Diseño VLSI - Transistor MOS
La tecnología MOSFET complementaria (CMOS) se usa ampliamente hoy en día para formar circuitos en numerosas y variadas aplicaciones. Las computadoras, las CPU y los teléfonos celulares de hoy en día utilizan CMOS debido a varias ventajas clave. CMOS ofrece baja disipación de energía, velocidad relativamente alta, altos márgenes de ruido en ambos estados y funcionará en una amplia gama de voltajes de fuente y entrada (siempre que el voltaje de la fuente sea fijo)
Para los procesos que discutiremos, el tipo de transistor disponible es el Transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET). Estos transistores se formanas a ‘sandwich’que consiste en una capa semiconductora, generalmente una rodaja u oblea, de un solo cristal de silicio; una capa de dióxido de silicio (el óxido) y una capa de metal.
Estructura de un MOSFET
Como se muestra en la figura, la estructura MOS contiene tres capas:
The Metal Gate Electrode
The Insulating Oxide Layer (SiO2)
P – type Semiconductor (Substrate)
La estructura MOS forma un condensador, con la puerta y el sustrato como dos placas y la capa de óxido como material dieléctrico. El espesor del material dieléctrico (SiO 2 ) suele estar entre 10 nm y 50 nm. La concentración y distribución del portador dentro del sustrato se puede manipular mediante voltaje externo aplicado a la puerta y al terminal del sustrato. Ahora, para comprender la estructura de MOS, primero considere las propiedades eléctricas básicas del sustrato semiconductor tipo P.
La concentración de portador en el material semiconductor siempre sigue la Mass Action Law. La Ley de Acción Masiva está dada por:
$$ np = n_ {i} ^ {2} $$
Dónde,
n es la concentración de portadores de electrones
p es la concentración de portadores de agujeros
ni es la concentración de portador intrínseco de silicio
Supongamos ahora que el sustrato es igualmente dopado con aceptor (boro) concentración de N A . Entonces, la concentración de electrones y huecos en el sustrato de tipo p es
$$ n_ {po} = \ frac {n_ {i} ^ {2}} {N_ {A}} $$
$$ p_ {po} = N_ {A} $$
Aquí, concentración de dopaje NAes (10 15 a 10 16 cm −3 ) mayor que la concentración intrínseca ni. Ahora, para comprender la estructura de MOS, considere el diagrama de niveles de energía del sustrato de silicio de tipo p.
Como se muestra en la figura, la brecha de banda entre la banda de conducción y la banda de cenefa es 1.1eV. Aquí, el potencial de Fermi Φ F es la diferencia entre el nivel de Fermi intrínseco (E i ) y el nivel de Fermi (E FP ).
Donde el nivel E F de Fermi depende de la concentración de dopaje. El potencial de Fermi Φ F es la diferencia entre el nivel de Fermi intrínseco (E i ) y el nivel de Fermi (E FP ).
Matemáticamente,
$$ \ Phi_ {Fp} = \ frac {E_ {F} -E_ {i}} {q} $$
La diferencia de potencial entre la banda de conducción y el espacio libre se denomina afinidad electrónica y se indica con qx.
Entonces, la energía requerida para que un electrón se mueva desde el nivel de Fermi al espacio libre se llama función de trabajo (qΦ S ) y está dada por
$$ q \ Phi _ {s} = (E_ {c} -E_ {F}) + qx $$
La siguiente figura muestra el diagrama de bandas de energía de los componentes que componen el MOS.
Como se muestra en la figura anterior, la capa aislante de SiO 2 tiene una gran banda prohibida de energía de 8 eV y la función de trabajo es 0,95 eV. La puerta de metal tiene función de trabajo de 4.1eV. Aquí, las funciones de trabajo son diferentes, por lo que creará una caída de voltaje en el sistema MOS. La figura que se muestra a continuación muestra el diagrama de bandas de energía combinado del sistema MOS.
