Electrónica para Sistemas Industriales

PAC- Performance-centered Adaptive Curriculum for Employment Needs
Programa ERASMUS: Acción Multilateral - 517742-LLP-1-2011-1-BG-ERASMUS-ECUE
MASTER DEGREE:
Industrial Systems Engineering
ASIGNATURA ISE3:
ELECTRÓNICA PARA SISTEMAS INDUSTRIALES
MÓDULO 1:
Principios básicos de circuitos integrados MOS y BIPOLAR y
módulos Multichip
TAREA 1-1:
CIRCUITOS INTEGRADOS MOS
Electrónica para Sistemas Industriales
Contenido
TAREA 1-1: CIRCUITOS INTEGRADOS MOS ...........................................................................................................4
1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ...........................................................................................................................4
2. CONTENIDO .....................................................................................................................................................................5
2.1 Historia de la computación y el transistor ......................................................................................5
2.2 El transistor MOS .............................................................................................................................................10
2.3 Aplicaciones y elementos de los Circuitos Integrados MOS ............................................19
3. CONCLUSIONES .........................................................................................................................................................22
4. BIBLIOGRAFÍA Y/O REFERENCIAS ...................................................................................................................22
5. ENLACES DE INTERÉS ............................................................................................................................................22
Índice de figuras
Figura 1: Réplica de la máquina diferencial de Babbage .........................................................................5
Figura 2: Computador Atanasoff-Berry ....................................................................................................................5
Figura 3: Computadora Harvard MARK-1 ...............................................................................................................6
Figura 4: Computador ENIAC ..........................................................................................................................................6
Figura 5: Inventores del primer transistor en Laboratorios Bell ...........................................................7
Figura 6: Primer circuito integrado de Jack Kilby ..........................................................................................7
Figura 7: Microprocesador INTEL 4004 ...................................................................................................................8
Figura 8: Computador ALTAIR 8800 ..........................................................................................................................8
Figura 9: Microprocesador INTEL Pentium 4 .......................................................................................................8
Figura 10: Esquema de funcionamiento de un transistor MOS .........................................................10
Figura 11: Estructura de un MOSFET de acumulación .............................................................................11
Figura 12: Sección de un MOSFET de acumulación ..................................................................................11
Figura 13: Modos de funcionamiento de un transistor MOS...............................................................12
Figura 14: Transistor MOS en región Lineal ....................................................................................................13
Figura 15: Transistor MOS en región de Saturación .................................................................................13
Figura 16: Característica de salida Intensidad - Tensión (MOS Canal largo) ......................... 14
Figura 17: Característica de entrada Intensidad - Tensión (MOS Canal largo) ..................... 14
Figura 18: Característica de entrada Intensidad - Tensión (MOS Canal corto) ..................... 14
Figura 19: Característica de salida Intensidad - Tensión (MOS Canal corto) ......................... 15
Figura 20: Saturación de la mobilidad (MOS Canal corto) ...................................................................15
Figura 21: Comparación características salida Intensidad-Tensión en MOS de canal
corto y largo ...........................................................................................................................................................................16
Figura 22: Capacidades entre los elementos de un transistor MOS .............................................16
Figura 23: Parámetros sobre la capacidad de la puerta en un transistor MOS .................. 17
Figura 24: Capacidad de la puerta en las distintas regiones de un transistor MOS ....... 17
Figura 25: Topología de inversor con tecnología Bipolar (arriba) y MOS (abajo) ............... 19
CIRCUITOS INTEGRADOS MOS
2
Electrónica para Sistemas Industriales
Figura 26: Sección de un circuito CMOS ...........................................................................................................20
Figura 27: Esquema y Topología de una puerta NAND con CMOS ...............................................20
Figura 28: Esquema de un inversor CMOS .......................................................................................................21
CIRCUITOS INTEGRADOS MOS
3
Electrónica para Sistemas Industriales
TAREA 1-1: FUNCIONES Y CARACTERÍSTICAS DE IS.
CONCEPTOS DE ORDENADORES (Formato Título 1)
1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
Vamos a ver el proceso de desarrollo histórico de los transistores, que
ha ido desarrollando los circuitos y aplicaciones en los que forma parte, tanto
en electrónica analógica como digital.
