Dispositivos Electrónicos Rafael de Jesús Navas González Fernando Vidal Verdú
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Dispositivos Electrónicos AÑO: 2010 TEMA 6: EL TRANSISTOR MOSTFET Rafael de Jesús Navas González Fernando Vidal Verdú 1/29 TEMA 6: EL TRANSISTOR MOSFET 6.1. Estructura física. 6.1.1 Estructura Metal Oxido Semiconductor (MOS) 6.1.2 El transistor MOSFET de enriquecimiento: de canal N y canal P 6.1.3 El transistor MOSFET de empobrecimiento: de canal N y canal P. 6.2. Regiones de operación de un transistor MOSFET. 6.2.1 Región de corte. 6.2.2 Región lineal u óhmica. 6.2.3 Región saturación. 6.3. El transistor MOSFET como elemento de circuito: 6.3.1 Variables de circuito y configuraciones básicas: • drenador común, • fuente común • puerta común. 6.3.2 Curvas características y modelos básicos. 6.3.3 Circuitos con transistores: Cálculo del punto de trabajo. 6.3.4 Comportamiento dinámico: Transistor MOSFET en conmutación. 6.4. Familias lógicas MOS. 6.4.1 Familias NMOS: Puértas Lógicas y Funciones Booleanas 6.4.2 Familia CMOS: Puértas Lógicas y Funciones Booleanas Navas González, R.; Vidal Verdú, F. (2010). Dispositivos Electrónicos. Tema 6. OCW- Universidad de Málaga http://ocw.uma.es Bajo licencia Creative Commons Attribution-Non-Comercial-ShareAlike 2/29 TEMA 6: EL TRANSISTOR MOSFET OBJETIVOS Al estudiar este tema el alumno debe ser capaz de: • Explicar de forma cualitativa como se crea un región de inversión en una extructura Metal Oxido Semiconductor. • Explicar de forma cualitativa las características de la estructura física de los transistores MOSFET, tanto los de canal N como los de canal P; y tanto los de enriquecimiento como lo de empobrecimiento. • Explicar de forma cualitativa las condiciones y mecanismo de funcionamiento de los transistores MOSFET en las diferentes regiones de operación: Region de corte, región óhmica y región de saturación. • Identificar el transistor MOSFET como elemento de circuito y las variables usadas para su caracterización. • Conocer el modelo básico de transistor MOSFET (canal N y canal P, de enriquecimiento y de empobrecimiento) en su configuración fuente común en cada una de las regiones de funcionamiento y su relación con sus curvas características. • Analizar circuitos básicos con un transistor MOS. Analisis DC. Analizar e identificar puertas lógicas basicas de las familias NMOS y CMOS. • Conocer forma cualitativa el funcionamiento estatico y dinámico del transistor bipolar en conmutación. • Identificar diferentes funciones booleanas de las familias NMOS y CMOS. Navas González, R.; Vidal Verdú, F. (2010). Dispositivos Electrónicos. Tema 6. OCW- Universidad de Málaga http://ocw.uma.es Bajo licencia Creative Commons Attribution-Non-Comercial-ShareAlike 3/29 LECTURAS COMPLEMENTARIAS •• Navas González R. y Vidal Verdú F. "Curso de Dispositivos Electrónicos en Informática y Problemas de Examen Resueltos" Universidad de Málaga/ Manual 70, 2006. Tema 6: pag.245-268. •• Fernández Ramos, J. y otros, "Dispositivos Electrónicos para Estudiantes de Informática" Universidad de Málaga / Manuales 2002. Tema 6: pag. 135- 176. •• Pollán Santamaría, Tomás, "Electrónica Digital I. Sistemas Combinacionales", Prensas Universitarias de Zaragoza 2003. Apéndice A2: pag. 274-278, TEMA7: pag. 172-184, TEMA 8: pag. 185-204, TEMA9: pag. 205-228. •• Malik, N.R.,"Circuitos Electrónicos. Análisis, Simulación y Diseño", Editorial Prentice-Hall 1996. Tema: 5: pag. 291-311, 