VMOS_CMOS

TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO CMOS Y VMOS Gabriela Carrión Vivar [email protected] Universidad Politécnica Salesiana – Sede Cuenca  Abstrac— In this paper is presented two types of FET transistors: CMOS and VMOS. Also, it’s presented the key features structure and the characteristic curve of each one. Resumen — En este documento presentamos dos tipos de transistores FET: CMOS y VMOS. Además, se presentó las principales características, estructura y curva característica de cada uno de estos transistores.

I. OBJETIVOS .1. Objetivo general: o Conocer los diferentes tipos de transistores de efecto de campo. .2. Objetivos específicos: o Conocer las principales características y configuraciones de los transistores CMOS y VMOS. o Identificar los componentes de cada transistor y su utilidad en el campo aplicado.

II. MARCO TEÓRICO A. Transistores de efecto de campo (FET) El transistor de efecto de campo (FET) es un dispositivo de tres terminales que se utiliza en varias aplicaciones que coinciden, en gran medida, con las del transistor BJT. Las diferencias principales entre los dos tipos de transistor radican en el hecho de que: El transistor BJT es un dispositivo controlado por corriente, en tanto que el transistor JFET es un dispositivo controlado por voltaje [1], tal como se indica en la figura 1.

Figura 1. Amplificadores (a) controlado por corriente, (b)controlado por voltaje.

Como se indica en la figura (1b), la corriente ID será una función del voltaje VGS aplicado al circuito de entrada del transistor. [1] El FET es un dispositivo unipolar que depende no sólo tanto de la conducción de electrones (canal n) como de la conducción de huecos (canal p). [1]

PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE UN FET: Se rescatan como las principales características de un FET, las siguientes: o Posee una alta impedancia de entrada. o Las ganancias de voltaje de ca típicas para amplificadores de BJT son mucho mayores que para los FET. o Los FET son más estables a la temperatura que los BJT, y en general más pequeños, lo que los hace particularmente útiles en chips de circuitos integrados. o Los principales tipos son: JFET, MOSFET y MESFET. [1] B. Transistores MOSFET El transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor o MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) es un transistor utilizado para amplificar o conmutar señales electrónicas. Es el transistor más utilizado en la industria microelectrónica, ya sea en circuitos analógicos o digitales. Existen dos tipos de transistores MOSFET, ambos basados en la estructura MOS. Los MOSFET de enriquecimiento se basan en la creación de un canal entre el drenador y el surtidor, al aplicar una tensión en la compuerta. La tensión de la compuerta atrae portadores minoritarios hacia el canal, de manera que se forma una región de inversión, es decir, una región con dopado opuesto al que tenía el sustrato originalmente. El término enriquecimiento hace referencia al incremento de la conductividad eléctrica debido a un aumento de la cantidad de portadores de carga en la región correspondiente al canal. El canal puede formarse con un incremento en la concentración de electrones (en un nMOSFET o NMOS), o huecos (en un pMOSFET o PMOS). De este modo un transistor NMOS se construye con un sustrato tipo p y tiene un canal de tipo n, mientras que un transistor PMOS se construye con un sustrato tipo n y tiene un canal de tipo p. [2] Los MOSFET de empobrecimiento tienen un canal conductor en su estado de reposo, que se debe hacer

desaparecer mediante la aplicación de la tensión eléctrica en la compuerta, lo cual ocasiona una disminución de la cantidad de portadores de carga y una disminución respectiva de la conductividad. [2] en las figuras 2 y 3 se presenta la diferencia entre el MOSFET tipo empobrecimiento y el tipo enriquecimiento respectivamente.

Figura 2. MOSFET tipo empobrecimiento de canal n

Figura 3. MOSFET tipo enriquecimiento de canal n

III. DESARROLLO A. Transistores de efecto de campo VMOS o de potencia Una de las desventajas del MOSFET típico son los niveles de manejo de potencia reducidos (en general, menores que 1 W). Esta deficiencia para un dispositivo con tantas características positivas se puede mitigar si se cambia el modo de construcción de uno de naturaleza plana como el de la figura 2 a uno con estructura vertical como se muestra en la figura 4. Todos los elementos del MOSFET plano están presentes en el FET de silicio de óxido metálico vertical (VMOS): La conexión superficial metálica con las terminales del dispositivo, la capa de SiO2 entre la compuerta y la región tipo p entre el drenaje y la fuente para que crezca el canal n inducido (operación del modo de enriquecimiento). El término vertical se debe sobre todo a que ahora el canal se formó en la dirección vertical en vez de la horizontal como en el caso del dispositivo plano. La construcción de la figura 4 es un tanto sencilla porque no incluye algunos de los niveles de transición de dopado, pero sí permite describir las facetas más importantes de su operación. [1]