Además vamos mostrar cómo se construye el tipo de transistor más
utilizado en electrónica digital, el MOS o MOSFET (transistor de efecto campo
metal-óxido-semiconductor), sus parámetros de funcionamiento y aplicaciones.
El objetivo es comprender las características y modos de funcionamiento
del transistor MOS, para conocer sus ventajas y desventajas y comprender su
aplicación en los sistemas tecnológicos de información.
CIRCUITOS INTEGRADOS MOS
4
Electrónica para Sistemas Industriales
2. CONTENIDO
2.1 Historia de la computación y el transistor
La máquina diferencial de Babbage (figura 1) es considerado el primer
computador de la historia. Su funcionamiento es puramente mecánico y fue
diseñado por Babbage para realizar cálculos polinómicos. Aunque fue
financiado por el gobierno inglés las limitaciones de la época impidieron que
se terminara su construcción. Posteriormente Babbage desarrollo una máquina
más perfeccionada, la máquina de cálculo analítico, que servía para múltiples
funciones que dependían de una programación, aspecto novedoso que aplicó
gracias a la “máquina del telar” de “otro inventor”.
Figura 1: Réplica de la máquina diferencial de Babbage
El computador Atanasoff-Berry (figura 2) es considerado el primer
computador digital de la historia (1937-1941) y podía resolver a la vez
sistemas de 29 ecuaciones con 29 incógnitas. Estaba basado en válvulas de
vacío. Esta máquina fue la primera en almacenar datos como cargas en un
condensador (hoy en día los computadores
almacenan de esta manera
información en la memoria principal, DRAM). Fue también la primera en utilizar
aritmética binaria, procesado paralelo y funciones computacionales divididas
(rutinas) sobre el uso de memoria y gestión.
Figura 2: Computador Atanasoff-Berry
CIRCUITOS INTEGRADOS MOS
5
Electrónica para Sistemas Industriales
Un logro más reciente fue el computador Harvard Mark I (figura 3),
construido en 1944 en la universidad de Harvard por Howard H. Aiken. Fue el
primer computador digital programable en U.S. pero no era puramente
electrónico. De hecho Mark I fue construido con interruptores, relés, ejes de
transmisión y embragues. Empleaba señales electromagnéticas para mover las
partes mecánicas. Se programaba con interruptores y leía los datos en cintas
de papel perforado. Pesaba 5 Tn, incorporaba 500 millas de cable, tenía 8
pies de alto y 51 de largo, y tenía un eje de transmisión de 50 pies girando
en toda su longitud, movido por un motor eléctrico de 5 CV. El Mark I
funcionó ininterrumpidamente por 15 años.
Figura 3: Computadora Harvard MARK-1
El título de antepasado de todos los computadores electrónicos digitales
se suele adjudicar al ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator).
ENIAC (figura 4) fue construido en la universidad de Pensilvania entre 1943 y
1945 por dos profesores, John Mauchly y J. Presper Eckert. ENIAC llenaba un
habitáculo de 20 por 40 pies, pesaba 30 TN, y usaba más de 18.000 válvulas
de vacío. Era totalmente digital, ya que ejecutaba sus procesos y operaciones
mediante lenguaje máquina. Una multiplicación que requería 6 segundos en la
MARK 1 podía llevarse a cabo en el ENIAC en 2.8 milésimas de segundo. La
frecuencia básica del reloj eran 100.000 ciclos por segundo. La patente ENIAC
fue declarada inválida el 19 de Octubre de 1973, por el Juez Federal de U.S.
Earl R. Larson. Este atribuyó a Atanasoff y Berry la invención de la
computadora electrónica digital.
Figura 4: Computador ENIAC
CIRCUITOS INTEGRADOS MOS
6
Electrónica para Sistemas Industriales
El primer transistor se inventó en los Laboratorios Bell el 16 de
Diciembre de 1947, por William Shockley, John Bardeen y Walter Brattain
(figura 5) Este fue quizás el acontecimiento más importante para la electrónica
del siglo 20, ya que después hizo posible el circuito integrado y el
microprocesador, que son las bases de la electrónica moderna. Era un
transistor bipolar de unión BJT, y funcionaba como un conmutador de estado
sólido que permitía sustituir a los relés. No sería hasta 1959 cuando también
los laboratorios BELL inventaron el MOSFET o transistor metal-óxidosemiconductor de efecto campo.