317-322, y Tema 13: 932-950 •• Daza A. y García J. "Ejercicios de Dispositivos Electrónicos" Universidad de Málaga/Manuales 2003. Tema 4: pag 169-252. •• http://jas.eng.buffalo.edu/education/index.html •• http://tech-www.informatik.uni.hamburg.de/applets/ cmosdemo.html Navas González, R.; Vidal Verdú, F. (2010). Dispositivos Electrónicos. Tema 6. OCW- Universidad de Málaga http://ocw.uma.es Bajo licencia Creative Commons Attribution-Non-Comercial-ShareAlike 4/29 ESTRUCTURA METAL-ÓXIDO-SEMICONDUCTOR METAL (Al) _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ÓXIDO AISLANTE (SiO2) _ _ _ _ _ + + + + + + + + + + + + + + + Semiconductor _ _ _ _ _ E E + + + + + _ _ _ _ _ + + + + + _ _ _ _ _ + + + + + Canal N Canal P _ _ _ _ _ + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + E E + + + + + Región de Deplexión Región de Deplexión Navas González, R.; Vidal Verdú, F. (2010). Dispositivos Electrónicos. Tema 6. OCW- Universidad de Málaga http://ocw.uma.es Bajo licencia Creative Commons Attribution-Non-Comercial-ShareAlike EL TRANSISTOR MOS DE ENRIQUECIMIENTO TRANSISTOR MOS de canal n: NMOS puerta substrato drenador fuente IG = 0 G B D S p+ n+ Región de Deplexión n+ aislante p Símbolos del elemento de circuito D D G G B S S TRANSISTOR MOS de canal p: PMOS drenador substrato B D n+ p+ Región de Deplexión puerta G fuente S p+ n aislante p Símbolos del elemento de circuito S G S B D G D Navas González, R.; Vidal Verdú, F. (2010). Dispositivos Electrónicos. Tema 6. OCW- Universidad de Málaga http://ocw.uma.es Bajo licencia Creative Commons Attribution-Non-Comercial-ShareAlike 5/29 EL TRANSISTOR MOS DE EMPOBRECIMIENTO TRANSISTOR MOS de canal n: NMOS puerta drenador substrato B D p+ n+ Región de Deplexión G fuente S n+ p canal n Símbolos del elemento de circuito D D G G B S S TRANSISTOR MOS de canal p: PMOS substrato drenador B D n+ p+ Región de Deplexión G n p puerta fuente S p+ canal p Símbolos del elemento de circuito S G S B D G D Navas González, R.; Vidal Verdú, F. (2010). Dispositivos Electrónicos. Tema 6. OCW- Universidad de Málaga http://ocw.uma.es Bajo licencia Creative Commons Attribution-Non-Comercial-ShareAlike 6/29 EL TRANSISTOR MOS DE ENRIQUECIMIENTO: REGIONES DE OPERACIÓN 7/29 ZONA DE CORTE Para que el transistor conduzca hacemos V GS ≥ V T G IG = 0 S D D G Tensión Umbral S n+ p n+ E S D VGS G B B Aparece un canal rico en electrones (tipo n) VDS Si VDS > 0 aparece ID > 0 ID G D VGS S n n+ n+ p Pero si V GS ≤ V T no hay canal. ID = 0 , y estamos en CORTE VDS ID G D n+ VGS S n+ p Navas González, R.; Vidal Verdú, F. (2010). Dispositivos Electrónicos. Tema 6. OCW- Universidad de Málaga http://ocw.uma.es Bajo licencia Creative Commons Attribution-Non-Comercial-ShareAlike 8/29 EL TRANSISTOR MOS DE ENRIQUECIMIENTO: REGIONES DE OPERACIÓN ZONA LINEAL U ÓHMICA El transistor conduce V GS ≥ V T V DS V GD ≈ V GS PEQUEÑA D VDS VDS POSITIVA Y PEQUEÑA V GD = V GS – V DS G IG = 0 VGS G D S n+ p n+ E CAMPO ELÉCTRICO UNIFORME Aparece un canal n uniforme VDS V GS ≥ V T VDS ID ID G D VGS S n n+ n+ p VT VGS La anchura del canal depende de VGS ID n+ n n+ n+ n n+ n+ n R n+ VGS 1/R VDS Corriente de arrastre a través de un conductor cuya sección y conductividad (resistencia) se controla con VGS Navas González, R.; Vidal Verdú, F. (2010). Dispositivos Electrónicos. Tema 6. OCW- Universidad de Málaga http://ocw.uma.es Bajo licencia Creative Commons Attribution-Non-Comercial-ShareAlike S 9/29 EL TRANSISTOR MOS DE ENRIQUECIMIENTO: