FUNDAMENTOS FÍSICOS Y TECNOLÓGICOS DE LA INFORMÁTICA

FUNDAMENTOS FÍSICOS Y TECNOLÓGICOS DE LA INFORMÁTICA

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

02/12/2010 Tema 5: “El Transistor MOS” 8

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

02/12/2010 Tema 5: “El Transistor MOS” 11

Curvas características de los transistores MOS obtenidas con

Microwind-2

nMOS pMOS

02/12/2010 Tema 5: “El Transistor MOS” 12

02/12/2010 Tema 5: “El Transistor MOS” 13

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

02/12/2010 Tema 5: “El Transistor MOS” 18

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

02/12/2010 Tema 5: “El Transistor MOS” 24

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

02/12/2010 Tema 5: “El Transistor MOS” 29

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