Figura 5: Inventores del primer transistor en Laboratorios Bell
El primer circuito integrado (figura 6) fue desarrollado en 1959 por el
ingeniero Jack Kilby pocos meses después de haber sido contratado por la
firma Texas Instruments. Se trataba de un dispositivo de germanio que
integraba seis
transistores
de
lógica
bipolar en
una
misma
base
semiconductora para formar un oscilador de rotación de fase. Con el
dispositivo se resolvían los problemas de malas conexiones en circuitos cada
vez más complejos y con mayor número de componentes. Unos meses más
tarde Robert Noyce (cofundador de INTEL) patentó su propio circuito integrado
en el que introducía una mejora crucial al simplificar la estructura del chip de
Jack Kilby, y que es la adición de una fina película metálica. La capacidad de
producción masiva de circuitos integrados, su confiabilidad y la facilidad de
agregarles complejidad, llevó a su estandarización, reemplazando diseños que
utilizaban transistores discretos, y que pronto dejaron obsoletas a las válvulas
o tubos de vacío. En el año 2000, cuando ya contaba con 77 años, Jack Kilby
fue galardonado con el Premio Nobel de Física.
Figura 6: Primer circuito integrado de Jack Kilby
CIRCUITOS INTEGRADOS MOS
7
Electrónica para Sistemas Industriales
En 1971 se comercializó el primer microprocesador en un simple chip,
el INTEL 4004 (figura 7), que contenía 2300 transistores y estaba sincronizado
a 108 Khz. (I.e., 108,000 ciclos por segundo).
Figura 7: Microprocesador INTEL 4004
El primer computador personal del mundo (PC) fue el Altair MITS 8800
(figura 8), basado en la CPU MP 8080 de Intel. Con seguridad era personal:
tenías que construirlo tú mismo a partir de un kit de piezas que llegaban con
el envío. Fue la chispa que condujo a la revolución del computador personal.
Además utilizó el primer lenguaje de programación para máquina, el Altair
BASIC, escrito por Bill Gates y Paul Allen, fundadores de Microsoft.
Figura 8: Computador ALTAIR 8800
Tras varias generaciones de microprocesadores fue mejorando su
rendimiento a la par que disminuyendo su tamaño. Se puede destacar el INTEL
Pentium 4, usado como CPU para sobremesa y portátiles e introducido por
Intel el 20 de Noviembre del 2000, con presencia en el mercado hasta el 8 de
Agosto de 2008. El primer Pentium 4 estaba sincronizado desde 1.3 GHz a 2
GHz y contenía sobre 42 millones de transistores.
Figura 9: Microprocesador INTEL Pentium 4
CIRCUITOS INTEGRADOS MOS
8
Electrónica para Sistemas Industriales
En 1965 Gordon Moore observó el hecho de que el número de
transistores en un chip se duplicaba cada 18 – 24 meses. El predijo que la
eficiencia de la tecnología de semiconductores se iba a duplicar cada 18
meses. Esto se conoce como Ley de Moore. Las prestaciones de muchos
dispositivos digitales electrónicos están fuertemente ligadas a la ley de Moore:
velocidad de proceso, capacidad de memoria, sensores e incluso el número y
tamaño de los píxeles en una cámara digital. Todo esto está mejorando
(aproximadamente) también a ritmo exponencial. Esta mejora exponencial ha
intensificado drásticamente el impacto de los circuitos electrónicos en casi
todos los sectores de la economía global. Esta tendencia se ha prolongado
durante más de medio siglo. En 2005 las fuentes pronosticaban que
continuaría hasta al menos 2015 o 2020. Sin embargo, en 2010, la predicción
hecha por el Panel Internacional de Semiconductores predecía una
ralentización al final de 2013, después de la cual la densidad y cantidad de
semiconductores se iban a doblar solo cada tres años.
