MOSFET de enriquecimiento Estructura y Operación física de transistores nMOS y pMOS 2015-1 Prof. Gustavo Patiño. M.Sc. Ph.D MJ 12- 14 07-07-2015

Estructura física del Transistor NMOS del tipo de enriquecimiento Sin VGS  RSD >> RSD = 1012 Ω 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.

Transistor NMOS de enriquecimiento con voltaje positivo en el 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. 5.2 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.

Transistor NMOS con vGS>Vt y VDS pequeño 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. 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).

Transistor NMOS con vGS>Vt y VDS pequeño (…cont) Operación del MOSFET bajo un voltaje aplicado vDS pequeño. Se comporta como un resistor cuyo valor es controlado por vGS.

Operación del transistor NMOS cuando VDS se incrementa 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. 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.

Corriente de Drain ID vs Voltaje VDS 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.

Regiones de operación Región de corte Región del tríodo Región 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 digitales: Switches y compuertas. Circuitos analógicos: Amplificadores Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

Análisis para derivar la relación matemática entre ID y VDS 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). Fig. 5.8 Derivation of the iD - vDS characteristic of the NMOS transistor. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

Relación de iD vs vDS Región de triodo Región de saturación Parametro de transconductancia del proceso Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

Características de voltaje y corriente en el MOSFET de Enriquecimiento El drain es siempre positivo respecto al source en un FET de canal n. 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.

Región de Corte OJO: Corte significa que no hay corrientes en el circuito ! Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

Región de Tríodo Si vDS es pequeño entonces se encuentra rDS.

Región de saturación 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.

Región de saturación (…cont) 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). Una fuente de corriente ideal controlada por vGS.

Región de saturación (…cont) Modelo equivalente (Modelo de primer orden) Fig. 5.13 Large-signal equivalent-circuit model of an n-channel MOSFET operating in the saturation region.

Resistencia de salida finita en Saturación Efecto de modulación de canal 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.

Efecto de modulación de canal Voltaje Early. Típicamente =0.005 a 0.03 V-1. Dispositivos con canales cortos sufren más el efecto de la modulación del 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.

Efecto de modulación de canal: Resistencia de salida en saturación Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1

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.

MOSFET Complementario (CMOS) 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.

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 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. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2015-1