MOSFET

El metal-óxido-semiconductor transistor de efecto de campo (MOSFET, MOS-FETO MOS FET) Es un dispositivo usado para amplificar o conmutación electrónica señales. El principio básico de que el dispositivo fue propuesta por primera vez por Edgar Julius Lilienfeld en el año 1925. En los MOSFET, una tensión en el electrodo de óxido de puerta aislada puede inducir un la realización de canal entre los dos contactos de otros llamados fuente y el drenaje. El canal puede ser de de tipo n o tipo p (Véase el artículo sobre dispositivos semiconductores), Y, por ello pidió una nMOSFET o un pMOSFET (también comúnmente nMOS, pMOS). Es de lejos el más común transistor en ambos digital y analógica circuitos, aunque el transistor de unión bipolar fue en un tiempo mucho más común.
El 'metal' en el nombre se encuentra a menudo un nombre equivocado porque el material de metal previamente puerta se encuentra a menudo una capa de polisilicio (Silicio policristalino). Aluminio había sido el material de puerta hasta mediados de la década de 1970, cuando llegó a ser dominante polisilicio, debido a su capacidad para formar puertas de auto-alineados. puertas metálicas están recuperando popularidad, ya que es difícil aumentar la velocidad de funcionamiento de los transistores, sin puertas metálicas.

IGFET es un término relacionado con el sentido de aislamiento-puerta del transistor de efecto de campo, y es casi sinónimo de MOSFET, aunque puede hacer referencia a FETs con un aislador de la puerta que no es el óxido. Otro sinónimo es MISFET FET de metal-aislante-semiconductor.



Composición
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Por lo general, la semiconductor de elección es la silicio, Pero algunos fabricantes de chips, sobre todo IBM, Recientemente comenzó a utilizar un compuesto químico (Bond, no una mezcla) de silicio y germanio (SiGe) En los canales MOSFET. Por desgracia, muchos semiconductores con mejores propiedades eléctricas del silicio, como arseniuro de galio, No forman una buena interfaz de semiconductores-a-aislante, por lo tanto no son adecuados para MOSFETs. La investigación continúa en la creación de aisladores con aceptables características eléctricas de material semiconductor otros.

A fin de superar aumentar el poder de consumo debido a puerta corriente de fuga, κ dieléctrico de alta reemplaza dióxido de silicio para el aislador de la puerta, aunque el regreso de puertas de metal mediante la sustitución de polisilicio (Véase el anuncio de Intel[1]).

La puerta está separada del canal por una delgada capa aislante, tradicionalmente de dióxido de silicio y luego de oxinitruro silicio. Algunas compañías han empezado a introducir una κ dieléctrico de alta + de compuerta metálica combinación en el De 45 nanómetros nodo.

Cuando se aplica un voltaje entre la puerta y terminales cuerpo, el campo eléctrico generado penetra a través del óxido y crea un supuesto "capa de inversión" o "canal" en la interfase semiconductor-aislante. El canal de inversión es del mismo tipo, tipo P o tipo N, como la fuente y el drenaje, por lo que proporciona un canal a través del cual puede pasar corriente. Variando el voltaje entre la puerta y el cuerpo modula la conductividad de esta capa y permite controlar el flujo de corriente entre el drenaje y la fuente

Símbolos
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Una variedad de símbolos se utilizan para el MOSFET. El diseño básico es generalmente una línea para el canal con la fuente y el drenaje dejando en ángulo recto y luego doblar hacia atrás en ángulo recto en la misma dirección que el canal. A veces, tres segmentos de línea se utilizan para en modo mejorado y una línea continua para el modo de agotamiento. Otra línea es paralela al canal de la puerta.