Para hacernos una idea de la mejora tecnológica producida en el
campo de la electrónica hay que observar que los primeros transistores MOS
tenían longitudes de canal de varios micrómetros, mientras que los dispositivos
modernos utilizan tecnologías de apenas decenas de nanómetros. En 2011
INTEL lanzó el microprocesador Core i7 de tercera generación fabricado con
tecnología de 22 nm, y contiene aproximadamente 1480 millones de
transistores.
Al ritmo que progresa la tecnología actual se sabe que pronto
llegaremos al límite de miniaturización de los transistores basados en silicio.
Actualmente se está investigando con transistores de efecto túnel cuántico,
mediante el cuál una partícula puede violar los principios de la mecánica
clásica penetrando en una barrera de potencial mayor que la propia energía
cinética de la partícula. En el caso de los transistores los electrones saltarían
entre un átomo y otro al aplicar un potencial volviéndose el dispositivo
conductor. Los primeros logros en este campo tenían la desventaja de
necesitar temperaturas muy bajas, pero ya se han probado dispositivos que
funcionan a temperatura ambiente. Además del tamaño, tendrían la ventaja de
evitar el desperdicio energético que generan las pérdidas electrónicas en los
transistores de silicio. En este sentido el desarrollo futuro de la electrónica
sigue siendo prometedora.
CIRCUITOS INTEGRADOS MOS
9
Electrónica para Sistemas Industriales
2.2 El transistor MOS
El MOS ó MOSFET (“Transistor de efecto campo metal-óxidosemiconductor”) es el dispositivo primordial que ha propiciado los rápidos
avances en electrónica digital las últimas décadas, gracias a su inferior
tamaño y consumo energético respecto a otros tipos de transistores.
Conceptualmente es un interruptor – amplificador electrónico controlado
por tensión (figura 10) que se compone básicamente por una célula de silicio
con distintas áreas dopadas para formar silicio extrínseco tipo n y tipo p,
aislado con un capas de dióxido de silicio de una puerta de polisilicio, y con
contactos metálicos para la circulación de las señales eléctricas.
Figura 10: Esquema de funcionamiento de un transistor MOS
El mecanismo del MOSFET de acumulación es el de un transistor
monopolar, es decir, se basa en la conexión o desconexión de dos zonas de
silicio dopado con el mismo tipo de portadores mayoritarios, llamados fuente
y drenador, a través de la formación de un canal de ese tipo de portadores
en el material que las separa, el sustrato, cuyos portadores mayoritarios son
precisamente del tipo contrario. Este canal se consigue aplicando tensión en la
zona de sustrato que separa fuente y drenador, a través de una puerta de
polisilicio, aislada del sustrato mediante una capa dieléctrica de dióxido de
silicio, con el signo adecuado para atraer a los portadores minoritarios y
repeler a los mayoritarios (tensión positiva para sustrato tipo P o tensión
negativa para sustrato tipo N). De esta forma se crea una zona de
agotamiento donde quedan expuestos los iones de los átomos donadores
cargados positivamente (si es de tipo N) o los iones de los átomos aceptores
cargados negativamente (si es de tipo P) ya que los portadores mayoritarios
que equilibraban la carga eléctrica se han repelido. Gracias a esta zona libre
de portadores mayoritarios los portadores minoritarios se pueden acumular en
las cercanías del aislante atraídas por la tensión de la puerta, lo que
configura el canal o zona de inversión. Esto ocurrirá a una tensión en la que
la densidad volumétrica de portadores minoritarios en la región de inversión
sea igual o mayor que la densidad de portadores mayoritarios en el sustrato
(tensión de umbral VT0). Podemos ver la estructura de un MOSFET de
acumulación en la figura 11.
CIRCUITOS INTEGRADOS MOS
10
Electrónica para Sistemas Industriales
Figura 11: Estructura de un MOSFET de acumulación
A diferencia de los MOSFET de acumulación, en los MOSFET de
empobrecimiento existe un canal conductor formado en reposo y al aplicar
tensión a la puerta lo que se consigue es una disminución de los portadores
de carga y por tanto de la conductividad.