FUNCIONAMIENTO DEL VMOS: La aplicación de un voltaje positivo al drenaje y de uno negativo a la fuente con la compuerta a 0 V o a algún nivel de “encendido” positivo típico como se muestra en la figura 4 da como resultado el canal n inducido en la región tipo p estrecha del dispositivo. La altura vertical de la región p ahora define la longitud del canal, la cual se puede hacer significativamente menor que la de un canal utilizando una construcción planar. Sobre un plano horizontal la longitud del canal se limita a un valor de 1 m a 2 m. Las capas de difusión se pueden controlar a pequeñas fracciones de un micrómetro. Como las longitudes decrecientes del canal reducen los niveles de resistencia, el nivel de disipación de potencia del dispositivo a niveles de corriente de operación se reducirá. Además, el modo de construcción vertical reduce en gran medida el área de contacto entre el canal y la región tipo n+, lo que contribuye a una reducción adicional del nivel de resistencia y al incremento del área para el flujo de corriente entre las capas de dopado. También están las dos trayectorias de conducción entre el drenaje y la fuente, que contribuyen aún más a la elevación del valor de la corriente. El resultado neto es un dispositivo con corrientes de drenaje capaces de alcanzar niveles de amperios con niveles de potencia de más de 10 W. CARACTERÍSTICAS: Comparados con los MOSFET planos comercialmente disponibles, los VMOS FET tienen niveles de resistencia de canal reducidos y valores de potencia y corriente más altos. Una importante característica adicional de la construcción vertical es: Los VMOS FET tienen un coeficiente de temperatura positivo, el cual combate la posibilidad de desbordamiento térmico. Si la temperatura de un dispositivo se debe incrementar debido el medio circundante o a las corrientes del dispositivo, los niveles de resistencia se incrementarán causando una reducción en la corriente de drenaje en lugar de un aumento como sucede para un dispositivo convencional. Los coeficientes negativos de temperatura reducen los niveles de resistencia con incrementos de la temperatura, los cuales alimentan los niveles de corrientes crecientes y el resultado es una mayor inestabilidad de la temperatura y un desbordamiento térmico. Otra característica positiva de la configuración VMOS es: Los niveles almacenados de carga reducidos aceleran los tiempos de conmutación para la construcción de VMOS, comparados con los de la construcción plana convencional. Los dispositivos VMOS en general tienen tiempos de conmutación de menos de la mitad de los del transistor BJT típico. [1] CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL VMOS: La tensión puerta fuente debe alcanzar un valor umbral para que comience a haber conducción entre drenador y fuente. Los fabricantes definen la tensión umbral VGS(TO) como la tensión puerta-fuente a la que la corriente de drenador es 0,25mA, o 1mA. Las tensiones umbrales suelen estar en el margen de 24V, [3] esto se explica en las figuras 5 y 6.

Figura 4. Construcción de un VMOS

Como se indica en la figura 7, la tensión de umbral varía con la temperatura.

B. Transistores de efecto de campo CMOS Complementary metal-oxide-semiconductor o CMOS (semiconductor complementario de óxido metálico) es una de las familias lógicas empleadas en la fabricación de circuitos integrados debido a la relativamente alta impedancia de entrada, las rápidas velocidades de conmutación y los bajos niveles de potencia de operación de la configuración. ESTRUCTURA DEL CMOS:

Figura 5. Características de transferencia. ID = F(VGS) Figura 8. Configuracion del CMOS FET Un CMOS FET consiste en la utilización conjunta de transistores de tipo pMOS y tipo nMOS configurados de tal forma que, en estado de reposo, el consumo de energía es únicamente el debido a las corrientes parásitas. El canal p es inducido a la izquierda y el canal n es inducido a la derecha para los dispositivos de canal p y n, respectivamente. En la actualidad, la mayoría de los circuitos integrados que se fabrican utilizan la tecnología CMOS. Esto incluye microprocesadores, memorias, procesadores digitales de señales y muchos otros tipos de circuitos integrados digitales cuyo consumo es considerablemente bajo. Figura 6. Corriente subumbral de drenaje. ID = F(VGS); condiciones: Tj= 25ºC, VDS=VGS

CARACTERÍSTICAS DEL CMOS: 1. Voltaje de alimentación Las series 4000 y 74C funcionan con valores de VDD, que van de 3 a 15 V. Las series 74HC y 74RCT funcionan con un menor margen de 2 a 6 V. 2. Niveles de voltaje Cuando las salidas CMOS manejan sólo entradas CMOS, los niveles de voltaje de la salida pueden estar muy cercanos a 0V para el estado bajo, y a VDD para el estado alto. Esto es el resultado directo de la alta resistencia de entrada de los dispositivos CMOS, que extrae muy poca corriente de la salida a la que está conectada.