La conexión a granel, si aparece, se muestra conectado a la parte posterior del canal con una flecha que indica OGP o NMOS. Las flechas apuntan siempre de P a N, por lo que un NMOS (N-canal en la categoría P-bien o sustrato P-) tiene la flecha apuntando en (a partir de la mayor parte de la canal). Si la mayor parte se conecta a la fuente (como suele ser el caso de los dispositivos discretos) a veces es en ángulo para encontrarse con la fuente dejando el transistor. Si la mayor parte no se muestra (como ocurre a menudo en el diseño de IC, ya que generalmente son a granel común) un símbolo de la inversión se utiliza a veces para indicar PMOS, alternativamente, una flecha en la fuente puede ser utilizado en la misma forma que para los transistores bipolares ( a cabo para nMOS, en la pMOS).

Comparación de la mejora en modo de empobrecimiento y símbolos-MOSFET, junto con JFET símbolos (dibujado con fuente y el drenaje ordenó de tal manera que parecieran más altos voltajes más altos en la página de tensiones inferiores):



Para los símbolos en los que la mayor parte, o el cuerpo, la terminal se muestra, es que aquí se muestra conectado internamente a la fuente. Esta es una configuración típica, pero de ninguna manera la única configuración importante. En general, el MOSFET es un dispositivo de cuatro terminales, y, en muchos circuitos integrados de la cuota de MOSFETs una conexión entre el cuerpo, no necesariamente conectadas a los terminales de la fuente de todos los transistores

MOSFET operación

Metal-óxido-semiconductor estructura

Un metal tradicional-óxido-semiconductor (MOS) la estructura se obtiene por cultivo de una capa de dióxido de silicio (SiO2) En la parte superior de un sustrato de silicio y depositar una capa de metal o de silicio policristalino (Este último es de uso general). A medida que el dióxido de silicio es un dieléctrico material, su estructura es equivalente a un plano condensador, Con uno de los electrodos sustituye por un semiconductor.

Cuando se aplica un voltaje a través de una estructura MOS, que modifica la distribución de cargas en el semiconductor. Si consideramos un semiconductor tipo P (con NUn la densidad de aceptantes, p la densidad de agujeros; p = NUn a granel neutro), una tensión positiva, VGB, De puerta a cuerpo (véase la figura), se crea una agotamiento de la capa obligando a los agujeros de carga positiva de distancia desde la interfaz de gate-insulator/semiconductor, dejando al descubierto una región libre de operador inmóvil, iones con carga negativa aceptor (véase dopaje (semiconductores)). Si VGB es lo suficientemente alto, una alta concentración de portadores de carga negativa se forma en una capa de inversión situado en una capa delgada al lado de la interfaz entre el semiconductor y el aislador. A diferencia de los MOSFET, donde los electrones capa de inversión se suministran rápidamente de la fuente / electrodos de drenaje, en el capacitor MOS se producen mucho más lentamente por la generación térmica a través de compañía de generación y recombinación centros en la región de agotamiento. Convencionalmente, el voltaje de la puerta en la que la densidad de volumen de los electrones en la capa de inversión es la misma que la densidad de volumen de agujeros en el cuerpo se denomina umbral de tensión.

Esta estructura con cuerpo de tipo P es la base del MOSFET del N-tipo, que requiere la adición de una fuente de tipo N y las regiones de drenaje.

Ejemplo de circuito con un MOSFET del N-Canal. Cuando se activa el interruptor. El LED se activa a través del resistor limitador de corriente. La resistencia por debajo del interruptor garantiza la capacitancia de la puerta del MOSFET es deplated cuando el interruptor no está activado.




