FUNDAMENTOS FÍSICOS Y TECNOLÓGICOS DE LA INFORMÁTICA
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Tema 5
“El Transistor MOS”
Agustín Álvarez Marquina
02/12/2010 Tema 5: “El Transistor MOS” 2
B (Bulk= Sustrato)
S (Source= Fuente) D (Drain= Drenador)G (Gate= Puerta)
Estructura física y polarización del transistor nMOS de acumulación
Símbolo
Vgs es la tensión entre los terminales de puerta y fuente.
Vds es la tensión entre los terminales del drenador y la fuente.
S
G
D
nMOSnMOS
n+
Sustrato p
n+
(+Vgs)Ids
(+Vds)
02/12/2010 Tema 5: “El Transistor MOS” 3
G (Gate= Puerta) S (Source= Fuente)
(+VDD)
B (Bulk= Sustrato)(+VDD)
D (Drain= Drenador)
Estructura física y polarización del transistor pMOS de acumulación
Símbolo
S
G
D
pMOSpMOS
p+
Sustrato n
p+
(-Vgs)
-Ids
(-Vds)
Vgs es la tensión entre los terminales de puerta y fuente.
Vds es la tensión entre los terminales del drenador y la fuente.
02/12/2010 Tema 5: “El Transistor MOS” 4
Formación del canal en el transistor MOS (I)
Formación del canal (transistor nMOS)
Cuando se polariza con una tensión positiva en puertarespecto al sustrato de tipo p...
Comienza a inducirse un despoblamiento progresivo dehuecos en la zona inmediata a la superficie delsemiconductor debajo del óxido de puerta.
Si se sigue aumentando la tensión positiva en puerta...
Se van acumulando electrones (minoritarios en elsustrato de tipo p) presentes en todo el semiconductordebido a la rotura espontánea de enlaces.
02/12/2010 Tema 5: “El Transistor MOS” 5
Formación del canal en el transistor MOS (II)
Tensión umbral Vt
Es la diferencia de potencial entre puerta y sustrato a laque comienza a formarse el canal.
La aplicación de una tensión de polarización suficienteconsigue de este modo invertir la polaridad de la cargahabitual en la zona inmediatamente debajo del óxido depuerta.
02/12/2010 Tema 5: “El Transistor MOS” 6
Tensión umbral del transistor MOS
Electrones
Huecos
Transistor nMOSVDC
Transistor nMOS
Inversión
Vaciamiento
VDC
0
Vt
0
Vt
0
Vt
0
Vt
0
Vt
0
Vt
0
Vt
0
Vt
0
Vt
0
Vt
0
Vt
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B
S DG
n+
Sustrato p
n+
Perfil del canal. Análisis cualitativo (I)
0V4V0V
S
0V 0V 0V 0V 0V
D012
43
5
(VG -Vt)- VXx
a
3,0V- 0,0V= 3,0Va
3,0V- 0,0V= 3,0Vb
3,0V- 0,0V= 3,0Vc
3,0V- 0,0V= 3,0Ve3,0V- 0,0V= 3,0Vd
b c ed
0V
Vt = 1V
VG-Vt
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B
S DG
n+
Sustrato p
n+
Perfil del canal. Análisis cualitativo (II)
1V4V0V
S
0V0,25V
0,5V0,75V
1V
D012
43
5
(VG -Vt)- VXx
a
3,0V- 0,00V= 3,00Va
3,0V- 0,25V= 2,75Vb
3,0V- 0,50V= 2,50Vc
3,0V- 1,00V= 2,00Ve3,0V- 0,75V= 2,25Vd
b c ed
0V
Vt = 1V
VG-Vt
02/12/2010 Tema 5: “El Transistor MOS” 9
B
S DG
n+
Sustrato p
n+
Perfil del canal. Análisis cualitativo (III)
5V4V0V
S
0V1,25V
2,5V3,75V
5V
D012
43
5
(VG -Vt)- VXx
a
3,0V- 0,00V= 3,00Va
3,0V- 1,25V= 1,75Vb
3,0V- 2,50V= 0,50Vc
3,0V- 5,00V= -2,00Ve3,0V- 3,75V= -0,75Vd
bc
0V
d
e
Vt = 1V
VG-Vt
02/12/2010 Tema 5: “El Transistor MOS” 10
Zona de saturaciónZona lineal
Curvas características de los transistores MOS
| Vgs4 | >...> | Vgs1 | > | Vt |
Reflejan la variación de la corriente Ids en función de latensión Vds para diferentes valores de Vgs constantes.