REGIONES DE OPERACIÓN ZONA DE SATURACIÓN El transistor conduce V GS ≥ V T VDS POSITIVA Y GRANDE D V GD = V GS – V DS V DS CAMPO ELÉCTRICO NO UNIFORME G V GD < V GS GRANDE Se tiene un canal n no uniforme VDS ID D p VGS G D S n+ E S n n+ n+ ID VGS G n+ p VGS FIJA VDS n+ n n+ n+ n n+ n+ n n+ el canal desaparece en el extremo de drenador V GD = V T V DS = V GS – V T V GD = V GS – V DS Corriente de difusión que no depende de VDS Navas González, R.; Vidal Verdú, F. (2010). Dispositivos Electrónicos. Tema 6. OCW- Universidad de Málaga http://ocw.uma.es Bajo licencia Creative Commons Attribution-Non-Comercial-ShareAlike S EL TRANSISTOR MOS: CAPACIDADES PARÁSITAS puerta G drenador D B substrato 10/29 fuente S G p+ n+ n+ W (ancho) p L (largo) B D p+ CGD G CGS n+ CBD S n+ CGB p CBS CBD corresponde a la capacidad de deplexión en la unión substrato-drenador CBS corresponde a la capacidad de deplexión en la unión substrato-fuente CGB corresponde a la capacidad parásita entre la puerta y el substrato, con la capa de óxido como dieléctrico CGD corresponde a la capacidad parásita entre la puerta y el drenador, con la capa de óxido como dieléctrico. CGS corresponde a la capacidad parásita entre la puerta y la fuente, con la capa de óxido como dieléctrico. CGB, CGD y CGS dependen principalmente de las dimensiones del transistor: W ancho y L Largo, del solapamiento de las regiones pueta fuente y puerta drenador, y del grosor de la capa de óxido, De todas ellas depende fundamentalmente el comportamiento dinámico del transistor MOS Navas González, R.; Vidal Verdú, F. (2010). Dispositivos Electrónicos. Tema 6. OCW- Universidad de Málaga http://ocw.uma.es Bajo licencia Creative Commons Attribution-Non-Comercial-ShareAlike 11/29 TRANSISTOR MOS COMO ELEMENTO DE CIRCUITO TRANSISTOR NMOS VDG VD + ID D + VSG _ _ G IG + TRANSISTOR PMOS + _ VGS G IG VDS VG IS _ S VSD vG VGD VS VS + IS S + ID _ VD _ D Elemento de tres terminales: seis variables de circuito I G , ID , IS VG , VD , VS o bien VGS , VDS , VDG (NMOS) VGD , VSD , VSG (PMOS) sólo cuatro variables independientes: LKI: LKV: VG + VD + VS = 0 LKV: VGS - VDS + VDG = 0 (NMOS) LKV: VGD - VSD + VSG = 0 (PMOS) IG + ID + IS = 0 IG = 0 ID + IS = 0 Tres configuraciones: PUERTA COMÚN FUENTE COMÚN DRENADOR COMÚN IS ID IG=0 + VGS _ D G + VDS S _ IS ID + VSG _ D S G + VDG _ IG=0 S G + VGD _ Navas González, R.; Vidal Verdú, F. (2010). Dispositivos Electrónicos. Tema 6. OCW- Universidad de Málaga http://ocw.uma.es Bajo licencia Creative Commons Attribution-Non-Comercial-ShareAlike + VSD D _ 12/29 TRANSISTOR MOS COMO ELEMENTO DE CIRCUITO MODELO ESTÁTICO Y CONDICIONES ÓHMICA Ó SATURACIÓN CORTE CORTE VDS ID D V GS ≤ V T G S VT VGS SATURACIÓN ÓHMICA SATURACIÓN D β 2 I D = --- ( V GS – V T ) 2 ID si G y S VGS FIJA V GS ≥ V T V DS ≥ V GS – V T ÓHMICA VDS 2 D V DS I D = β ( V GS – V T )V DS – -------2 V DS = V GS – V T si V GS ≥ V T G S V DS ≤ V GS – V T y D ID V DS « V GS – V T V DS I D ≈ β ( V GS – V T )V DS = -------R R = ( β ( V GS – V T ) ) G S Navas González, R.; Vidal Verdú, F. (2010). Dispositivos Electrónicos. Tema 6. OCW- Universidad de Málaga http://ocw.uma.es Bajo licencia Creative Commons Attribution-Non-Comercial-ShareAlike –1 13/29 TRANSISTOR MOS COMO ELEMENTO DE CIRCUITO TABLA RESUMEN DE MODELOS Y CONDICIONES D D G VT > 0 G VT < 0 VT > 0 G S S S S G VT < 0 D D REGIÓN DE CORTE S D si V SG ≤ V T G si V GS ≤ V T G D S REGIÓN DE SATURACIÓN S D β 2 I S = --- ( V SG – V T ) 2 β 2 = --- ( V GS – V T ) 2 ID si V GS ≥ V T y V DS ≥ V GS – V T G S si V SG ≥ V T y V SD ≥ V SG – V T G D REGIÓN ÓMICA D S 2 V DS I D = β ( V GS – V T )V DS – --------2 si V GS ≥ V T y V DS ≤ V GS – V T G S 2 V SD I S = β ( V SG – V T )V SD – --------2 si V SG ≥ V T G D y V SD ≤ V SG – V T TRANSISTOR DE EMPOBRECIMIENTO campo eléctrico con D ID G VT < 0 n+ V GS < 0 n+ S VT (0,0) VGS n+ n+ no hay canal para VGS = VT < 0 TRANSISTOR DE CANAL P PMOS S cambia la polaridad de los portadores G D Navas González, R.; Vidal Verdú, F. (2010). Dispositivos Electrónicos. Tema 6. OCW- Universidad de Málaga http://ocw.uma.es Bajo licencia Creative Commons Attribution-Non-Comercial-ShareAlike 14/29 TRANSISTOR MOS COMO ELEMENTO DE CIRCUITO Ejemplo 1: Determinar el valor de las variables de fuente común que determinan el punto de trabajo del transistor. VDD V VDD = 10 volt. V = 5 volt. RD R N ID M RD RD = 22KΩ R = 100KΩ N + IG=0 VT = 3 volt. βΝ = 0,2 mA/V2 V CORTE VGS - D S D 2 β 2 I D = --- ( V GS – V T ) 2 si V GS ≥ V T G S - SATURACIÓN V DS I D = β ( V GS – V T )V DS – --------2 si V GS ≤ V T G M VDS + ÓMICA D VDD y V DS ≤ V GS – V T si V GS ≥ V T y V DS ≥ V GS – V T G S Ejemplo 2: En el circuito se sabe que IS = 0,5 mA. Cálcular el valor de βP de M VDD R IS RS 2 RS = 1KΩ RD = 9KΩ M RD Es claro que M conduce (IS>0) Y es necesario determinar si lo hace en óhmica o saturación V DD M1: V DD = R S I S + V SG + ----------2 M2: V DD = R S I S + V SD + R S I D V DD M1: V SG = ----------- – R S I S V SG = 4, 5 ≥ 0 2 V SD = 5 ≥ 0 M2: V SD = V DD – ( R S + R D ) I S El transistor está en saturación Ej. 1 Sol. ID = 0,38mA IS M1 VDD RS VT = 2 volt. N R VDD VDD = 10 volt. 2I S β P = -----------------------------2 ( V SG – V T ) VGS = 5 volt. VSG + + R/2 M VSD N - ID = IS RD IG= 0 V SD > V SG – V T = 2, 5 A β P = 0, 16m -----2 V VDS =1,58volt. Navas González, R.; Vidal Verdú, F. (2010). Dispositivos Electrónicos. Tema 6. OCW- Universidad de Málaga http://ocw.uma.es Bajo licencia Creative Commons Attribution-Non-Comercial-ShareAlike M2 15/29 TRANSISTOR MOS COMO ELEMENTO DE CIRCUITO Un algoritmo de Análisis Q1 Circuito Ejemplo: N=1 QN 1. Se consideran todas las situaciones posibles, que son M = 3N, es decir si N = 1, M = 3, en concreto: i=1: M1 CORTE i=2: M1 OHMICA i=3: M1 SATURACIÓN inicializo la variable i =0 2. Tomo el caso i = i+1 y sustituyo los transistores por los modelos (transparencia anterior) 3. Para todos los transistores compruebo las condiciones bajo las cuales los modelos valen (transparencia anterior) NO ¿Se cumplen las condiciones? SI FIN: CALCULO LO QUE QUIERO DEL CIRCUITO Navas González, R.; Vidal Verdú, F. (2010). Dispositivos Electrónicos. Tema 6. OCW- Universidad de Málaga http://ocw.uma.es Bajo licencia Creative Commons Attribution-Non-Comercial-ShareAlike 16/29 TRANSISTOR MOS COMO ELEMENTO DE CIRCUITO Ej 3: En este circuito, determinar el valor de VO y el consumo para Vi=0 y Vi= VDD. VDD VDD ID2 M2 VDD = 5 volt. VGS2=0 VTM2 = -1 volt. M1 Vi M2 VDS2 + VTM1 = 1 volt. + + IG2= 0 VO - βΜ1 = 20 μA/V - - O + ID1 2 βΜ2 = 75 μA/V2 IG1= 0 M1 Vi Vi=0) VDS1=VO + VGS1 - NMOS de empobrecimiento V TM2 < 0 V GS2 > V TM2 Como V GS2 = 0 M2 siempre conduce - MOS M2: Conducirá en su zona ómica o en saturación dependiendo de si se verifica que V DS2 ≤ – V TM2 o bien V DS2 ≥ – V TM2 Como V DS2 = V DD – V O M2 conducirá en su zona óhmica siempre que V O ≥ V DD + V TM2 M2 conducirá en su zona de saturación simpre que V O ≤ V DD + V TM2 