MOSFET DE ENRIQUECIMIENTO

ESTRUCTURA Y OPERACIÓN FÍSICA DE TRANSISTORES NMOS Y PMOS

2015-1

Prof. Gustavo Patiño. M.Sc. Ph.DMJ 12- 1407-07-2015

Fig. 5.1 Physical structure of the enhancement-type NMOS transistor: (a) perspective view; (b) cross section. Typically L = 1 to 10 m, W = 2 to 500 m, and the thickness of the oxide layer is in the range of 0.02 to 0.1 m.

ESTRUCTURA FÍSICA DEL TRANSISTOR NMOS DEL TIPO DE ENRIQUECIMIENTO

Sin VGS RSD >>RSD = 1012 Ω

TRANSISTOR NMOS DE ENRIQUECIMIENTO CON VOLTAJE POSITIVO EN EL GATE

Fig. 5.2 The enhancement-type NMOS transistor with a positive voltage applied to the gate. An n channel is induced at the top of the substrate beneath the gate.

Específicamente para VGS igual al voltaje denominado Vt, el canal es sólo inducido, y la corriente conducida entre Drain y Source es aún tan pequeña que resulta despreciable.

Fig. 5.3 An NMOS transistor with vGS > Vt and with a small vDS applied. The device acts as a conductance whose value is determined

by vGS. Specifically, the channel conductance is proportional to vGS - Vt, and this iD is proportional to (vGS - Vt) vDS. Note that the

depletion region is not shown (for simplicity).

• vDS pequeño entre 0.1 y 0.2 V.

• A medida que vGS excede a Vt más electrones son atraídos hacia el canal.

• Incremento en la profundidad del canal.

• Reducción de la resistencia y aumento de la conductancia.

• Enriquecimiento del canal.

TRANSISTOR NMOS CON VGS>Vt Y VDS PEQUEÑO

Operación del MOSFET bajo un voltaje aplicado vDS pequeño. Se comporta como un resistor cuyo valor es controlado por vGS.

TRANSISTOR NMOS CON VGS>Vt Y VDS PEQUEÑO (…CONT)

Fig. 5.5 Operation of the enhancement NMOS transistor as vDS is increased. The induced channel acquires a tapered shape and its

resistance increases as vDS is increased. Here, vGS is kept constant at a value > Vt.

• El voltaje medido desde source se incrementa desde 0 hasta vDS.

• El voltaje entre gate y los puntos del canal se disminuye desde vGS en el source hasta vGS-vDS en el drain.

• A medida que vDS se incrementa, el canal se hace mas inclinado y la resistencia se incrementa.

OPERACIÓN DEL TRANSISTOR NMOS CUANDO VDS SE INCREMENTA

Fig. 5.6 The drain current iD versus the drain-to-source voltage vDS for an enhancement-type NMOS transistor operated with vGS > Vt.

• Entonces, a medida que vDS aumenta, la curva iD vs vDS no continua como recta sino que se dobla.

• Cuando vDS alcanza un valor que reduce el voltaje entre el gate y el canal a Vt, el canal se ha estrangulado (pinched off.)

• La corriente permanece constante y el MOSFET queda en saturación.

CORRIENTE DE DRAIN ID VS VOLTAJE VDS

REGIONES DE OPERACIÓN

Región de corteRegión del tríodoRegión de Saturación.

Es esencial la completa compresión de las curvas características terminales de un MOSFET para el ingeniero que pretenda diseñar circuitos con MOS

Circuitos analógicos: Amplificadores

Circuitos digitales: Switches y compuertas.

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Fig. 5.8 Derivation of the iD - vDS characteristic of the NMOS transistor.

• Se aplica un vGS > Vt y un vDS < vGS-Vt.

• El voltaje entre gate y el punto x en el canal es vGS - v(x).

ANÁLISIS PARA DERIVAR LA RELACIÓN MATEMÁTICA ENTRE ID y VDS

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RELACIÓN DE ID VS VDS

2)()(2

1tGSoxnD Vv

L

WCi

2

2

1)( DSDStGSoxnD vvVv

L

WCi Región de triodo

Región de saturación

oxnn Ck ' Parametro de transconductancia del proceso

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Fig. 5.11 (a) An n-channel enhancement-type MOSFET with vGS and vDS applied and with the normal directions of current flow

indicated. (b) The iD - vDS characteristics for a device with Vt = 1 V and k’n(W/L) = 0.5 mA/V2.

