“LAYOUT DE TRANSISTORES MOS”

Universidad Nacional de Ingeniería

Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

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Laboratorio N°1

“LAYOUT DE TRANSISTORES MOS”

Docente: Alarcón Matutti, Rubén Virgilio

Estudiante: Puente Jara, Hans Junior

Curso: Sistemas Microelectrónicos Integrados

2021-2

Transistor N-MOS

1. Revisar el modelo teórico de spice shichman hodges (nivel 1), identifique el tipo de transistor, los terminales del transistor N-MOS (drain, source, gate, bulk) en su layout del transistor, muestre las ecuaciones del transistor en las zonas de corte, lineal, saturación, interprete el layout realizado por Ud.

Obtención de la relación corriente voltaje ( vs ) en el transistor N-MOS[pic 2][pic 3]

Se debe asumir que se está trabajando en la región de inversión fuerte (strong inverter), el cual comienza a partir de un voltaje umbral ( . Si el voltaje entre el gate y el bulk () es mayor al voltaje umbral se genera un flujo de corriente de electrones constante; además, en esta región se tendrá una relación cuadrática entre la corriente () y el voltaje ().  [pic 4][pic 5][pic 6][pic 7]

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La relación entre la corriente y el voltaje es:

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Luego, en el transistor N-MOS se obtiene la carga almacenada por área. Se está asumiendo que el source y el drain están balanceados, es decir, conectados a cero y por tanto se tiene una carga homogénea en la región cercana a la compuerta gate.

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Donde:         

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Se inyecta un voltaje en el drain () para desbalancear el source y el drain, lo que genera una gradiente de carga entre los dos terminales, cerca al source hay más electrones, y ahora si podrá haber un flujo de corriente por difusión de cargas negativas.[pic 20]

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Entonces, ahora la carga está en función de la distancia :[pic 23]

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  …(*)[pic 26]

Donde la velocidad () es la movilidad de los electrones (), multiplicado por el gradiente ().[pic 27][pic 28][pic 29]

Región Triodo

Se integra la ecuación (*) desde  hasta  y se obtiene:[pic 30][pic 31]

 …(**)[pic 32]

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La relación entre la corriente () y el voltaje  es cuadrática, por tanto, su gráfica es una parábola; y su punto máximo se halla derivando la ecuación (**) e igualando a cero.[pic 34][pic 35]

Se obtiene que el punto máximo es en ;  estos puntos son el límite de la región triodo. Matemáticamente, a partir de esta zona, las líneas punteadas denotan que la curva bajaría su valor; pero, esto no es lo que sucede. Físicamente, ya se tiene un camino para los electrones, fluyen aproximadamente a las mismas condiciones y se genera una corriente constante después de la región triodo. [pic 36]

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Región Lineal

Este es un caso especial de la región triodo. De la ecuación (**), si el voltaje  es pequeño, es decir:[pic 40]

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Entonces:

 … (***)[pic 42]

Como se aprecia, la corriente es una función lineal del voltaje ; por tanto, la relación voltaje drenador surtidor entre la corriente se puede aproximar con un resistor.[pic 43]

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Finalmente, para valores muy pequeños de  se tendrá un comportamiento aproximadamente lineal.[pic 47]

Región de Saturación

Del análisis anterior, se había generado una gradiente de corriente al desbalancear los voltajes del drenador y el surtidor. Si se sigue aumentado el gradiente, es decir, aumentar el voltaje  para valores mayores a ; entonces, como se muestra en la gráfica, a mayor pendiente el punto de pinch-off ya no estaría en , sino que este disminuiría hasta un . Físicamente se cumple que estos voltajes son los mismos.[pic 48][pic 49][pic 50][pic 51]

                                        [pic 52]

Y, reemplazando este valor en (**):

 … (****)[pic 53]

Se obtiene que la corriente ya no depende de  sino que solo lo hace del terminal . [pic 54][pic 55]

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De la ecuación obtenida, como se aprecia en el gráfico, la corriente aumenta en relación directa con el voltaje .[pic 58]

Transconductancia

De la ecuación (*) y manteniendo constante el voltaje , se tiene que:[pic 59]

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El N-MOS genera una corriente  a partir del voltaje , este amplificador de corriente, se encuentra definido a partir de su transconductancia .[pic 62][pic 63][pic 64]

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Layout del N-MOS en microwind2

En base a lo pedido, se elige el valor de  y . [pic 67][pic 68]

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Para su análisis se entregan dos señales de reloj, uno en el gate y el otro en el drain. Se verá cuales son los efectos que se producen en el source del transistor N-MOS.

1. Muestre la pantalla de características estáticas, comportamiento dinámico, vista de corte, vista 3D, identifique los parámetros de las dimensiones del layout L y W.

Características estáticas del N-MOS

Esta primera gráfica muestra la relación entre la corriente en el N-MOS () versus el voltaje en el gate () con respecto al sustrato , que en la gráfica es la línea de color verde. Aquí se aprecia que el voltaje umbral o threshold es .[pic 70][pic 71][pic 72][pic 73]

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