Según se observa en la figura 12, el transistor MOS es un dispositivo
de 4 terminales: fuente (S), drenador (D), puerta (G) y sustrato (B), aunque
generalmente la fuente está unida al sustrato quedando así 3 terminales.
+
VGS
S
-
D
G
n+
n+
n-channel
Depletion
Region
p-substrate
B
Figura 12: Sección de un MOSFET de acumulación
En sus inicios la puerta era de metal (aluminio) y de ahí que aparezca
el término “metal” en el nombre del transistor. Actualmente las compuertas
metálicas están volviendo a ganar importancia ya que permiten incrementar la
velocidad del transistor más que con el silicio policristalino. El óxido utilizado
para aislar la puerta del sustrato también se ha sustituido por otros materiales
para obtener canales fuertes con tensiones más pequeñas.
Tenemos dos tipos de transistores según el tipo de silicio extrínseco
utilizado: NPN Y PNP. En los NPN tanto la fuente como el drenador están
compuestos N+ (el signo + significa un nivel de dopaje de átomos donadores
superior al nivel de dopaje de átomos aceptores de las zonas P) mientras que
el sustrato está compuesto por silicio tipo P. En este caso cuando se forma el
canal debajo de la puerta en tensión se atraen los portadores de carga
minoritarios del sustrato tipo P (electrones) que son los mimos que los
mayoritarios de la fuente y el drenador (tipo N) y se repelen los portadores
de carga mayoritarios del sustrato (huecos). En el tipo PNP la situación es la
CIRCUITOS INTEGRADOS MOS
11
Electrónica para Sistemas Industriales
opuesta, el canal se forma en un sustrato tipo N donde se produce un canal
vaciado de electrones y con acumulación de huecos, que son los portadores
de carga que podrán fluir entre fuente y drenador.
En función de la tensión aplicada a la puerta del transistor, y debido al
comportamiento no lineal del mismo, se producen tres modos de
funcionamiento, corte, región lineal y saturación. En la figura 13 se observa
como varía el canal en función de la tensión entre los terminales del
transistor, lo que produce los distintos modos de funcionamiento.
Figura 13: Modos de funcionamiento de un transistor MOS
1. Transistor en corte: La tensión aplicada entre puerta y sustrato (VGS) es
inferior a la tensión umbral (VT0), no se forma el canal de conducción y
las uniones fuente-sustrato y drenador-sustrato tienen una barrera de
potencial de polarización inversa, por lo que la corriente entre fuente y
drenador no fluye (tan solo fluye una pequeña corriente de sub-umbral,
que es una función exponencial de la tensión de la puerta).
2. Transistor en región óhmica o lineal: Cuando VGS es mayor que VT0 y la
tensión entre drenador y fuente (VDS) es menor que la diferencia entre
la tensión de puerta y tensión de umbral (VDS < VGS-VT0) se forma un
canal de portadores que permite la circulación de estos entre fuente y
drenador, en cuanto se aplique un campo con una diferencia de
potencial VDS (ver figura 14). La corriente será proporcional a VDS, por lo
que el transistor se comporta como una resistencia controlada por la
tensión de la puerta. Esto se debe a que la magnitud del canal
formado es proporcional a la diferencia de tensión VGS - VT0.
CIRCUITOS INTEGRADOS MOS
12
Electrónica para Sistemas Industriales
Figura 14: Transistor MOS en región Lineal
3. Transistor en región de saturación: Cuando VDS es lo suficientemente
grande, mayor que VGS - VT0, la corriente es grande y se produce una
tensión dentro del canal según se aleja de la fuente, provocando una
disminución de la tensión VDS y por lo tanto afinando el canal según
nos acercamos al drenador. Si seguimos aumentando la tensión la
anchura del canal se estrangula a nivel del drenador (ver figura 15). En
este caso la corriente no se interrumpe, ya que depende del campo
entre drenador y fuente, pero se mantiene constante aunque sigamos
aumentando VDS.