CARACTERÍSTICAS DE VOLTAJE Y CORRIENTE EN EL MOSFET DE ENRIQUECIMIENTO

El drain es siempre positivo respecto al source en un FET de canal n.

REGIÓN DE CORTE

tGS Vv

OJO: Corte significa que no hay corrientes en el circuito !

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REGIÓN DE TRÍODO

tGS Vv

tGD Vv

DStGSnD vVvL

Wki

'

1

'

tGSn

D

DSDS Vv

LW

ki

vr

Si vDS es pequeño entonces se encuentra rDS.

REGIÓN DE SATURACIÓN

tGS Vv

tGD Vv

tGSDS Vvv

2)('21

tGSnD VvL

Wki

En saturación el MOSFET proporciona una corriente de drain cuyo valor es independiente del voltaje de drain vDS y está determinado por el voltaje de la compuerta vGS.

Fig. 5.12 The iD - vGS characteristic for an enhancement-type NMOS transistor in saturation (Vt = 1 V and k’n(W/L) = 0.5 mA/V2).

2)('2

1tGSnD Vv

L

Wki

REGIÓN DE SATURACIÓN (…CONT)

Fig. 5.13 Large-signal equivalent-circuit model of an n-channel MOSFET operating in the saturation region.

tGS Vv

REGIÓN DE SATURACIÓN (…CONT)MODELO EQUIVALENTE (MODELO DE PRIMER ORDEN)

tGSDS VVV

Fig. 5.15 Increasing vDS beyond vDSsat causes the channel pinch-off point to move slightly away from the drain, thus reducing the

effective channel length (by L).

• La independencia de iD con vDS en saturación es sólo una idealización.

• Modulación de la longitud del canal.

• iD es inversamente proporcional a L.

RESISTENCIA DE SALIDA FINITA EN SATURACIÓNEFECTO DE MODULACIÓN DE CANAL

Fig. 5.16 Effect of vDS on iD in the saturation region. The MOSFET parameter VA is typically in the range of 30 to 200 V.

)1()('2

1 2DStGSnD vVv

L

Wki

• Voltaje Early. Típicamente =0.005 a 0.03 V-1.

• Dispositivos con canales cortos sufren más el efecto de la modulación del canal.

EFECTO DE MODULACIÓN DE CANAL

12)(

2

'

tGS

no Vv

L

Wkr

1

constante

GSvDS

Do v

ir

EFECTO DE MODULACIÓN DE CANAL:RESISTENCIA DE SALIDA EN SATURACIÓN

1 Do Ir

D

Ao I

Vr

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EFECTO DE MODULACIÓN DE CANAL: MODELO EQUIVALENTE (MODELO DE SEGUNDO ORDEN)

Fig. 5.17 Large-signal equivalent circuit model of the n-channel MOSFET in saturation, incorporating the output resistance ro. The

output resistance models the linear dependence of iD on vDS and is given by ro VA/ID.

D

Ao I

Vr )1()('

2

1 2DStGSnD vVv

L

Wki

Fig. 5.9 Cross section of a CMOS integrated circuit. Note that the PMOS transistor is formed in a separate n-type region, known as an n well. Another arrangement is also possible in which an n-type body is used and the n device is formed in a p well.

MOSFET COMPLEMENTARIO (CMOS)

EL ROLE DEL SUBSTRATO- EL EFECTO BODY

En muchas aplicaciones la terminal Body es conectada a la terminal Source.

En circuitos integrados, el substrato generalmente es común a muchos transistores MOS.

El substrato es generalmente conectado al voltaje más negativo en un circuito NMOS y al voltaje más positivo en un circuito PMOS.

VSB tiene efecto en la operación del circuito.

El voltaje inverso de polarización extiende la región de agotamiento.

EL ROLE DEL SUBSTRATO- EL EFECTO BODY (…CONT)

El Efecto Body:

fSBftt VVV 220

ox

SA

C

qN

2

El body actúa como otra terminal gate que también controla la corriente de drain en el MOSFET.

Parámetro del efecto del Body

APORTE DEL ESTUDIANTE

Para el estudiante:Qué preguntas te surgen de esta clase?Qué respuestas le das a dichas preguntas?

A cuáles preguntas no lograste identificar una clara respuesta?Busca más bibliografía e información adicional que complemente tus respuestas y el contenido de esta clase.Ante las preguntas e inquietudes que no

encontraste respuesta en tu estudio y en la bibliografía consultada, busca asesoría oportuna con el profesor del curso.

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