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ELTRANSISTORMOSFET
*LassiglasMOSFETcorrespondenaladescripcióndesuestructura:
METALOXIDESEMICONDUCTORFIELDEFFECTTRANSISTOR
TRANSISTORDEEFECTODECAMPOMETALOXIDOSEMICONDUCTOR.
*En1930elfísicoaustrohúngaroJuliusEdgarLilienfeld
desarrollóenformateóricalaestructuray
funcionamientodelostransistoresdeefectodecampo,
einclusiveintrodujopatentes,peronofuéposible
fabricarestedispositivohastavariasdécadasdespués,en
loslaboratoriosdelaBellThelephoneCompany,porlos
mismosdesarrolladoresdeltransistorbipolar.
*En1959,DawonKahngyMartinM.Atalla,tambiénenlos
LaboratoriosBell,inventaroneltransistordeefectodecampometalóxido-semiconductorMOSFET,(tambiénllamadoIGFET),comoun
avanceymejorasobreeldiseñodeltransistorFETpatentado.
COMPARACIÓNENTRELOSMOSFETYLOSBJT
*El funcionamiento de los FETs se basa en el movimiento de un solo
tipodeportadores,mientrasqueenlosBJTparticipanlosdostiposde
portadoresencadaconfiguración.
*Conlatecnologíaactual,elMOSFETeselelementofundamentalenla
fabricacióndeloscircuitosintegrados.Suprocesodefabricaciónesmás
simple,pudiéndosecolocarmasde200millonesenunchip.
*Con los MOSFETs es posible implementar circuitos integrados sin
necesidaddeotroscomponentes,comoresistenciasocondensadores.
*El MOSFET se utiliza tanto en circuitos integrados digitales como
analógicos, e inclusive se implementan chips con ambos tipos de
circuitos,denominadoscircuitoshíbridos.
ElBJTtieneaplicacionesespecíficas,generalmentedemayorpotencia.
ESTRUCTURADELMOSFETTIPOENRIQUECIMIENTOCANALN
(N-CHANNELENHANCEMENTTYPEMOSFET)
*Se fabrica sobre un
sustratotipop(Body,B).
*Se
difunden
dos
regiones n+, altamente
dopadas:SourceyDrain.
*Se "hace crecer" una
capa fina (entre 2nm y
50nm) de dióxido de
Silicio (SIO2), que es un
aislante, cubriendo el
áreaentreSourceyDrain,lacual,aldepositarsemetalsobreella,define
elterminalGate(G).
*Sedepositametalparacrearlosotrostresterminales(S),(D)y(B).
FUNCIONAMIENTODELMOSFETTIPOENRIQUECIMIENTOCANALN
*HaydosjunturasPN:UnaentreelDrainyelsustratoyotraentreel
Sourceelsustrato,queenprincipiopermanecenpolarizadasen
inverso,porloquenoentranenelfuncionamientodeldispositivo.
*SinvoltajeenGate:EntreDrain
ySourcehaydosdiodosespalda
contraespalda.Nohaycirculación
decorrienteaunqueseaplique
voltajeentreDrainySource.La
resistenciaesdelordende1012Ω.
*SeaplicavoltajeentreGatey
Source:Loshuecosdelaregión
Psonrepelidoshaciaabajo,
quedandounaregiónde
vaciamiento,dejandoal
descubiertoionesaceptores.El
voltajedeGatepositivoatrae
electronesdelasregionesn+,
creandouncanaltipon.
*Canaltipon:Secreainvirtiendo
lacapasuperiordelsustratode
tipopatipon.Sellamatambién
capadeinversión.
*Voltaje
de
umbral
(threshold) Vth: Voltaje VGS
para el cual se forma el canal.
Su valor se controla durante la
fabricación(0,5a1o2V).
*El campo eléctrico: El
terminal Gate y la región del
canal forman un condensador,
con la capa de óxido como
dieléctrico.ExistecargapositivaenelGateycarganegativaenelcanal,
porloquesedesarrollauncampoeléctricovertical.
Ésteeselcampoeléctricoque:Controlalacantidaddecargaenelcanal,
determina la conductividad del canal y por lo tanto determina la
corriente que circulará por el canal cuando se aplique voltaje entre
DrainySource.Esendefinitivaelcampoeléctricoquedasunombre
alosTransistoresdeEfectodeCampo,FETs.
*VoltajeVDSpequeño:CuandoVGSes
mayorqueVthyseaplicaunvoltajede
pequeña magnitud (50 mV) entre
Drain y Source, los electrones circulan
de Source a Drain, por lo tanto la
corrientevadeDrainaSource.
*La magnitud de la corriente depende
de la densidad de electrones en el
canal,quedependedeVGS.
*La conductancia del canal es
proporcionalalvoltajeVGS-Vth
*La corriente iD es proporcional al
voltajeVGS-VthyalvoltajeVDS.
*El dispositivo opera como una
resistencia cuyo valor está controlado
porVGS.
DebidoalaestructuraID=IS
*FuncionamientoalaumentarvDS:
EnelladoSelvoltajeesvGS
EnelladoDelvoltajevDS estádado
porvDS=vGS-vGD
Al ir aumentando vDS, vGD va
disminuyendo: El canal se
estrechadelladodeDrain.
