Fundamentos del transitor MOSFET
Anuncio
Generalidades Regiones de operación Ejemplos Fundamentos del transitor MOSFET Lección 04.1 Ing. Jorge Castro-Godı́nez Escuela de Ingenierı́a Electrónica Instituto Tecnológico de Costa Rica II Semestre 2013 Jorge Castro-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 1 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Contenido 1 Generalidades 2 Regiones de operación Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas 3 Ejemplos Jorge Castro-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 2 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos 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-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 3 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos 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. 1986 / 1.5mm 1993 / 0.6mm 1988 / 1.0mm 1996 / 0.4mm Jorge Castro-Godı́nez 1991 / 0.8mm 1998 / 0.25mm 2000 / 0.18mm Fundamentos del transitor MOSFET 4 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos 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-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 5 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Generalidades Drenador (4) Compuerta Fuente Polisilicio Dióxido de silicio Polisilicio + Substrato (Si dopado) SiO2 Substrato Jorge Castro-Godı́nez Difusión (Si de dopado complementario al substrato) Fundamentos del transitor MOSFET 6 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Generalidades (5) Compuerta Fuente Drenador Ancho del canal (W) Substrato Largo del canal (L) Dióxido de silicio Polisilicio + Substrato (Si dopado) X (profundidad de canal) Z (ancho de canal) Y (largo de canal) Difusión (Si de dopado complementario al substrato) Jorge Castro-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 7 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Generalidades (6) Compuerta aislada de la superficie del silicio por SiO2 Controla la resistencia entre fuente y drenador Compuerta (G) Drenador (D) E ^al semiconductor aplicando voltaje de compuerta Fuente (S) Polisilicio SiO2 Jorge Castro-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET Substrato (B) 8 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Generalidades (7) Jorge Castro-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 9 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Generalidades (7) Jorge Castro-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 10 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Polarización y Regiones de Operación 1 Desde el punto de vista del potencial de superficie / VGS Transistor apagado ⇒ Corriente ≈ 0 Banda plana Acumulación Agotamiento Inversión débil Transistor encendido ⇒ Corriente 6= 0 Inversión fuerte 2 Desde el punto de vista de VDS en comparación con VGS Transistor apagado ⇒ Corriente ≈ 0 Región de corte Transistor encendido ⇒ Corriente 6= 0 Región lineal Región de saturación. Jorge Castro-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 11 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Banda plana yS : potencial en la interfaz Si-SiO2, potencial de superficie, medido con respecto a fB f B: potencial en el semiconductor en zona lejana a la interfaz Si-SiO2, diferencia entre Ei y EF Banda plana: EC ys = 0 Ei VGS = VFB EF fB EF EV -VFB voltaje necesario para compensar la diferencia de función de trabajo del metal y el semiconductor Jorge Castro-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 12 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Acumulación VGS < 0 Acumulación: yS < 0 - huecos se acumulan en la superficie - no se forma canal entre drenador y fuente = transistor inactivo Drenador EC yS Fuente +++++ - n+ + V EF Compuerta - n+ p E + fB Ei EF EV + Substrato Sin canal Þ MOSFET = Dos diodos en serie en direcciones opuestas Þ IDS ≈ 0 Jorge Castro-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 13 / 50 Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Generalidades Regiones de operación Ejemplos Agotamiento Agotamiento: 0< yS < fB 0 < VFB < VGS < VTH Compuerta + Drenador + n+ + Fuente E EC + + + yS Substrato V n+ + - + p VTH = voltaje de umbral (VGS para activar MOSFET) EF Ei EF EV -huecos repelidos de la superficie = empobrecimiento de huecos en la superficie -Transistor aún inactivo = región de subumbral Jorge Castro-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 14 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Inversión Inversión débil: f B < yS < 2 f B Þ VGS ³ VTH Inversión fuerte: yS ³ 2fB -electrones atraídos a la superficie = concentración de electrones en la superficie iguala concentración de huecos en el substrato Þsuperficie de substrato p se comporta como material n E V -existe un canal entre drenador y fuente, transistor activo Drenador Compuerta + EC Fuente Ei yS n+ - - - - - - - - n+ EF p Substrato EF EV canal Jorge Castro-Godı́nez EF sobre Ei = en la superficie es de tipo N Zona de agotamiento Fundamentos del transitor MOSFET 15 / 50 Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Generalidades Regiones de operación Ejemplos Transistor NMOS 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. Compuerta Drenador + Polisilicio N+ n+ Fuente - n+ I P