Afinamiento canal
Figura 15: Transistor MOS en región de Saturación
En la figura 16 podemos observar las características de salida TensiónIntensidad entre el drenador y la fuente, cuando la tensión de la puerta ha
superado la tensión umbral (VGS > VT0) nos muestran primero la zona lineal y
el paso a la zona de saturación. También se observa que la resistencia
óhmica es variable y depende de VGS - VT0, además de un incremento en la
tensión de saturación conforme aumenta la diferencia VGS - VT0.
CIRCUITOS INTEGRADOS MOS
13
Electrónica para Sistemas Industriales
Figura 16: Característica de salida Intensidad - Tensión (MOS Canal largo)
Para transistores clásicos, de canal largo la relación de dependencia entre
corriente de drenador y tensión de puerta es cuadrática, como se puede
observar en la figura 17.
Figura 17: Característica de entrada Intensidad - Tensión (MOS Canal largo)
Para transistores submicrónicos modernos, de canal corto, la relación de
dependencia entre corriente de drenador y tensión de puerta es lineal, como
se puede observar en la figura 18.
Figura 18: Característica de entrada Intensidad - Tensión (MOS Canal corto)
CIRCUITOS INTEGRADOS MOS
14
Electrónica para Sistemas Industriales
Además si observamos la característica de salida Intensidad-Tensión en un
transistor de canal corto (figura 19), la región de saturación se produce con
una tensión inferior entre drenador y fuente (VDS).
Figura 19: Característica de salida Intensidad - Tensión (MOS Canal corto)
Los modelos clásicos de funcionamiento del transistor en las tres regiones
de funcionamiento no describen exactamente su funcionamiento en los
transistores modernos ya que no tienen en cuenta efectos de segundo orden
como:
•
Saturación de movilidad: La relación entre la tensión de puerta y la
corriente de drenador no crece cuadráticamente en transistores de
canal corto, y esto se debe a la saturación de la velocidad de los
electrones, como se puede observar en la figura 19. Esto genera
diferencias en las características de salida Tensión–Intensidad con los
transistores clásicos de canal largo (ver figura 21).
Figura 20: Saturación de la movilidad (MOS Canal corto)
CIRCUITOS INTEGRADOS MOS
15
Electrónica para Sistemas Industriales
Figura 21: Comparación características salida Intensidad-Tensión en MOS de canal corto y largo
•
Efecto cuerpo o efecto sustrato: La tensión entre fuente y sustrato
modifica la tensión umbral que da lugar al canal de conducción.
•
Modulación de longitud de canal: La corriente de drenador es
aproximadamente constante e independiente de VDS en la región de
saturación para los dispositivos con canales muy largos (10 µm o más).
La longitud del canal se acorta a medida que aumenta VDS debido a
que la región de deplexión que rodea el drenador se hace más gruesa
al aumentar la polarización inversa entre drenador y sustrato. Para
canales largos el cambio en longitud es relativamente insignificante, sin
embargo para longitudes menores el efecto puede ser importante.
Cuando utilizamos el transistor MOS como conmutador se debe observar el
modelo dinámico del mismo para conocer las constantes de tiempo que
determinan la velocidad de conmutación. Además de la resistencia variable en
conducción hay que tener en cuenta que se producen capacidades entre los
distintos elementos del transistor, como se puede observar en la figura 22.
Figura 22: Capacidades entre los elementos de un transistor MOS
CIRCUITOS INTEGRADOS MOS
16
Electrónica para Sistemas Industriales
Mientras que las capacidades que se producen entre la puerta y el
semiconductor (con sustrato, fuente y drenador) se deben al dieléctrico de
aislamiento que se interpone entre ambos elementos las capacidades internas
de la célula de silicio, en las uniones entre drenador fuente con sustrato, se
deben a la carga almacenada en el campo de polarización inversa y a la
capacidad de difusión en conducción en la zona del canal. El parámetro más
importante es la capacidad de la puerta, que depende de parámetros
constructivos del transistor como longitud y anchura del canal y espesor del
dieléctrico de separación (Ver figura 23).