Como se muestra en esta figura, el nivel de potencial fermi de la puerta de metal y el semiconductor (Si) están al mismo potencial. El potencial de Fermi en la superficie se llama potencial de superficie Φ S y es más pequeño que el potencial de Fermi Φ F en magnitud.
Funcionamiento de un MOSFET
MOSFET consiste en un capacitor MOS con dos uniones pn colocadas cerradas a la región del canal y esta región está controlada por el voltaje de la puerta. Para hacer que la unión pn tenga polarización inversa, el potencial del sustrato se mantiene más bajo que el potencial de los otros tres terminales.
Si el voltaje de la compuerta aumenta más allá del voltaje de umbral (V GS > V TO ), se establecerá una capa de inversión en la superficie y se formará un canal tipo n entre la fuente y el drenaje. Este canal de tipo n transportará la corriente de drenaje de acuerdo con el valor V DS .
Para diferentes valores de V DS , MOSFET se puede operar en diferentes regiones como se explica a continuación.
Región lineal
En V DS = 0, existe equilibrio térmico en la región del canal invertido y la corriente de drenaje I D = 0. Ahora, si se aplica un voltaje de drenaje pequeño, V DS > 0, una corriente de drenaje proporcional al V DS comenzará a fluir desde la fuente hacia Drenaje a través del canal.
El canal proporciona un camino continuo para el flujo de corriente desde la fuente hasta el drenaje. Este modo de funcionamiento se llamalinear region. La vista en sección transversal de un MOSFET de canal n, que opera en una región lineal, se muestra en la figura que se muestra a continuación.
En el borde de la región de saturación
Ahora bien, si aumenta el V DS , las cargas en el canal y la profundidad del canal disminuyen al final del drenaje. Para V DS = V DSAT , las cargas en el canal se reducen a cero, lo que se denominapinch – off point. La vista en sección transversal del MOSFET de canal n que opera en el borde de la región de saturación se muestra en la figura que se muestra a continuación.
Región de saturación
Para V DS > V DSAT , se forma una superficie agotada cerca del drenaje y, al aumentar el voltaje de drenaje, esta región agotada se extiende hasta la fuente.
Este modo de funcionamiento se llama Saturation region. Los electrones que vienen de la fuente al final del canal, ingresan en la región de drenaje - agotamiento y se aceleran hacia el drenaje en un campo eléctrico alto.
Corriente MOSFET - Características de voltaje
Para comprender la característica corriente-voltaje del MOSFET, se realiza una aproximación para el canal. Sin esta aproximación, el análisis de tres dimensiones del sistema MOS se vuelve complejo. losGradual Channel Approximation (GCA) para la característica de corriente - voltaje reducirá el problema de análisis.
Aproximación de canal gradual (GCA)
Considere la vista en sección transversal del MOSFET de canal n que opera en modo lineal. Aquí, la fuente y el sustrato están conectados al suelo. V S = V B = 0. La puerta - a - fuente (V GS ) y desagüe - a - voltaje de la fuente (V DS ) de tensión son los parámetros externos que controlan el consumo de corriente I D .
El voltaje, V GS se establece en un voltaje mayor que el voltaje umbral V TO , para crear un canal entre la fuente y el drenaje. Como se muestra en la figura, la dirección x es perpendicular a la superficie y la dirección y es paralela a la superficie.