| Vgs4 |
| Vgs3 |
| Vgs2 |
| Vgs1 |
| Vgs-Vt |= | Vds |
50
0| Vds | (V)
| Ids |
(mA)
1,8
1,5
1,2
0,9
0,6
0,3
4321
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Curvas características de los transistores MOS obtenidas con
Microwind-2
nMOS pMOS
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02/12/2010 Tema 5: “El Transistor MOS” 14
Modos de operación del transistor MOS y sus ecuaciones (I)
La ecuación (de primer orden o de nivel 1) que permitedescribir el comportamiento de la corriente Ids con latensión Vds de un transistor MOS tiene la formasiguiente:
dsds
tgsds VV
VVI
2)( ds
dstgsds V
VVVI
2)(
es el factor de ganancia del transistor
02/12/2010 Tema 5: “El Transistor MOS” 15
Modos de operación del transistor MOS y sus ecuaciones (II)
LW
Cox
LW
K
LW
tox
Cox= /tox - capacidad de puerta por unidad de área
K - factor dependiente del proceso de fabricación
Sustrato Fuente / Drenador
Óxido fino
Puerta tox
- movilidad de los portadores (n o p)
tox - espesor de la capa de óxido (SiO2)
- permitividad eléctrica del medio (SiO2)
L - longitud del canal
(W/L) - relación de aspecto
W - ancho del canal W
L
toxW
L
02/12/2010 Tema 5: “El Transistor MOS” 16
Zonas de funcionamiento del transistor MOS
El transistor MOS presenta tres zonas defuncionamiento:
1. Zona de corte o subumbral.
2. Zona lineal u óhmica (no saturada).
3. Zona de saturación.
02/12/2010 Tema 5: “El Transistor MOS” 17
Zona de corte
Se produce cuando: 0< |Vgs|< |Vt|
No hay canal formado.
Vgs por debajo de la tensión umbral.
Se dice que el transistor está en “OFF” o en corte.
Se caracteriza por: Ids=0
Modelo equivalente: 0<|Vgs|< |Vt|
D S
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Zona de lineal u óhmica (I)
Se produce cuando: |Vds|< |Vgs-Vt|
2)(
1
dstgs
ds
ds
VVVI
V
Si asumimos que en esta zona (Vds/2)<< (Vgs-Vt), laexpresión del corchete se puede considerarprácticamente constante, por lo que:
Recordando la ecuación del transistor MOS, podemosrescribirla de la siguiente manera:
dsds
tgsds VV
VVI
2)(
02/12/2010 Tema 5: “El Transistor MOS” 19
Zona de lineal u óhmica (II)
De aquí se concluye que en esta zona el transistorse comporta como una resistencia, pudiéndosedeterminar su valor por:
cteVV
LW
KVVI
V
tgstgsds
ds
)(
1
)(
1
cteVVKW
LR
tgs
)(1
02/12/2010 Tema 5: “El Transistor MOS” 20
Zona de lineal u óhmica (III)
Modelo equivalente:
para nMOS Rn
para pMOS Rp
Nota: esta resistencia será tanto menor cuanto mayor seala tensión en puerta Vgs.
Rn o Rp
D S
cteVVKW
LR
tgs
)(1
02/12/2010 Tema 5: “El Transistor MOS” 21
Zona de lineal u óhmica (IV)
Un aspecto interesante a considerar es que lamovilidad de los huecos p es notoriamentemenor que la de los electrones n para el silicio.
La ganancia será casi tres veces menor en untransistor p con respecto al n.
Por ello la resistencia de canal R será casi tres vecesmayor para las mismas relaciones de aspecto y procesotecnológico en un transistor tipo p respecto al tipo n.
En resumen, a igual relación de aspecto lostransistores pMOS son sensiblemente másresistivos.
Más lentos en la conmutación de una capacidad quelos nMOS.