MOS M1: NMOS de enriquecimiento V TM1 > 0 V GS1 < V TM1 Como V GS1 = V i = 0 M1 está en corte Para el nudo O se tiene I D2 = I D1 + I G2 y dado que I G2 = 0 I D1 = 0 I D2 = I D1 = 0 La situación es tal que M1 está en corte y M2 conduce pero con corriente nula. ¡Esto solo es posible si M2 conduce en óhmica! M2 no puede estar en saturación porque en ese caso β M2 2 I D2 = ---------- ( – V TM2 ) > 0 2 β M2 2 I D2 = ---------- ( V GS2 – V TM2 ) 2 por lo que no puede ser I D2 = 0 2 V DS2 Con M2 en zona óhmica I D2 = β M2 ( V GS2 – V TM2 )V DS2 – ------------- = 0 2 2 ( V DD – V O ) ( – V TM2 ) ( V DD – V O ) – -------------------------------= 0 V = O 2 2 2 V O – 2 ( V DD + V TM2 )V O + ( V DD + 2V DD V TM2 ) = 0 V DD + 2V TM2 V DD En óhmica V O ≥ V DD + V TM2 SOLUCIÓN V O = V DD Navas González, R.; Vidal Verdú, F. (2010). Dispositivos Electrónicos. Tema 6. OCW- Universidad de Málaga http://ocw.uma.es Bajo licencia Creative Commons Attribution-Non-Comercial-ShareAlike PV DD = 0 17/29 TRANSISTOR MOS COMO ELEMENTO DE CIRCUITO Ej 3: En este circuito, determinar el valor de VO y el consumo para Vi=0 y Vi= VDD. (Cont.) V V DD DD ID2 M2 VDD = 5 volt. VGS2=0 VTM2 = -1 volt. M1 Vi M2 VDS2 + VTM1 = 1 volt. + + IG2= 0 VO - βΜ1 = 20 μA/V - - O ID1 2 βΜ2 = 75 μA/V2 IG1= 0 M1 Vi Vi= VDD) + VDS1=VO + VGS1 - NMOS de empobrecimiento V TM2 < 0 V GS2 > V TM2 Como V GS2 = 0 M2 siempre conduce - MOS M2: M2 conducirá en su zona óhmica siempre que V O ≥ V DD + V TM2 M2 conducirá en su zona de saturación simpre que V O ≤ V DD + V TM2 MOS M1: NMOS de enriquecimiento V TM1 > 0 Como V GS1 = V i = V DD V GS1 > V TM1 M1 conduce Conducirá en su zona ómica o en saturación dependiendo de si se verifica que Como V DS1 = V O V DS1 ≤ V GS1 – V TM1 o bien V DS1 ≥ V GS1 – V TM1 M1 conducirá en su zona óhmica siempre que V O ≤ V DD – V TM1 M1 conducirá en su zona de saturación simpre que V O ≥ V DD – V TM1 La situación es tal que tanto M1 como M2 conducen, pero hay que determinar en qué zona lo hace cada uno de ellos Se tienen cuatro posibilidades: a) M1 óhmica - M2 óhmica V O ≤ V DD – V TM1 V O ≥ V DD + V TM2 b) M1 óhmica - M2 saturación V O ≤ V DD – V TM1 V O ≤ V DD + V TM2 c) M1 saturación - M2 óhmica V O ≥ V DD – V TM1 V O ≥ V DD + V TM2 d) M1 saturación - M2 saturación V O ≥ V DD – V TM1 V O ≤ V DD + V TM2 En cualquier caso para el nudo O se tiene I D2 = I D1 + I G2 I D2 = I D1 y dado que I G2 = 0 Por lo tanto hay que estudiar esta igualdad en cada uno de los cuatro casos y ver cuál de ellos se verifica Navas González, R.; Vidal Verdú, F. (2010). Dispositivos Electrónicos. Tema 6. OCW- Universidad de Málaga http://ocw.uma.es Bajo licencia Creative Commons Attribution-Non-Comercial-ShareAlike TRANSISTOR MOS COMO ELEMENTO DE CIRCUITO 18/29 Ej 3: En este circuito, determinar el valor de VO y el consumo para Vi=0 y Vi= VDD. (Cont.) VDD VDD = 5 volt. VTM1 = 1 volt. VTM2 = -1 volt. ID2 IG2= 0 M2 VDS2 + VGS2=0 - Vi= VDD) (Continuación) - O ID1 + IG1= 0 Vi βΜ1 = 20 μA/V2 βΜ2 = 75 μA/V2 + M1 b) M1 óhmica - M2 saturación V O ≤ V DD – V TM1 VDS1=VO + VGS1 - V O ≤ 4V V O ≤ V DD + V TM2 - Analizamos I D1 ( ohm ) = I D2 ( sat ) 2 β M2 V DS1 2 - = ---------- ( V GS2 – V TM2 ) β M1 ( V GS1 – V TM1 )V DS1 – -----------2 2 2 β M2 VO 2 - = ---------- ( – V TM2 ) β M1 ( V DD – V TM1 )V O – -----2 2 β M1 β M2 2 2 --------- [ 2 ( V DD – V TM1 )V O – V O ] = --------- ( – V TM2 ) 2 2 β M2 2 2 V O – 2 ( V DD – V TM1 )V O + ---------- V TM2 = 0 β M1 Sustituyendo