MOSFET estructura y formación de canales
Un transistor de metal-óxido-semiconductor de efecto de campo (MOSFET) se basa en la modulación de la concentración de carga por una capacidad MOS entre un cuerpo electrodo y un puerta electrodos situados por encima del cuerpo y de todas las regiones aisladas otro dispositivo por una puerta capa dieléctrica que en el caso de un MOSFET es un óxido, como el dióxido de silicio. Si dieléctricos que no sea un óxido como el dióxido de silicio (a menudo citado como el óxido) se emplean el dispositivo puede ser referido como un transistor FET de metal-aislante-semiconductor (MISFET). En comparación con el condensador MOS, el MOSFET incluye dos terminales adicionales (fuente y desagüe), Cada uno conectado a las distintas regiones altamente dopadas que están separadas por la región del cuerpo. Estas regiones pueden ser p o tipo n, pero ambos deben ser del mismo tipo, y de tipo opuesto a la región del cuerpo. La fuente y el drenaje (a diferencia del cuerpo) son altamente dopado según lo significado por un signo "+" después de que el tipo de dopaje.
Si el MOSFET es un n-FET de canal o nMOS, entonces la fuente y el drenaje son "regiones n + 'y el cuerpo es una' p 'región. Como se describió anteriormente, con suficiente voltaje de la puerta, por encima de un umbral de tensión valor, los electrones de la fuente (y posiblemente[cita requerida] como el drenaje) se introducen en la capa de inversión o N-Canal en la interfase entre la región P y el óxido. Este canal conductor se extiende entre la fuente y el desagüe, y la corriente se lleva a cabo a través de él, cuando se aplica un voltaje entre la fuente y el drenaje.

Para tensiones de puerta por debajo del valor umbral, el canal es poco poblada, y sólo una muy pequeña subliminales fugas corriente puede fluir entre la fuente y el drenador.

Si el MOSFET es un p-FET de canal o pMOS, entonces la fuente y el drenaje son "regiones + p 'y el cuerpo es una' n 'región. Cuando una puerta-fuente de voltaje negativo (fuente positiva-gate) se aplica, se crea una P-Canal en la superficie de la región n, de forma análoga al caso de canal n, pero con polaridades opuestas de las cargas y tensiones. Cuando una tensión menos negativo que el valor umbral (de una tensión negativa para el canal p) se aplica entre la puerta y la fuente, el canal desaparece y sólo una pequeña corriente subumbral puede fluir entre la fuente y el drenador.

La fuente se llama así porque es la fuente de los portadores de carga (electrones de canal n, los agujeros de canal p), que pasan a través del canal, de manera similar, la fuga es donde los portadores de carga deja el canal.

El dispositivo puede comprender un dispositivo de silicio sobre aislante (SOI) dispositivo en el que un Enterrado óxido (BOX) se forma debajo de una capa semiconductora delgada. Si la región del canal entre la puerta dieléctrica y una región Enterrado Óxido (BOX) es muy delgada, la región del canal muy delgado se conoce como un canal ultra delgado (UTC) región con la fuente y el drenaje de las regiones formadas a ambos lados del mismo y o encima de la capa semiconductora delgada. Por otra parte, el dispositivo podrá constar de un semiconductor sobre aislante (SEMOI) dispositivo en el que otros semiconductores de silicio que se emplean. Muchos materiales semicondutor alternativa puede ser empleado.

Cuando la fuente y las regiones de drenaje se forman por encima del canal en la Fuente de todo o en parte, se refieren a ellas como Criado / drenaje (RSD) regiones.






Modos de funcionamiento

El funcionamiento de un MOSFET se pueden separar en tres modos diferentes, dependiendo de las tensiones en los terminales. En la discusión siguiente, un modelo simplificado se utiliza algebraica que sólo es exacto para la tecnología antigua. Moderno características MOSFET requieren modelos de computadora que tienen un comportamiento bastante más compleja.

Para una de modo mejorado, n-MOSFET de canal, Los tres modos de funcionamiento son:

De corte, subliminales, o débil inversión en modo



con CD = capacidad de la agotamiento de la capa y COX = capacidad de la capa de óxido. En un dispositivo largo del canal, no hay dependencia de voltaje de drenaje de la actual, una vez VDS >> VT, Pero como la longitud del cauce se reduce fuga inducida por bajar la barrera introduce la dependencia de drenaje de voltaje que depende en una forma compleja de la geometría del dispositivo (por ejemplo, el dopaje canal, el dopaje de unión y así sucesivamente). Con frecuencia, voltaje de umbral Vº de este modo es definido como el voltaje de la puerta en la que un valor seleccionado de la corriente ID0 ocurre, por ejemplo,D0 = 1 μA, que no podrá ser el mismo Vº-Valor que se utiliza en las ecuaciones para los siguientes modos.