02/12/2010 Tema 5: “El Transistor MOS” 22
Zona de saturación (I)
Se produce cuando: |Vds|> |Vgs-Vt|
Se caracteriza por: Ids Isat= cte
Este comportamiento es una consecuencia de laaparición de un fenómeno conocido como“estrangulación del canal” o pinch-off.
Recordemos porqué se produce.
02/12/2010 Tema 5: “El Transistor MOS” 23
Zona de saturación (II)
Analicemos la variación del perfil del canal(distribución de los portadores presentes en elcanal) a medida que va aumentando la tensión Vds
(caso nMOS).
Para Vgs> Vt y Vds= 0
(Perfil horizontal, distribución uniforme de los portadoresen toda la longitud del canal)
GS
B
D
Sustrato p
n+n+
(+Vgs)(+Vds)
EG
canal n
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GS
B
D
Sustrato p
n+n+
Zona de saturación (III)
Para Vgs> Vt y Vds< (Vgs-Vt)
(Zona lineal u óhmica)
El perfil del canal se va estrechando en dirección al drenadordado que la intensidad del campo EG se va haciendo menor amedida que nos acercamos al drenador.
DE
es débil
(+Vgs)(+Vds)
EG ED
02/12/2010 Tema 5: “El Transistor MOS” 25
S G
B
D
Sustrato p
n+n+
Zona de saturación (IV)
En esta zona, a medida que Vds se hace más grande, mayorserá la zona estrangulada del canal pero a su vez el campo ED
será más intenso.
Por tanto el nivel de corriente Ids se mantiene prácticamenteconstante, es decir, alcanza su nivel de saturación (Isat).
(Zona de saturación)
Para Vgs> Vt y Vds> (Vgs-Vt)
DE
es fuerte
Vgs-Vt
Vds
(+Vgs)(+Vds)
EG ED
02/12/2010 Tema 5: “El Transistor MOS” 26
Zona de saturación (V)
La línea de separación entre la zona lineal y lazona de saturación se alcanza cuando:
)( VtVgsVds
dsds
dstgstgs
dsds
tgsds VV
VVVVV
VV
VVI
2)(
2
)(
2)(
ctedstgsI
VVVds
22
22
)(
Ecuación de una parábola
El nivel de corriente será:
02/12/2010 Tema 5: “El Transistor MOS” 27
Zona de saturación (VI)
Debido a la reducción efectiva que experimenta elcanal en la zona saturada, la expresión analíticautilizada para representar el comportamiento deltransistor MOS en esta zona tiene la forma:
cteVVVLWK
satI dstgsds
1
2)( 2
Siendo - factor de modulación de la longitud del canal (0,02 - 0,005)
cteVVVsatI dstgsds 1
2)( 2
02/12/2010 Tema 5: “El Transistor MOS” 28
Zona de saturación (VII)
Modelo equivalente.
SD
Ids= Isat
r
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Modos de funcionamiento de un transistor MOS. Resumen
Zona de corte
Zona lineal
Zona de saturación
nMOS pMOS
0<Vgs<Vt 0>Vgs>Vt
Vds < (Vgs-Vt) Vds > (Vgs-Vt)
Vds > (Vgs-Vt) Vds < (Vgs-Vt)
Modelo eléctrico
equivalente
|Vgs|< |Vt |
D S
Rn o Rp
D S
SD
Ids= Isat
r
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Ecuaciones de un transistor nMOS
Zona de corte
Zona lineal
Zona de saturación
0< Vgs<Vt
Vds < (Vgs-Vt)
Vds > (Vgs-Vt) dstgs
oxn
ds VVVL
WCsatI
1)(
2)( 2
dsdsgs
oxn
ds VVVtVL
WCI
)(2
2
0dsI
Vgs>Vt
Vgs>Vt
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Ecuaciones de un transistor pMOS
Zona de corte
Zona lineal
Zona de saturación
0> Vgs>Vt
Vds > (Vgs-Vt)
Vds < (Vgs-Vt) dstgs
oxp
ds VVVLWC
satI
1)(
2)( 2
dsdsgs
oxp
ds VVVtVL
WCI
)(2
2
0dsI
Vgs<Vt
Vgs<Vt
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