valores numéricos 2 V O – 8V O + 3, 75 = 0 Dado que se ha de cumplir V O ≤ 4V VO = 7, 5V 0, 5V la solución válida es V O = 0, 5V Para el cálculo de la potencia se tiene PV DD = V DD ⋅ I D2 ( sat ) β M2 2 I D2 ( sat ) = ---------- ( – V TM2 ) = 37, 5μA 2 PV DD Navas González, R.; Vidal Verdú, F. (2010). Dispositivos Electrónicos. Tema 6. OCW- Universidad de Málaga http://ocw.uma.es Bajo licencia Creative Commons Attribution-Non-Comercial-ShareAlike = 0, 1775mW 19/29 TRANSISTOR MOS COMO ELEMENTO DE CIRCUITO Ej 4: En este circuito, determinar el valor de VO y el consumo para Vi=0 y Vi= VDD. VDD VDD M2 VDD = 5 volt. VO - IG2= 0 VTM2 = 1 volt. M1 Vi - VTM1 = 1 volt. + IS2 VSG2 + + M2 VSD2 O ID1 βM1 = 20 μA/V2 βM2 = 75 μA/V2 Vi=0) M1 PMOS de enriquecimiento V TM2 > 0 V SG2 > V TM2 VDS1=VO + VGS1 - Como V SG2 = V DD – V i = V DD + IG1= 0 Vi MOS M2: - ID2 - M2 conduce Conducirá en su zona ómica o en saturación dependiendo de cual sea la relación V SD2 ≤ V DD – V TM2 V SD2 ≥ V DD – V TM2 o bien Como V SD2 = V DD – V O M2 conducirá en su zona óhmica siempre que V O ≥ V TM2 M2 conducirá en su zona de saturación simpre que V O ≤ V TM2 MOS M1: NMOS de enriquecimiento V TM1 > 0 Como V GS1 = V i = 0 V GS1 < V TM1 Para el nudo O se tiene I D2 = I D1 M1 está en corte I D1 = 0 I D2 = 0 y dado que I D1 = 0 La situación es tal que M1 está en corte y M2 conduce pero con corriente nula. ¡Esto solo es posible si M2 conduce en óhmica! M2 no puede estar en saturación por que en ese caso β M2 2 I D2 = ---------- ( V SG2 – V TM2 ) 2 β M2 2 I D2 = ---------- ( V DD – V TM2 ) > 0 por lo que no puede ser I D2 = 0 2 2 V SD2 Con M2 en zona óhmica I D2 = β M2 ( V SG2 – V TM2 )V SD2 – ------------- = 0 2 2 ( V DD – V O ) ( V DD – V TM2 ) ( V DD – V O ) – -------------------------------= 0 VO = 2 – ( V DD – 2V TM2 ) En óhmica V O ≥ V TM2 V DD SOLUCIÓN ( V DD – V O ) ⋅ ( ( V DD – 2V TM2 ) + V O ) = 0 V O = V DD Navas González, R.; Vidal Verdú, F. (2010). Dispositivos Electrónicos. Tema 6. OCW- Universidad de Málaga http://ocw.uma.es Bajo licencia Creative Commons Attribution-Non-Comercial-ShareAlike PV DD = 0 20/29 TRANSISTOR MOS COMO ELEMENTO DE CIRCUITO Ej 4: En este circuito, determinar el valor de VO y el consumo para Vi=0 y Vi= VDD. (Cont.) V VDD DD M2 VDD = 5 volt. VO - IG2= 0 + M2 VSD2 - ID2 VTM2 = 1 volt. M1 Vi - VTM1 = 1 volt. + IS2 VSG2 + O ID1 βM1 = 20 μA/V2 βM2 = 75 μA/V2 + IG1= 0 M1 Vi Vi=VDD) + VGS1 - MOS M2: - PMOS de enriquecimiento V TM2 > 0 Como V SG2 = V DD – V i = 0 V SG2 < V TM2 VDS1=VO I D2 = 0 M2 está en corte MOS M1: NMOS de enriquecimiento V TM1 > 0 Como V GS1 = V i = V DD V GS1 > V TM1 M1 conduce Conducirá en su zona ómica o en saturación dependiendo de cual sea la relación V DS1 ≤ V DD – V TM1 o bien V DS1 ≥ V DD – V TM1 Como V DS1 = V O M1 conducirá en su zona óhmica siempre que V O ≤ V DD – V TM1 M1 conducirá en su zona de saturación simpre que V O ≥ V DD – V TM1 Para el nudo O se tiene I D2 = I D1 y dado que I D2 = 0 I D1 = 0 La situación es tal que M2 está en corte y M1 conduce pero con corriente nula. ¡Esto solo es posible si M1 conduce en óhmica! M1 no puede estar en saturación por que en ese caso β M1 2 I D1 = ---------- ( V GS1 – V TM1 ) 2 β M1 2 I D1 = ---------- ( V DD – V TM1 ) > 0 por lo que no puede ser I D1 = 0 2 2 V DS1 Con M1 en zona óhmica I D1 = β M1 ( V GS1 – V TM1 )V DS1 – ------------- = 0 2 2 VO ( V DD – V TM2 )V O – --------- = 0 2 VO = 2 ( V DD – V TM1 ) 0 En óhmica V O ≤ V DD – V TM1 