva obtendría al hacer el experimento de un MOSFET de vaciamiento.

Al igual que en el caso del JFET, bajo las condiciones experimentales W. Shockley dedujo la ecuación que

define la relación entre ID y VGS  en un MOSFET de vaciamiento, la cual en honor a él se llama Ec. De

Shockley:

2

1

 

 

 

 

P

GS

DSSD

V

VII  

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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL SIMULADO II). 

a) Armar el siguiente circuito.

b) Medir el voltaje V DS y la corriente I D, mientras se incrementa el valor de la fuente V DDdesde 0 hasta 20 volts, manteniendo el voltaje V GS= - 3 V. Anotar sus resultados en la siguientetabla: 

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c) Con los valores de la tabla anterior, realice la gráfica de I D vs V DS

d) Analice y comente con los integrantes del equipo, los resultados. Escriba sus conclusiones.