Algunos circuitos analógicos microcentrales están diseñados para aprovechar de la conducción subumbral. Al trabajar en la región débil inversión, los MOSFETs en estos circuitos de brindar la mayor proporción posible de transconductancia a corriente, a saber: gm / YoD = 1 / (nVT), Casi la de un transistor bipolar.

El subliminales I-V curva depende de manera exponencial en tensión de umbral, al presentar una fuerte dependencia de cualquier variación de fabricación que afecta a tensión de umbral, por ejemplo: variaciones en el espesor de óxido, la profundidad de unión, o el organismo antidopaje que cambiar el grado de fuga inducida por bajar la barrera. La sensibilidad a las variaciones resultantes fabricational complica la optimización de las fugas y el rendimiento





riodo modo o región lineal (también conocido como el modo óhmico)))
¿Cuándo VGS > Vº y VDS <(VGS - Vº ) El transistor se enciende, y un canal se ha creado lo que permite que la corriente fluya entre el drenaje y la fuente. El MOSFET funciona como una resistencia, controlada por el voltaje de la puerta respecto a la fuente y el drenaje de tensiones. La corriente del drenaje a la fuente se modela como:

donde μn es la movilidad de los portadores de carga efectiva, W es el ancho de puerta, L es la longitud de puerta y Cox es la capacidad de óxido de puerta por unidad de superficie. La transición de la región subumbral exponencial para la región triodo no es tan aguda como sugieren las ecuaciones.

Saturación o activa el modo
¿Cuándo VGS > Vº y VDS > (VGS - Vº )
El interruptor está encendido, y un canal se ha creado, lo que permite que la corriente fluya entre el drenaje y la fuente. Puesto que el voltaje de drenaje es mayor que el voltaje de la puerta, los electrones hacia fuera, y la conducción no es a través de un estrecho canal sino a través de una más amplia, de dos o distribución actual de tres dimensiones se extiende desde la interfaz y más profundo en el sustrato. El inicio de esta región es también conocida como pinch-off para indicar la falta de región de los canales cerca del desagüe. La corriente de drenaje es ahora débilmente dependiente de voltaje de drenaje y controlado principalmente por la tensión compuerta-fuente, y modelado muy aproximadamente como:

El factor adicional que implique una λ, la canal de longitud de modulación parámetro, la dependencia de los modelos actuales sobre la tensión de fuga debido a la Los primeros efectos, O el canal de modulación de longitud. De acuerdo a esta ecuación, un parámetro clave del diseño, la transconductancia MOSFET es:

donde la combinación Vov V =GS - Vo se llama el tensión de saturación. Otro parámetro clave de diseño es la resistencia de salida MOSFET rO dada por:

rout es la inversa de gds donde

VDS es la expresión en la región de saturación.
Si λ se toma como cero, una resistencia de salida infinita de los resultados del dispositivo que lleva a predicciones circuito de poco realista, sobre todo en circuitos analógicos.
Como la longitud del cauce se hace muy corto, estas ecuaciones llegar a ser bastante inexactos. Nuevos efectos físicos surgir. Por ejemplo, el transporte del portador en el modo activo puede llegar a ser limitada por velocidad de saturación. Cuando la velocidad de saturación domina, la fuga de corriente de saturación es más casi lineal de segundo grado en el VGS. En longitudes aún más corto, las compañías de transporte con cerca de cero de dispersión, conocida como cuasi-transporte balístico. Además, la corriente de salida se ve afectada por fuga inducida por bajar la barrera de la tensión de umbral.
consumo de corriente en función del drenaje-fuente de tensión y la puerta-fuente sesgo sobre la tensión umbral.

YOSEPH L. BUITRAGO L.

C.I. 18.257.871

EES. SECCION 2