Aquí, y = 0 en el extremo de la fuente como se muestra en la figura. El voltaje del canal, con respecto a la fuente, está representado porVC(Y). Suponga que el voltaje umbral VTO es constante a lo largo de la región del canal, entre y = 0 ay = L. La condición de límite para el voltaje del canal V C es
$$ V_ {c} \ left (y = 0 \ right) = V_ {s} = 0 \, y \, V_ {c} \ left (y = L \ right) = V_ {DS} $$
También podemos asumir que
$$ V_ {GS} \ geq V_ {TO} $$ y
$$ V_ {GD} = V_ {GS} -V_ {DS} \ geq V_ {TO} $$
Sea Q1 (y) la carga total de electrones móviles en la capa de inversión superficial. Esta carga de electrones se puede expresar como:
$$ Q1 (y) = - C_ {ox}. [V_ {GS} -V_ {C (Y)} - V_ {TO}] $$
La figura que se muestra a continuación muestra la geometría espacial de la capa de inversión superficial e indica sus dimensiones. La capa de inversión disminuye a medida que nos movemos del drenaje a la fuente. Ahora, si consideramos la región pequeña dy de la longitud del canal L, entonces la resistencia incremental dR ofrecida por esta región se puede expresar como:
$$ dR = - \ frac {dy} {w. \ mu _ {n} .Q1 (y)} $$
Aquí, el signo menos se debe a la polaridad negativa de la carga de la capa de inversión Q1 y μ n es la movilidad de la superficie, que es constante. Ahora, sustituya el valor de Q1 (y) en la ecuación dR -
$$ dR = - \ frac {dy} {w. \ mu _ {n}. \ left \ {-C_ {ox} \ left [V_ {GS} -V_ {C \ left (Y \ right)} \ right ] -V_ {TO} \ right \}} $$
$$ dR = \ frac {dy} {w. \ mu _ {n} .C_ {ox} \ left [V_ {GS} -V_ {C \ left (Y \ right)} \ right] -V_ {TO} } $$
Ahora la caída de voltaje en la región dy pequeña puede estar dada por
$$ dV_ {c} = I_ {D} .dR $$
Ponga el valor de dR en la ecuación anterior
$$ dV_ {C} = I_ {D}. \ frac {dy} {w. \ mu_ {n} .C_ {ox} \ left [V_ {GS} -V_ {C (Y)} \ right] -V_ {TO}} $$
$$ w. \ mu _ {n} .C_ {ox} \ left [V_ {GS} -V_ {C (Y)} - V_ {TO} \ right] .dV_ {C} = I_ {D} .dy $$
Para obtener la ID de corriente de drenaje en toda la región del canal, la ecuación anterior se puede integrar a lo largo del canal de y = 0 ay = L y voltajes V C (y) = 0 a V C (y) = V DS ,
$$ C_ {ox} .w. \ Mu _ {n}. \ Int_ {V_ {c} = 0} ^ {V_ {DS}} \ left [V_ {GS} -V_ {C \ left (Y \ right )} - V_ {TO} \ right] .dV_ {C} = \ int_ {Y = 0} ^ {L} I_ {D} .dy $$
$$ \ frac {C_ {ox} .w. \ mu _ {n}} {2} \ left (2 \ left [V_ {GS} -V_ {TO} \ right] V_ {DS} -V_ {DS} ^ {2} \ right) = I_ {D} \ left [L-0 \ right] $$
$$ I_ {D} = \ frac {C_ {ox}. \ Mu _ {n}} {2}. \ Frac {w} {L} \ left (2 \ left [V_ {GS} -V_ {TO} \ right] V_ {DS} -V_ {DS} ^ {2} \ right) $$
Para la región lineal V DS <V GS - V TO . Para la región de saturación, el valor de V DS es mayor que (V GS - V TO ). Por lo tanto, para la región de saturación V DS = (V GS - V TO ).
$$ I_ {D} = C_ {ox}. \ Mu _ {n}. \ Frac {w} {2} \ left (\ frac {\ left [2V_ {DS} \ right] V_ {DS} -V_ { DS} ^ {2}} {L} \ right) $$
$$ I_ {D} = C_ {ox}. \ Mu _ {n}. \ Frac {w} {2} \ left (\ frac {2V_ {DS} ^ {2} -V_ {DS} ^ {2} } {L} \ derecha) $$
$$ I_ {D} = C_ {ox}. \ Mu _ {n}. \ Frac {w} {2} \ left (\ frac {V_ {DS} ^ {2}} {L} \ right) $$
$$ I_ {D} = C_ {ox}. \ Mu _ {n}. \ Frac {w} {2} \ left (\ frac {\ left [V_ {GS} -V_ {TO} \ right] ^ { 2}} {L} \ derecha) $$