SOLUCIÓN V O ⋅ ( 2 ( V DD – V TM1 ) – V O ) = 0 VO = 0 Navas González, R.; Vidal Verdú, F. (2010). Dispositivos Electrónicos. Tema 6. OCW- Universidad de Málaga http://ocw.uma.es Bajo licencia Creative Commons Attribution-Non-Comercial-ShareAlike PV DD = 0 21/29 COMPORTAMIENTO DINÁMICO DEL TRANSISTOR MOSFET: NMOS EN CONMUTACIÓN - Respuesta a un pulso ID IC IRD VDS Característica de Transferencia vO VGS Corte C1 modela las capacidades parásitas del transistor NMOS vistas desde el terminal de drenador - Transición corte - óhmica Saturación Óhmica - Tiempo de propagación de alto a bajo: C1, que está cargado inicialmente, se descarga a través una fuente de corriente: El transistor NMOS, inicialmente en Saturación y finalmente en Óhmica (resistencia pequeña) - Transición óhmica - corte - Tiempo de propagación de bajo a alto: C1, que está descargado inicialmente, se carga a traves de la resistencia de drenador RD (resistencia más elevada) vin Hay consumo de potencia estático y dinámico Navas González, R.; Vidal Verdú, F. (2010). Dispositivos Electrónicos. Tema 6. OCW- Universidad de Málaga http://ocw.uma.es Bajo licencia Creative Commons Attribution-Non-Comercial-ShareAlike 22/29 COMPORTAMIENTO DINÁMICO DEL TRANSISTOR MOSFET: NMOS EN CONMUTACIÓN - Respuesta a un pulso ID IC2 M2 IDM1 VDS1 Característica de Transferencia vO VGS Corte C2 modela las capacidades parásitas de ambos TNMOS vistas desde el terminal de salida - Transición corte - óhmica Saturación Óhmica - Tiempo de propagación de alto a bajo: C2, que está cargado inicialmente, se descarga a través una fuente de corriente: El transistor M2, inicialmente en Saturación y finalmente en Óhmica (resistencia pequeña) - Transición óhmica - corte - Tiempo de propagación de bajo a alto: C2, que está descargado inicialmente, se carga a traves de luna fuente de corriente: El transistor M1, que trabaja siempre en Saturación. vin Hay consumo de potencia estático y dinámico Navas González, R.; Vidal Verdú, F. (2010). Dispositivos Electrónicos. Tema 6. OCW- Universidad de Málaga http://ocw.uma.es Bajo licencia Creative Commons Attribution-Non-Comercial-ShareAlike 23/29 COMPORTAMIENTO DINÁMICO DEL TRANSISTOR MOSFET: CMOS EN CONMUTACIÓN - Respuesta a un pulso IDMn IC3 Mp Mn ISMp VDS2 VGS Característica de Transferencia vO Corte P Óhm C3 modela las capacidades parásitas de ambos TMOS vistas desde el terminal de salida P Sat - Transición corte - óhmica - Tiempo de propagación de alto a bajo: C3, que está cargado inicialmente, se descarga a través una fuente de corriente: El transistor Mn, inicialmente en Saturación y finalmente en Óhmica (resistencia pequeña) N Sat - Transición óhmica - corte N Óhm vin - Tiempo de propagación de bajo a alto: C3, que está descargado inicialmente, se carga a traves de luna fuente de corriente: El transistor Mp, inicialmente en Saturación, y finalmente en Óhmica. Sólo hay consumo de potencia en las transiciones: consumo dinámico Navas González, R.; Vidal Verdú, F. (2010). Dispositivos Electrónicos. Tema 6. OCW- Universidad de Málaga http://ocw.uma.es Bajo licencia Creative Commons Attribution-Non-Comercial-ShareAlike 24/29 FAMILIAS LÓGICAS CON TRANSISTORES MOS Familia lógica NMOS vIN vO (a) (b) (c) (d) A A O B B VDD O VDD Mt Mt Vo Vo VA MA VA VB MB VB VDD Mt puede ser de enriquecimiento Mt Vo Calidad: ♦Fan-out: cuantas más puertas, más retraso ♦Margen de ruido: 1.3V ♦Retraso: 10ns ♦Consumo: 0.312mW (crece con la frecuencia) Se utiliza para