*CuandoVGS-VDS=Vth,elcanalprácticamentedesaparece.
*Estefenómenoseidentificacomopinch-off
*ElvalordeVDSparaelqueocurreestefenómenosedenominaVDSsat
*VDSsatdependedelvalordeVGSexistente:
Al aumentar más VDS manteniendo VGS constante, la corriente ID no
aumentayeldispositivoentraenlazonadesaturación.
CURVASCARACTERÍSTICASDEUN
MOSFETCANALNDEENRIQUECIMIENTO
ECUACIONESCORRIENTE-VOLTAJEPARAEL
MOSFETDEENRIQUECIMIENTO
*Paralaregiónóhmicaoregióndetriodo
se cumple que VGS>Vth VDS<VGS-Vth
VGD>Vth
LarelaciónentrelacorrienteiD,elvoltajevGS
yelvoltajevDSes:
Donde:
µn:movilidadelectronesenelcanal.
Cox: Capacitancia por unidad de área del condensador de placas
paralelasconlacapadeóxidocomodieléctico.
W:AnchodelcanalL:Longituddelcanal
Laresistenciadeldispositivoes:
*Para la región de saturación se cumple VGS≥Vth VDS≥VGS-Vth
VGD<Vth
SustituyendoVDSporVDS=VGS-Vthenlaecuacióndelaregióndetriodose
obtiene:
µnCox:Constantedeterminadaporla
tecnologíautilizadaparafabricarel
MOSFET:Parámetrode
transconductanciadelproceso
(W/L):RelacióndeaspectodelMOSFET:Eldiseñadorseleccionaeste
parámetroparadefinirlacaracterísticai-vdelMOSFET.Alavanzarla
tecnologíadefabricaciónsevanreduciendoWyL.
FORMADEPRESENTACIÓNDELASECUACIONESDELMOSFETDE
ENRIQUECIMIENTO
DelaecuaciónquedefineelumbralVDS=VGS-Vth=VOV
Sedefine
ParalaregióntriodoVGS>VthVDS<VGS-VthVGD>Vth
ParalaregióndesaturaciónVGS≥VthVDS≥VGS-VthVGD<Vth
CARACTERÍSTICADETRANSFERENCIAIDVS.VGSDEL
MOSFETDEENRIQUECIMIENTO
Delaecuaciónenlazonadesaturaciónpuederealizarselagráficadela
corrienteiDvs.elvoltajevGSenellímiteentrelasregiones.
Enlaregiónde
saturaciónelMOSFET
secomportacomouna
fuentedecorriente
cuyovalorestá
controladoporvGS.
CARCTERÍSTICASCOMPLETASDELMOSFETTIPONDE
ENRIQUECIMIENTO
ElMOSFETsecomportacomounafuentedecorrientecuyovalorestá
controladoporvGS
REPRESENTACIÓNCIRCUITALDELAOPERACIÓNDELMOSFETEN
LAREGIÓNDESATURACIÓN:
CIRCUITOEQUIVALENTEDEGRANSEÑAL
RESISTENCIAENLAREGIÓNDESATURACIÓN
*Enlapráctica,alaumentarvDS
seveafectadoelpuntodepinchoff.Lalongituddelcanalse
reduce(modulacióndela
longituddelcanal).
*LacorrienteiDesinversamenteproporcionalala
longituddelcanalyaumenta.
λ esunparámetroquedependedelatecnologíautilizaday
esinversamenteproporcionala
lalongituddelcanal.
CARACTERÍSTICASREALESDESALIDADEUNMOSFETTIPO
ENRIQUECIMIENTOCONSIDERANDOLAMODULACIÓNDELCANAL
EXTRAPOLACIÓNDELASCURVASCARACTERÍSTICASDELMOSFET
Lainterseccióndela
extrapolacióndelas
curvasocurreen
VA=1/λ.
Laresistenciade
salidaes
Elmodelodegranseñalqueda:
REGIÓNDERUPTURA
Razones:
*AvoltajesvGS
elevadosseperforael
dieléctricoysedaña
eldispositivo.Como
laimpedanciade
entradaeselevada,
cargasestáticas
pequeñaspueden
producirvaloresaltos
devGS.Seprotegecon
diodos.
*EnMOSconcanalescortosocurrepunch-throughcuandoalaumentar
vDSelcanaldesapareceeiDaumenta.Noesdestructivo.
*AmedidaqueaumentaVDsellegaalvoltajedeavalanchadelajuntura
PN(50a100V)ylacorrienteaumentarápidamente.
ELEFECTOSUSTRATO
*UsualmenteelSustratoseconectaalSource,porloqueseusael
modelosimplificadodetresterminales.
*Encircuitosintegradoselsustratoescomúnavariosdispositivos.
*ParamantenerlacondicióndecortedelajunturaPNelsustratose
conectaalafuentemásnegativaparaNMOSyalamáspositivapara
PMOS.Estoaumentalaregióndevaciamientoyreducelaprofundidad
delcanal.ParareponerelcanalhayqueaumentavGS.