Figura 23: Parámetros sobre la capacidad de la puerta en un transistor MOS
Esta capacidad entre la puerta y el semiconductor varía en función del
régimen de funcionamiento del transistor, corte, lineal o saturación. Según se
puede observar en la figura 24, cuando estamos en la región de corte la
capacidad se produce entre puerta y sustrato. Si pasamos a la región lineal la
capacidad entonces se reparte entre puerta-drenador y puerta-fuente. En
región de saturación la capacidad se reduce a 2/3 partes y se produce solo
entre puerta-drenador.
Figura 24: Capacidad de la puerta en las distintas regiones de un transistor MOS
CIRCUITOS INTEGRADOS MOS
17
Electrónica para Sistemas Industriales
Históricamente, las dificultades de reducir el tamaño del MOSFET se han
asociado con el proceso de fabricación de los dispositivos semiconductores, la
necesidad de utilizar tensiones cada vez más bajas, y con bajo desempeño
eléctrico, requiriendo el rediseño de los circuitos y la innovación (los MOSFETs
pequeños presentan mayor corriente de fuga, e impedancia de salida más
baja). Producir MOSFETs con longitudes de canal mucho más pequeñas que un
es todo un reto, y las dificultades de la fabricación de semiconductores son
siempre un factor que limita el avance de la tecnología de circuitos integrados.
En la actualidad, el tamaño reducido del MOSFET, más allá de las decenas de
nanómetros, ha creado diversos problemas operacionales.
Algunos de los factores que limitan el escalamiento del MOSFET son los
siguientes:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Aumento de la corriente de sub-umbral
Aumento en las fugas compuerta-óxido
Aumento en las fugas de las uniones surtidor-sustrato y drenadorsustrato
Reducción de la resistencia de salida
Reducción de la transconductancia
Capacitancia de interconexión
Producción y disipación de calor
Variaciones en el proceso de fabricación
Retos en el modelado matemático
CIRCUITOS INTEGRADOS MOS
18
Electrónica para Sistemas Industriales
2.3 APLICACIONES Y ELEMENTOS DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS
MOS
El predominio de los Circuitos Integrados (CI) con transistores MOS
respecto a los Bipolares se deben a las siguientes ventajas y peculiaridades:
•
•
•
•
•
•
•
•
Cada transistor MOS se auto aísla del sustrato y resto de componentes
del CI, mientras que en los bipolares requieren elementos intermedios
de aislamiento.
Estructura más sencilla que simplifica el proceso de fabricación
reduciendo los costes y aumentando la productividad.
Consumo en modo de espera muy bajo
Tamaño muy inferior al transistor bipolar (actualmente del orden de
media micra). Esto redunda en una gran capacidad de integración (alta
y muy alta escala de integración), aumentando la potencia de cálculo
de los microprocesadores y una mayor diversificación funcional en cada
chip.
Funcionamiento por tensión, son controlados por voltaje por lo que
tienen una impedancia de entrada muy alta. La intensidad que circula
por la puerta es del orden de los nanoamperios.
Los circuitos digitales realizados con MOSFET no necesitan resistencias,
con el ahorro de superficie que conlleva.
La velocidad de conmutación es muy alta, siendo del orden de los
nanosegundos. Antiguamente el continuo escalamiento proporcional de
los parámetros dimensionales del transistor MOS, longitud de canal,
ancho de canal y espesor de la capa de óxido no modifican la
resistencia del canal mientras que si reducen la capacidad de la puerta,
redundando en una disminución de la constante de tiempo del
equivalente RC y por tanto la velocidad de conmutación. Actualmente
esto ya no se cumple ya que ganan importancia otros factores como el
tiempo de retardo de las conexiones.
Cada vez se encuentran más en aplicaciones en los convertidores de
alta frecuencias y baja potencia.
En la figura 25 podemos ver la diferencia estructural y de tamaño de un
inversor fabricado con tecnología Bipolar y tecnología MOS
Figura 25: Topología de inversor con tecnología Bipolar (arriba) y MOS (abajo)
CIRCUITOS INTEGRADOS MOS
19
Electrónica para Sistemas Industriales
La forma más habitual de emplear transistores MOSFET es en circuitos
de tipo CMOS. La tecnología CMOS utiliza transistores MOS complementarios
(PMOS Y NMOS) para la fabricación de circuitos integrados con diversas
funciones, combinándolos en el mismo bloque de silicio como se observa en
la figura 26.
