Introducción a Física de Semiconductores Primera Clase.

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1 Introducción a Física de Semiconductores Primera Clase

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3 ¿Por qué circuitos analógicos? El ser humano adquiere data a través de sus cinco sentidos Todos estos sentidos trabajan de forma continua El universo tiene un nivel infinito de señales por las cuales se interpreta su existencia Por ende recolectar data sin perder parte de esta, debemos de tener la capacidad de procesarla sin subdividirla, por ende los circuitos analógicos.

4 Transistores MOS Símbolos y Proceso de Fabricación

5 Características Importantes del Transistor MOS El transistor es un elemento que convierte voltaje en corriente. La alimentación de voltaje en la compuerta determina la magnitud de la corriente. La diferencia entre la compuerta y la fuente generan un canal. Algunos voltajes que debemos tener pendientes son: –Potencial de umbral –Voltaje entre fuente y drenaje

6 Nodos de un Transistor Para entender la importancia del potencial entre fuente y drenaje primero debemos saber las conexiones disponibles en un transistor –Source = Fuente –Gate = Compuerta –Drain = Drenaje –Bulk = Cuerpo

7 Estructura de transistores MOS complementaria p+n+ p+ n+ p-substrate n-well BS G DD G SB NMOSPMOS Un proceso que permite el crecimiento de transistores NMOS y PMOS se conoce como complementario CMOS = Complementary Metal Oxide Structure

8 Estructura de transistores MOS complementaria p+n+ p+ n+ p-substrate n-well BS G DD G SB NMOSPMOS

9 Formación de Transistor En una oblea p dopamos dos regiones con elementos característicos y altamente electronegativos estos nos crea dos regiones con alto dopaje de n y una región central que los divide La distancia entre ambas regiones se conoce como el largo del canal. Las dos regiones son intercambiables una es la fuente y la otra el drenaje. La region intermedia lleva una capa de dioxido de silicio termal, la cual es cubierta por una capa de poli silicio.

10 Estructura MOS Se compone de una oblea de silicio Cubierta con una capa de Dioxido de Silicio Crece la compuerta El oxido es removido Las areas son dopadas Dichas capas son conectas al exterior con metal O2O2 Si O2O2 O2O2 SiO 2

11 n+ L drawn L eff LDLD S G D Poly Oxide Estructura de transistores MOS MOS = Semiconductores de metal y óxido S= Source (Fuente) G= Gate (compuerta) D= Drain (drenaje)

12 Conexión del cuerpo u oblea S G D Oxide p+n+ L drawn L eff LDLD Poly B n+ B = BULK (Cuerpo) en Caso de NMOS la conexión de la oblea

13 n+ L drawn L eff LDLD S G D Poly Oxide Estructura de transistores MOS CUANDO EL DISEÑADOR DIBUJA UN TRANSISTOR ESCOGE UN LARGO PARA DICHO CANAL L=L DRAWN CUANDO EL DISEÑO ES FABRICADO EL LARGO PARA DICHO CANAL L=L EFF

14 Estructura MOS Podemos apreciar entonces, que para un transistor MOS existen cuatro conexiones. 1.La fuente 2.El drenaje 3.La compuerta 4.La oblea (para NMOS) S G D p+n+ B

15 Estructura Complementaria CMOS p+n+ p+ n+ p-substrate n-well BS G DD G SB En este proceso tenemos un canal cuya información se transporta con electrones Y otro canal que transmite la información utilizando hoyos - - - - - NMOS + + + + PMOS

16 Transistores NMOS y PMOS NMOS TRANSISTOR Cargas que construyen el canal son cargas negativas (electrón), atraídas por la diferencia en voltaje de la compuerta y la oblea. PMOS TRANSISTORS Cargas que construyen el canal son cargas positivas (falta de electrón en capa de conducción) por la diferencia entre la compuerta y el pozo N.

17 Representación esquemática de transistores Diferentes tipos de transistores son dibujados en esquematicos utilizando diferentes símbolos. Suiguiente se encuentran las representaciones esquemáticas que seran usadas en clase

18 Símbolos Para Transistores NMOS y PMOS NMOS PMOS

19 Introducción a Física de Semiconductores

20 Física de Semiconductores de devices MOS Existen 2 formas extremas de estudiar la física de transistores MOS 1.Mecánica cuántica 2.Caja negra La mejor manera es la intermedia; Comprender lo suficiente para entender de donde provienen los términos de los modelos simplificados.

21 ….Continuación Mencionamos previamente los cuatro nodos de un transistor Mencionamos también el voltaje de umbral y la diferencia en potencial de los diferentes nodos A continuación explicamos con mas detalle los términos previamente usados

22 Potencial de Umbral El potencial o voltaje de umbral se define como voltaje necesario para crear el canal conductivo. El canal conductivo conecta o permite enviar información de un nodo del transistor a otro Las ecuaciones presentes nos dan una idea matemática de la dependencia del voltaje de umbral Vth, en relación al potencial de Fermi Φ F, la carga en la región “depletion” y la capacitancia del aislante.

23 Cuando VG aumenta forma el canal, si el voltage de la compuerta que sobrepasa el umbral es mayor que la diferencia en potencial VDS el canal es plano. Y la region de operacion es conocida como Triodo This is called the triode region As V D increases the channel becomes pinched on the drain end. This is called saturation n+ -+VGVG - - - - - - - - - - n+ -+VGVG VDVD - - - - - - -- - -- - - - - - - - - - -

24 Implante de p+ dopantes para la reducciòndel voltage de umbral n+ S G D p+ n+ ------- -+VGVG As voltage is applied between gate and source the positive charge is repelled from the gate. As the gate voltage grows more positive charges are repelled from the gate a depletion region is formed When VG surpasses the threshold the free minority carriers form a channel +++++++ - - - - - - - - - -

25 Regions of operation Cut off: –Voltage from Gate to Source is less than the threshold voltage Triode: Voltage from gate to source is bigger than the threshold voltage and also bigger than the voltaege between drain and source

26 Derivacion de la curva característica i/v Debemos observar por lo menos dos cosas necesarias para obtener la relación corriente voltaje en un transistor MOSFET 1.Considere una barra de metal de un semiconductor la cual carga una corriente I. Si la densidad de carga en dirección de la corriente se denomina como Qd, donde v es la velocidad de la carga que atraviesa la sección transversal de la barra por unidad de tiempo en metros por segundos.