Substrato Jorge Castro-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 16 / 50 Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Generalidades Regiones de operación Ejemplos Transistor PMOS 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. Compuerta Drenador Polisilicio P+ p+ I Fuente + p+ N Jorge Castro-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET Substrato 17 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Sı́mbolos (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) NMOS PMOS Jorge Castro-Godı́nez MOSFETs de empobrecimiento (normalmente encendido) NMOS PMOS Fundamentos del transitor MOSFET 18 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Sı́mbolos (2) Símbolos de cuatro terminales: flecha en substrato apunta de P a N MOSFETs de enriquecimiento (normalmente apagado) NMOS: Substrato P, canal N PMOS: Substrato N, canal P Jorge Castro-Godı́nez MOSFETs de empobrecimiento (normalmente encendido) NMOS PMOS Fundamentos del transitor MOSFET 19 / 50 Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Generalidades Regiones de operación Ejemplos Curvas ID vs VGS (1) Enriquecimiento: normalmente inactivo Empobrecimiento: normalmente activo I DS I DS NMOS 0 V V GS V GS th V 0 V th V GS 0 0 V GS th V th PMOS I DS Jorge Castro-Godı́nez I DS Fundamentos del transitor MOSFET 20 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Curvas ID vs VGS Jorge Castro-Godı́nez (2) Fundamentos del transitor MOSFET 21 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Curvas ID vs VGS (3) Curva de transferencia Función de transferencia: Salida = f(Entrada) Salida : ID Entrada : VGS VTH Jorge Castro-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 22 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Curvas ID vs VGS Jorge Castro-Godı́nez (4) Fundamentos del transitor MOSFET 23 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Tensión de umbral VT H • Voltaje VGS necesario para causar inversión de la superficie VTH tiene 4 componentes VTH = fGC + 2fB - QB Qox ¢ ¢ Cox Cox Diferencia de función de trabajo entre compuerta y canal Voltaje necesario para Caída de tensión cambiar el potencial en la zona de carga superficial espacial Compensación de cargas parásitas en SiO2 y la interfaz óxido-semiconductor QB = -qNA xd = - 2qNAe Si y S = - 2qNAe Si 2fB xd: ancho de zona de agotamiento Jorge Castro-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 24 / 50 Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Generalidades Regiones de operación Ejemplos Región de subumbral o corte La condición de la región de corte o subumbral se da cuando VGS < VT H . Idealmente para este caso, la corriente es “cero”. De manera real, se calcula como: ID = ID 0 × e (VGS -VTH ) mV t ID 0 = ID (VGS × [1 - e -VDS / Vt ] » ID 0 × e (VGS -VTH ) mV t W W = VTH ) × » 0.1mA × L L VTH : voltaje de umbral O bien, con la pendiente de subumbral S, -1 L: longitud de canal Vt: Cdep: capacitancia de agotamiento de substrato, Cox: capacitancia de compuerta é d (logIDS ) ù S=ê ú = ln10 ×Vt × m ë dVGS û W: ancho de transistor voltaje térmico m = 1+ ID = ID 0 × e Cdep Cox (VGS -VTH ) mV t = ID 0 × e (VGS -VTH ) ln10 S Cambio en VGS necesario para una variación de una década en IDS Valor ideal: 60 mV/dec Fundamentos del transitor MOSFET Jorge Castro-Godı́nez 25 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Región lineal (1) Las condiciones de la región de lineal: VGS ≥ VT H VGS − VT H > VDS La corriente de drenador se define como: 2 VDS 0W iD = k (VGS − VT H ) VDS − L 2 VDS iD = k VGS − VT H − VDS L 2 0W Jorge Castro-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 26 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Región lineal (2) Corriente de drenador en la región lineal: VGS ³ VTH, VGS-VTH > VDS ID = K ' × K' = V V W (VGS - VTH - DS ) ×VDS = K × (VGS - VTH - DS ) ×VDS L 2 2 m × e OX é A ù tOX K= , ê 2ú ëV û m × e OX W tOX × Región lineal VGS ³ VTH , VDS < VGS - VTH L D G K: parámetro de transconductancia K`= transconductancia del proceso m: movilidad eOX: permitividad del SiO2 = 3.9e0 tOX: espesor de óxido S + n+ -- ------ - n+ p B Jorge Castro-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 27 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Región lineal (3) Jorge Castro-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 28 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Región lineal (4) Jorge Castro-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 29 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Región lineal (5) Jorge Castro-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 30 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Región satuación (1) Corriente de drenador en la región de saturación: VGS ³ VTH, VGS-VTH £ VDS ID = K' W K × (VGS - VTH )2 = (VGS - VTH )2 2 L 2 D + Modulación de largo de canal n+ K' W ID = × (VGS - VTH )2 (1 + lVDS ) 2 L G S - -- - - - n+ p l : coeficiente de modulación de canal [V-1] B Modulación de longitud de canal: Estrangulamiento del canal a partir de VDS ³ VDS,SAT = VGS-VTH ÞEl canal se acorta ÞLa corriente en saturación no es constante para un VGS dado, sino depende también de VDS Jorge Castro-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 31 