*ElefectosepuederepresentarcomouncambioenVthalvariarVSB
Donde:Vtho:VoltajeVthparaVSB=0
φf=Parámetrofísico(2φf≈0,6V)
γ =Parámetrodelprocesodefabricación.Parámetrodelefectosustrato
*ElterminalBactúacomootroGdelMOSFET.
MOSFETDEENRIQUECIMIENTOCANALP
*Losportadoressonloshuecos.
*LosvoltajesVGSyVDSsonnegativos.
*Las ecuaciones para la región triodo y la
regióndesaturaciónsonlasmismas.
*Inicialmente los PMOS dominaban el
mercado, pero luego se desarrollaron NMOS
más pequeños y más rápidos, que necesitan
voltajesdefuentemenores.
*LosPMOSestánpresentesen
laestructuradeMOSFET
complementariosoCMOS,
queeslatecnologíadominantehoyendía.
SÍMBOLOSCIRCUITALES
ParaelNMOSdeenriquecimiento(MOSTETcanalN)
ParaelPMOSdeenriquecimiento(MOSTETcanalP)
MOSFETCOMPLEMENTARIOSOCMOS
*Esta tecnología se usa en circuitos integrados, tanto
analógicoscomodigitales.
*El NMOS se implementa directamente sobre el
sustratoP.
*ParaelPMOSsefabricaunaregiónN.
*Seincluyeunaislamientoentrelosdosdispositivos.
MOSFETDEVACIAMIENTOOEMPOBRECIMIENTO(DEPLETION)
*Tieneuncanalimplantadodurantela
fabricación.
*SiseaplicavDShaycirculaciónde
corrienteaúnconvGS=0.
*ParavGSpositivosaumentaelcanaly
circulaunaiDmayor.
*ParavGSnegativosdisminuyeelcanaly
laconductividaddecrece.ElMOStrabaja
enelmododevaciamiento.
*CuandovGSllegaalvalorenelquese
haneliminadolosportadoresdelcanal,lacorrienteiDesceroaunque
todavíahayavDSaplicado.DichovalordevGSeselvoltajedeumbralVth
CURVASCARACTERÍSTICASDELMOSFETDE
VACIAMIENTOCANALP
VOLTAJESYCORRIENTESENLOSMOSFETDEVACIAMIENTO
CURVASCARACTERÍSTICASiDvsVGSPARAMOSFETSDE
ENRIQUECIMIENTOYDEVACIAMIENTOCANALNYCANALP
MOSFETDEPOTENCIA
POLARIZACIÓNDEMOSFETS
1.-DeterminelosvaloresdelasresistenciasparaqueelMOSFEToperea
ID=0,4mAyVD=0,5V.LosparámetrossonVth=0,7V,µnCox=100µA/V2,
L=1µmW=32µm.Considereλ =0.
DadoqueVD=0,5VesmayorqueVG,(VGD<Vth)el
MOSFETvaaestarenlaregióndesaturación.
Sustituyendo:
Vov=±0,5V
Vs=-1,2V
2.-DetermineelvalordelaresistenciaRparaqueelMOSFEToperea
ID=80µAydetermineelvalordeVD.LosparámetrossonVth=0,6V,
µnCox=200µA/V2,L=0,8µmW=4µm.Considereλ =0.
VGD=0.ComoVGD<Vthestáenlaregióndesaturación.
3.-DetermineelvalordelaresistenciaRparaqueVD=0,1V.¿Cuálesla
resistenciaefectivaentreDrainySourceenestepuntodeoperación?
LosparámetrossonVth=1V,kn'(W/L)=1mA/V2.
VG=5VyVD=0,1VVGD=4,9V
VGD>VthEstáenlaregióndetriodo
Seselecciona12kΩ
4.-Determineelvalordelosvoltajesy
corrientes.LosparámetrossonVth=1V,
kn'(W/L)=1mA/V2.
VoltajedeTheveninenelGate:
Secomienzasuponiendosaturación.
Dosvalores:0,89y0,5
Con0,89mAVGS=5-0,89x6=5-5,34=-0,34V;VGS<VthNoesválido
Con0,5mAVGS=5-0,5x6=5-3=2V;VGS>Vth
VD=10-6x0,5=7VVGD=5-7=-2V<Vth=1VEstáensaturación
VS=6x0,5=3V;VDS=VD-VS=7-3=4V
5.-Determineelvalordelosvoltajesycorrientes.Losparámetrosson
Vth=1,5Vk'(W/L)=0,25mA/V2
Puntodeoperación.SuponemosqueelMOSFETestáensaturación
ComolacorrientedeGateesceronohaycaídadevoltajeenRG,porlo
tantoVD=VG.ElvoltajedeSourceescero.EntoncesVGS=VG=VD
Resolviendo
Resolucióndelaecuacióndesegundogrado
6.-Determineelpuntodeoperación
AnálisisdelcircuitoGate-Source
Resolucióndelaecuación
Puntodeoperación:ID=1mA,VDS=3V,VGS=2V
RECTADECARGA