hacer circuitos grandes en un chip Navas González, R.; Vidal Verdú, F. (2010). Dispositivos Electrónicos. Tema 6. OCW- Universidad de Málaga http://ocw.uma.es Bajo licencia Creative Commons Attribution-Non-Comercial-ShareAlike FAMILIAS LÓGICAS CON TRANSISTORES MOS Familia lógica CMOS vIN vO (a) (b) (c) (d) A A O B VA MPA VB MPB VA VDD VA Vo VB MNA O B VDD (e) MPA VB MPB Vo VA MNA VB MNB MNB Calidad: ♦Fan-out: cuantas más puertas, más retraso ♦Margen de ruido: 2.25V ♦Retraso: 8ns Comparación TTL/MOS en cuanto a consumo: Vcc=5V, CL=50pF 100kHz 5 MHz 100MHz Consumo 74LS00 (TTL) 3 mW 3.5 mW 5 mW Consumo 74HC00 (CMOS) 0.250 mW 3.5 mW 150 mW Navas González, R.; Vidal Verdú, F. (2010). Dispositivos Electrónicos. Tema 6. OCW- Universidad de Málaga http://ocw.uma.es Bajo licencia Creative Commons Attribution-Non-Comercial-ShareAlike 25/29 FUNCIONES BOOLEANAS CON TRANSISTORES MOS Funciones Booleanas NMOS A B C A B C VDD O VDD O Mt Mt Vo Vo VA VA MA VB MB VC MA VB MB VC MC MC Estructura básica NMOS A B C D f(A,B,C,D) VDD Mt O fN(A,B,C,D)=f(A,B,C,D) A B C D Vo RED N fN(A,B,C,D) Ejemplos de funciones NMOS f ( A, B, C, D ) = ( A + B )C + D VDD f ( A, B, C, D ) = ( AB + C )D VDD Mt Mt Vo VC MC VA MA VB VD VC MB VD Vo MD f N ( A, B, C, D ) = ( A + B )C + D MD MC VB MB VA MA f N ( A, B, C, D ) = ( AB + C )D Navas González, R.; Vidal Verdú, F. (2010). Dispositivos Electrónicos. Tema 6. OCW- Universidad de Málaga http://ocw.uma.es Bajo licencia Creative Commons Attribution-Non-Comercial-ShareAlike 26/29 FUNCIONES BOOLEANAS CON TRANSISTORES MOS 27/29 Funciones Booleanas CMOS A B C A B C O VDD VDD MPA MPA VA MPB MPB VA MPC VB Vo MNC MPC VB VC MNC MNB VC MNB MNA MNA Estructura básica CMOS A B C D A B C D f(A,B,C,D) RED P fP(A,B,C,D) O fP(A,B,C,D)=f(A,B,C,D) O A B C D RED N fN(A,B,C,D) fN(A,B,C,D)=f(A,B,C,D) Navas González, R.; Vidal Verdú, F. (2010). Dispositivos Electrónicos. Tema 6. OCW- Universidad de Málaga http://ocw.uma.es Bajo licencia Creative Commons Attribution-Non-Comercial-ShareAlike Vo FUNCIONES BOOLEANAS CON TRANSISTORES MOS Funciones Booleanas CMOS A B C D A B C D O f(A,B,C,D) RED P fP(A,B,C,D) O A B C D RED N fN(A,B,C,D) Ejemplos de funciones CMOS f ( A, B, C, D ) = ( A + B )C + D f p ( A, B, C, D ) = ( A + B )C + D = = ( AB + C )D f ( A, B, C, D ) = ( AB + C )D f p ( A, B, C, D ) = ( AB + C )D = = ( A + B )C + D VDD VDD MPC MPA MPA MPB VA VA MPC MPD VB Vo MNC VC VB MPD VC MND MNA VD VD MPB Vo MNC MNB MNB MNA MND f N ( A, B, C, D ) = ( A + B )C + D f N ( A, B, C, D ) = ( AB + C )D Navas González, R.; Vidal Verdú, F. (2010). Dispositivos Electrónicos. Tema 6. OCW- Universidad de Málaga http://ocw.uma.es Bajo licencia Creative Commons Attribution-Non-Comercial-ShareAlike 28/29 FUNCIONES BOOLEANAS CON TRANSISTORES MOS 29/29 Comparación entre implementaciones Ejemplo: Función f ( A, B, C, D ) = ( AB + C )D Función Booleana CMOS (8 transistores) VDD Función Booleana NMOS (5 transistores) VDD Mt MPC Vo VD VC VB VA MD MPA MC VA MPB MB MA Circuito lógico con puertas lógicas diversas: VB MPD VC MND Vo MNC VD MNB NMOS (13 transistores) CMOS (16 transistores) MNA f ( A, B, C, D ) = ( AB + C )D A B C D Circuito lógico con puertas lógicas NAND: NMOS (12 transistores) CMOS (16 transistores) f f ( A, B, C, D ) = ( ABD ⋅ CD ) A B C D Navas González, R.; Vidal Verdú, F. (2010). Dispositivos Electrónicos. Tema 6. OCW- Universidad de Málaga http://ocw.uma.es Bajo licencia Creative Commons Attribution-Non-Comercial-ShareAlike f