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Región satuación (2) Jorge Castro-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 32 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Modulación del canal Jorge Castro-Godı́nez (1) Fundamentos del transitor MOSFET 33 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Modulación del canal Jorge Castro-Godı́nez (2) Fundamentos del transitor MOSFET 34 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Modulación del canal Jorge Castro-Godı́nez (3) Fundamentos del transitor MOSFET 35 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Modulación del canal Jorge Castro-Godı́nez (4) Fundamentos del transitor MOSFET 36 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Curvas del MOSFET Jorge Castro-Godı́nez (1) Fundamentos del transitor MOSFET 37 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Curvas del MOSFET (2) Curva característica de salida VDS = VGS-VTH VTH < VGS2 < VGS3< VGS4 VGS =VGS4 Modulación de longitud de canal VGS =VGS3 VGS =VGS2 En la región lineal el transistor opera como una resistencia controlada por voltaje VGS =VGS1 < VTH Jorge Castro-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 38 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Regiones operación VGS ³ VTH, VGS-VTH £ VDS VDS Corte VDS = VGS-VTH Saturación Subumbral VGS < VTH VGS ³ VTH, VGS-VTH > VDS Lineal VTH Jorge Castro-Godı́nez VGS Fundamentos del transitor MOSFET 39 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Polarización del sustrato (1) • Diodos parásitos difusión-substrato deben estar polarizados en inversa Drenador Compuerta n+ Fuente n+ Drenador Compuerta p+ Fuente 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 VDD. También como protección ante el efecto de enganche (latch-up) Jorge Castro-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 40 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Polarización del sustrato (2) • Polarización VBS afecta la tensión de umbral VTH = efecto de substrato (body effect) Drenador Compuerta n+ Fuente n+ Drenador Compuerta p+ Fuente 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-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 41 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Sustrato y VT H • VB ¹ VS cambia el voltaje de umbral • Se analiza aquí el caso de un NMOS VTH =VTH 0 + g ( 2fB - VBS - 2fB ) Voltaje de umbral con VBS=0 Coeficiente de efecto de substrato g = 2qNAe si ¢ Cox Compensación del cambio en la carga en la zona de carga espacial debido a VBS ¹ 0 æ NA ö ÷÷ è ni ø fB = Vt × lnçç Jorge Castro-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 42 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Región subumbral Región lineal Región saturación Curvas Umbral Efecto del sustrato VBS2 < VBS1< 0 ID VBS=0 VBS1 VBS2 VDS ³ VGS-VTH 0 VGS 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-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 43 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Análisis de circuitos Determine si el existe un canal inducido en el transistor: VGS ≥ VT H esto permite establecer si se encuentra “encendido” o “apagado”. Si el transistor se encuentra activo, determine si el canal es continuo: VGD > VT H o comprimido: VGD ≤ VT H Jorge Castro-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 44 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Ejemplos (1) Diseñe el circuito para que ID = 0, 4 mA y VD = 0, 5 V. El transistor tiene VT H = 0, 7 V, µn Cox = 100µA/ V2 , L = 1µm, W = 32µm. Desprecie el efecto de modulación de la longitud del canal. Jorge Castro-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 45 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Ejemplos (2) Determine el valor de R y VD , de manera que el circuito presente una corriente ID = 80µA. El transistor NMOS presenta VT H = 0, 6 V, µn Cox = 200µA/ V2 , L = 0, 8µm, W = 4µm. Considere λ = 0. Jorge Castro-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 46 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Ejemplos (3) Diseñe el circuito para que VD = 0, 1 V. Considere que VT H = 1 V, kn0 (W/L) = 1 mA/ V2 . Determine la resistencia entre fuente y drenador. Jorge Castro-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 47 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Ejemplos (4) Determine las tensiones en todos los nodos y las corrientes en todas las ramas del circuito. Considere que VT H = 1 V, kn0 (W/L) = 1 mA/ V2 , λ=0 Jorge Castro-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 48 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Ejemplos (5) Se desea que el transistor del circuito opere en saturación con ID = 0, 5 mA y VD = 3 V. El transistor presenta |VT H | = 1 V, kn0 (W/L) = 1 mA/ V2 . Desprecie el efecto de modulación del largo del canal. ¿Cuál es el máximo valor que puede tener RD que permita mantener la operación del transistor en la región de saturación? Jorge Castro-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 49 / 50 Generalidades Regiones de operación Ejemplos Referencias Bibliográficas I A. Sedra, K. Smith. Circuitos Microelectrónicos. McGraw-Hill, 5ta edición, 2006. Jorge Castro-Godı́nez Fundamentos del transitor MOSFET 50 / 50
