Fundamentos Transistores Mosfet
Enviado por metagavo • 19 de Septiembre de 2013 • 5.187 Palabras (21 Páginas) • 407 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
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