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Fundamentos Transistores Mosfet


Enviado por   •  19 de Septiembre de 2013  •  5.187 Palabras (21 Páginas)  •  439 Visitas

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1. FUNDAMENTOS DE OPERACIÓN

DEL TRANSISTOR MOS.

En este capítulo se estudiará la estructura MOS (Metal Oxide Semiconductor); se analizará su

comportamiento, el cuál permitirá comprender el funcionamiento del transistor MOS. Se abordarán

los fenómenos electrostáticos que ocurren dentro de la estructura MOS bajo polarización.

Posteriormente se describirá la operación del MOSFET en régimen lineal y en saturación, que

permitirá definir algunos parámetros y variables fundamentales para su tratamiento. También, se

analizará de manera detallada la parte fundamental del MOSFET: la conductividad del canal. Por

último, se describirán los efectos indeseados que ocurren en el MOSFET al reducir la longitud del

canal.

1.1. Estructura MOS.

La estructura MOS consiste en un metal, referido como compuerta, un óxido (típicamente óxido de

silicio SiO2) y un semiconductor (tipo N o tipo P) llamado substrato. El material semiconductor más

usado es el silicio (Si). La estructura MOS se muestra en la Figura 1.1.

Figura 1.1. Estructura MOS [9] .

En ausencia de polarización, en el semiconductor hay una distribución homogénea de portadores,

por lo que no se presenta carga en ninguna de las interfaces: metal-óxido y óxido-semiconductor.

Al aplicar cierto voltaje al metal (usualmente llamado voltaje de compuerta VG) y poniendo a tierra

el substrato (Figura 1.2), se pueden obtener tres condiciones de operación en la estructura MOS:

condición de acumulación, condición de empobrecimiento y condición de inversión [9].

Figura 1.2. Voltaje VG aplicado a la estructura MOS.

Con el voltaje aplicado, la estructura MOS se comporta como un capacitor de placas planas y

paralelas ya que aparece carga tanto en el metal como en el substrato, formando el capacitor.

///////////////////////////

///

Metal

SiO2

Substrato

de Silicio

VG

///////////////////////////

///

Metal

SiO2

Substrato

de Silicio7

La carga por unidad de área del capacitor [10] MOS está dada por:

(1-1)

donde C es la capacitancia y VG es el voltaje aplicado entre la compuerta (metal) y el substrato. Es

importante notar que la concentración de portadores en el substrato varía con el voltaje aplicado,

específicamente en la interfaz óxido-semiconductor, de la que se hará referencia de ahora en

adelante como interfaz del óxido simplemente.

La capacitancia por unidad de área [10] presente en el óxido se define como:

(1-2)

donde Kox es la constante dieléctrica del óxido, ε0 es la permitividad del vacío y xox es el espesor del

óxido. Se puede ver que esta capacitancia es constante.

A continuación se mostrarán las condiciones de operación de la estructura MOS al aplicar cierto

voltaje. Se utilizará un substrato tipo P durante todo el análisis.

Al aplicar un voltaje negativo a la estructura MOS, se presenta la condición de acumulación [9],

como se muestra en la Figura 1.3.

Figura 1.3. Condición de acumulación en la estructura MOS con un semiconductor tipo P.

En esta condición los portadores mayoritarios (huecos), del semiconductor tipo P, comienzan a

acumularse en la interfaz del óxido. Esto se debe al campo eléctrico, producto del voltaje negativo

aplicado. La región de acumulación que se muestra en la Figura 1.3 se comporta como un

semiconductor tipo P más dopado (P+

). También, se muestra una zona homogénea, en la cuál la

distribución de carga no varía.

Sí ahora se aplica un voltaje positivo a la estructura MOS, se presenta la condición de

empobrecimiento [9] como se muestra en la Figura 1.4.

Metal

SiO2

Substrato

- VG

P-Si

Región de

Acumulación

de huecos

Campo

Eléctrico

Huecos

Zona Homogénea8

Figura 1.4. Condición de empobrecimiento en la estructura MOS con un semiconductor tipo P.

En esta condición, los portadores mayoritarios son repelidos de la zona cercana al óxido, debido al

campo eléctrico. Esto produce una región de carga espacial (RCE) producto de los iones de

impurezas [9]. También se tiene una capacitancia por unidad de área, asociada a la RCE en el

silicio dada por:

(1-3)

donde Ksi es la constante dieléctrica del silicio y xd es el ancho de la RCE. Como se puede

observar, esta capacitancia cambia con xd. Al incrementar VG, el ancho de la RCE aumenta, por lo

que Csi muestra una dependencia con VG.

Sí se continua incrementando el voltaje positivo aplicado se llega a la condición de inversión [9],

como se muestra en la Figura 1.5.

Figura 1.5. Condición de inversión en la estructura MOS con un semiconductor tipo P.

+ VG

P-Si

La RCE

aumenta

hasta un

valor

máximo

Electrones

Región de

+ + + + + + + + + + + + + + + + inversión

Zona Homogénea

+ VG

P-Si

Región de

Carga

Espacial

Iones de impurezas aceptoras

+ + + + + + + + + + + + + + + +

Zona Homogénea9

Con este incremento de voltaje la RCE sigue aumentando. En la interfaz del óxido, el campo

eléctrico confina a los electrones libres generados en la superficie del silicio, esto produce que la

región entre el substrato y el óxido, se comporte como un semiconductor tipo N. Por lo tanto, se ha

invertido el tipo de semiconductor, es decir, el tipo de conductividad. El comienzo de este proceso

se conoce como inversión débil [9].

La RCE se incrementa hasta un límite, en el cuál un incremento en el voltaje aplicado, produce un

incremento en la concentración de carga móvil en la región de inversión y por lo tanto la RCE ya no

se incrementa. Cuando ocurre esto se tiene una inversión fuerte [9].

En el caso de tener una estructura MOS con un semiconductor tipo N, se logra la condición de

acumulación al aplicar un voltaje positivo al metal y poniendo a tierra el substrato. Al aplicar un

voltaje negativo se obtiene la condición de empobrecimiento. Con un voltaje negativo más intenso

se obtiene la condición de inversión, produciendo una región entre el óxido y el substrato tipo P.

Para observar mejor los fenómenos que ocurren en la

...

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