Figura 26: Sección de un circuito CMOS
Así los transistores CMOS son muy utilizados tanto en electrónica digital
como analógica, entre los que se pueden destacar:
•
•
•
•
•
•
•
Compuertas lógicas (puertas NAND Y NOR, inversores, etc…)
Celdas de memoria SRAM y DRAM
Capacitores conmutados: emulan resistencias de gran valor
Amplificadores
Resistencias controladas por tensión
Circuitos de conmutación de potencia (HEXFET, FREDFET, etc.)
Mezcladores de frecuencia, con MOSFET de doble puerta
Podemos ver por ejemplo la implementación una puerta NAND con
tecnología CMOS a partir de dos transistores PMOS y dos NMOS. Se observa
el esquema eléctrico y la estructura topológica del circuito en la figura 27,
donde ambos tipos de transistores comparten las puertas de entrada y la
conexión de salida:
CIRCUITOS INTEGRADOS MOS
20
Electrónica para Sistemas Industriales
Figura 27: Esquema y Topología de una puerta NAND con CMOS
Los inversores CMOS son muy utilizados ya que presentan numerosas
ventajas:
•
•
•
•
Uno de los transistores está siempre en corte, por lo que el consumo
de energía es muy bajo.
Insensibilidad a los cambios en la tensión de alimentación así como a
las variaciones en las condiciones ambientales.
Prestaciones superiores
Compatibilidad con Circuitos Integrados Bipolares
Podemos ver los detalles del esquema del inversor CMOS, que utiliza un
transistor PMOS y otro NMOS en la siguiente figura:
Figura 28: Esquema de un inversor CMOS
CIRCUITOS INTEGRADOS MOS
21
Electrónica para Sistemas Industriales
4. CONCLUSIONES
El transistor es un dispositivo eléctrico no lineal que se puede utilizar
tanto como interruptor-conmutador como amplificador de señal. Se fabrican a
partir de un material semiconductor, el silicio, que es alterado y combinado
con otros materiales en un proceso de fabricación de bajo coste y que
permite gran flexibilidad en las prestaciones y funcionalidad de los circuitos en
los que forma parte.
La fabricación de transistores supuso un hito histórico para el
desarrollo de la era de la electrónica digital, que ha permitido revolucionar el
campo del tratamiento y almacenamiento de la información, que es hoy en día
el pilar básico para el funcionamiento de todos los sectores tecnológicos.
Además también ha permitido mejorar las aplicaciones de electrónica
analógica.
El transistor que más ha contribuido a esta expansión tecnológica es el
MOSFET, gracias a sus buenas cualidades eléctricas y sobre todo a su cada
vez más reducido tamaño que permite implementar sistemas cada vez más
complejos en chips o circuitos integrados más pequeños, por lo que la
mayoría de los circuitos integrados que se usan hoy en día son MOS.
4. BIBLIOGRAFÍA Y/O REFERENCIAS
[1] Allan R. Hambley. Electrónica. Ed. Pearson Educacion 2001
[2] Yeves Gutiérrez, Fernando; Castro Gil, Manuel Alonso; y Otros. ESTRUCTURA
Y TECNOLOGÍA DE COMPUTADORES I. Ed. UNED
5. ENLACES DE INTERÉS
http://www.youtube.com/watch?v=6AOdvdVnaI4
http://www.youtube.com/watch?v=bwxLdG6VxtA
http://www.youtube.com/watch?v=MCeVFBWu7to
http://www.youtube.com/watch?v=9JKj-wlEPMY
http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_diferencial
http://es.wikipedia.org/wiki/Atanasoff_Berry_Computer
http://es.wikipedia.org/wiki/Harvard_Mark_I
http://es.wikipedia.org/wiki/ENIAC
http://es.wikipedia.org/wiki/Altair_8800
http://es.wikipedia.org/wiki/Intel_4004
http://es.wikipedia.org/wiki/MOSFET
CIRCUITOS INTEGRADOS MOS
22