Figura 7. Voltaje subumbral de puerta VGS(TO) = F(Tj), ID = 1mA, VDS=VGS

3. Inmunidad al ruido Los circuitos lógicos deben tener cierta inmunidad al ruido la cual es definida como “la capacidad para tolerar fluctuaciones en la tensión no deseadas en sus entradas sin que cambie el estado de salida”. En la Figura 13, tenemos los valores críticos de las

tensiones de entrada y salida de una puerta lógica y los márgenes de ruido a nivel alto y bajo.

de voltaje revelará que V0 es de casi 0 V, o estado 0, y de ese modo se establece el proceso de inversión deseado. Con un voltaje aplicado Vi de 0 V (estado 0), VGS1=0V y Q1 se “apagará” con VSS2=-5 V y el MOSFET de canal ps e enciende. El resultado es que Q2 presentará un pequeño nivel de resistencia, Q1 una alta resistencia, y V0=VSS=5 V (el estado 1).

Figura 13. Márgenes de ruido En VDD = 5 V, los márgenes de ruido son 1.5 V. Estos márgenes, pueden mejorarse utilizando un valor mayor de VDD a expensas de un mayor consumo de potencia debido al mayor voltaje de alimentación. [4]

APLICACIONES DEL CMOS: 1. Circuito inversor Un uso muy efectivo de la configuración complementaria es un inversor, como se muestra en la figura 9.

Figura 10. Niveles de resistencia negativa con Vi=5V (estado 1) Como la corriente de drenaje que fluye en uno u otro caso se ve limitada por el transistor “apagado” al valor de fuga, la potencia disipada por el dispositivo en uno u otro estado es muy baja. A más de la configuración del CMOS para inversores, se pueden realizar arreglos para generar compuertas lógicas tales como: NAND, NOR y AND.

Figura 9. CMOS inversor Ambas compuertas están conectadas a la señal aplicada y las dos drenan hacia la salida VO. La fuente del MOSFET de canal p (Q2) está conectada directamente al voltaje aplicado VSS, mientras que la fuente del MOSFET de canal n (Q1) está conectada a tierra. Para los niveles lógicos (0-1), la aplicación de 5 V a la entrada deberá producir casi 0 V a la salida. Con Vi de 5 V (con respecto a tierra), VGS1=Vi y Q1 está “encendido”, y el resultado es una resistencia relativamente baja entre el drenaje y la fuente como se muestra en la figura 10. Como Vi y VSS están a 5 V, VGS2=0 V, lo cual es menor que el VT requerido para el dispositivo y el resultado es un estado “apagado”. El nivel de resistencia resultante entre el drenaje y la fuente es bastante alto para Q2, como se muestra en la figura 10. Una aplicación simple de la regla del divisor

Figura 11. Compuerta NAND CMOS

Figura 12. Compuerta NOR CMOS

2. El CMOS es regenerativo: Otra de las características importantes de los circuitos CMOS es que son regenerativos: una señal degradada que acometa una puerta lógica CMOS se verá restaurada a su valor lógico inicial 0 o 1, siempre y cuando aún esté dentro de los márgenes de ruido que el circuito pueda tolerar. CURVA CARACTERÍSTICA DEL CMOS: Para la configuracion inversora del CMOS, se obtienen las siguientes curvas características tanto para la relación de voltaje como la de corriente.

o El comportamiento de los transistores de efecto de campo se caracteriza por sus curvas características. o Últimamente, ha aparecido en el mercado una nueva tecnología de fabricación de transistores MOS, los ‘VMOS’ a causa de la estructura geométrica de sus diferentes regiones semiconductoras. o El transistor VMOS permite trabajar con altos niveles de potencia y corriente, mientras el CMOS permite realizar aplicaciones de precisión con bajos niveles de corriente siendo adecuado para la fabricación de circuitos lógicos integrados.

V. BIBLIOGRAFÍA

Figura 14. Función de transferencia V0-Vi

Figura 15. Consumo de intensidad de Icc del inversor.

IV. CONCLUSIONES Mediante la realización de este trabajo investigativo se ha llegado a las siguientes conclusiones: o Los transistores FET realizan la función de control de la corriente, común a todos los transistores por ser característica básica, mediante una tensión aplicada en uno de sus terminales. Están construidos con una zona semiconductora tipo P o N que une dos de sus tres terminales.

[1] R. Boylestad, «Transistores de efecto de campo,» de Teoría de circuitos y dispositivos eléctricos, Pearson Education , 2009. [2] «WIKIPEDIA,» [En línea]. Available: http://es.wikipedia.org/wiki/MOSFET. [ Último acceso: 22 Enero 2014]. [3] [En línea]. Available: www.unioviedo.es/sebas/S_E_Alimentacion/Leccion_ 5_MOSFET.ppt. [Último acceso: 22 Enero 2014]. [4] [En línea]. Available: http://electronica.ugr.es/~amroldan/asignaturas/curso0405/ftc/pdf/trab_familia_cmos.pdf. [Último acceso: 22 Enero 2014]. [5] [En línea]. Available: http://diec.unizar.es/~tpollan/libro/Apuntes/digT7.pdf. [Último acceso: 22 Enero 2014].