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Tema  B.1.  El  Transistor  MOS:  Estructura  Física  y  Modelos  de  Circuito  

Electrónica  Básica  

Gustavo  A.  Ruiz  Robredo  Juan  A.  Michell  Mar<n  

DPTO.  DE  ELECTRÓNICA  Y  COMPUTADORES  

 Este  tema  se  publica  bajo  Licencia:  CreaIve  Commons  BY-­‐NC-­‐SA  3.0    

Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación

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Estructura del Transistor NMOS

•  Transistor NMOS de enriquecimiento:

DrenadorPuertaFuenteSubstrato

Substrato - P

n+ n+p+

Conductor

Aislante

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Transistor NMOS

•  Características físicas

Substrato - P

n+ n+

SiO2

PolisilicioDifusiones S/D

tox

Leff

W

LD

L

2 , oxeff D ox

ox

L L L Ctε

= − =

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Transistor NMOS

•  Layout ActiveN-selectP-select

PolyMetal 1

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Transistor NMOS

•  Layout ActiveN-selectP-select

PolyMetal 1

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Transistor NMOS

•  Layout ActiveN-selectP-select

PolyMetal 1

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Transistor NMOS

•  Layout G

S DB

ActiveN-selectP-select

PolyMetal 1

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8

Transistor NMOS

•  Layout simplificado

S D

a

bAs = a´ b

Ps = 2(a+b)Ad = a´ c

Pd = 2(a+c)

a

c

L

W

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Tensión Umbral Intrínseca: VTN0

•  Formación del canal: VGS=VTN0 (VSB=0).

( )0

2 22

si FA SUBTN FBN F

ox

q NV V

C

ε Φ= + Φ +

( )ln A SUBF

i

NKTq n

Φ =

Substrato - P

n+ n+p+

+−

Iones Negativos

ElectronesG

DSB

VGS=VTN0

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Tensión Umbral Generalizada: VTN •  Efecto substrato (body):

( )0 2 2 0TN TN n F SB F SBV V V Vγ= + Φ + − Φ ∧ ≥

( )2 si A SUBn

ox

q N

C

εγ =

Substrato - P

n+ n+p+

+−

GDSB

VG+−

VS + −

VD

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Modelo de Gran Señal: Región Lineal

•  Canal formado en toda la superficie

0 0 0SB GS TN GS TN DSV V V V V V≥ ∧ ≥ > ∧ − ≥ ≥

+

VDS

−

+VGS−

D

S

G

IDB−VSB+

Substrato - P

n+ n+p+

GDSB

VG VD IDVSVB

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Características I-V: Región Lineal

•  Modelo Idealizado:

GS TN

GS TN DS

V VV V V

≥⎧⎨

− ≥⎩

( )2

2DS

D n ox GS TN DSW VI C V V VL

µ⎡ ⎤

= − −⎢ ⎥⎣ ⎦

( )2max12D n ox GS TN

WI C V VL

µ= −

ID

VDS

VGS6

VGS5

VGS4

VGS3

VGS2

Región Lineal

VGS1

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Características I-V: Región Lineal

•  Resistencia controlada por tensión: ( )2GS TN GS TN DSV V V V V≥ ∧ − >>

( )D n ox GS TN DSWI C V V VL

µ≈ −

( )

1DSon

Dn ox GS TN

VR WI C V VL

µ= =

−

ID

VDS

VGS6

VGS5

VGS4

VGS3

VGS2

Región Lineal

ID

VDS

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Modelo de Gran Señal: Región de Saturación

•  Canal parcialmente formado en la superficie:

0 0 0SB GS TN DS GS TNV V V V V V≥ ∧ ≥ > ∧ ≥ − ≥

+

VDS

−

+VGS−

D

S

G

IDB−VSB+

Substrato - P

n+ n+p+

GDSB

VG VD IDVSVB

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Características I-V: Región de Saturación

•  Modelo Idealizado:

GS TN

GS TN DS

V VV V V

≥⎧⎨

− ≤⎩

( )212D n ox GS TN

WI C V VL

µ= −

ID

VDS

VGS6

VGS5

VGS4

VGS3

VGS2

Región Lineal

Región de Saturación

VGS1

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Características I-V: Región de Saturación

•  Modulación de la longitud del canal:

GS TN

GS TN DS

V VV V V

≥⎧⎨

− ≤⎩

( ) ( )21 12D n ox GS TN n DS

WI C V V VL

µ λ= − +

ID

VDS

VGS6

VGS5

VGS4

VGS3

VGS2

Región Lineal

Región de Saturación

VGS1

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Modelo de Pequeña Señal en Baja Frecuencia

•  Transistor NMOS polarizado, sometido a variaciones de tensión de pequeña señal.

VGS0

DS

+−+−DVGS

VDS0

+−+−DVDS

VSB0+−+ −

DVBS IDS0  +  DIDS

G

B

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Modelo de Pequeña Señal en Baja Frecuencia

•  Aproximación de las variaciones de corriente:

–  Transconductancia:

–  Transconductancia de substrato:

–  Conductancia drenador-fuente:

DS m GS mb BS ds DSI g V g V g VΔ ≈ Δ + Δ + Δ

,BS DS

DSm

GS V V

IgV∂

≡∂

,GS DS

DSmb

BS V V

IgV∂

≡∂

,GS BS

DSds

DS V V

IgV∂

≡∂

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Modelo de Pequeña Señal en Baja Frecuencia

•  Circuito equivalente:

DS m GS mb BS ds DSI g V g V g VΔ = Δ + Δ + Δ

1d m gs mb bs ds ds o dsi g v g v g v r g−= + + ∧ =

+vgs−

gmvgs ro

D

S

G

B

−vbs+

gmbvbs

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Parámetros de Pequeña Señal en Saturación

•  Transconductancia:

–  Modelo idealizado:

( )2 1Dm n ox D n DS

GS

I Wg C I VV L

µ λ∂

= = +∂

2m n ox DWg C IL

µ≅

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Parámetros de Pequeña Señal en Saturación

•  Conductancia de salida:

•  Transconductancia de substrato:

( )21 12

Dds o n ox GS TH n n D

DS

I Wg r C V V IV L

µ λ λ− ∂= = = − ≈

∂

2 2D n m

mb n mBS F SB

I gg gV V

γη

∂= = =∂ Φ +

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Modelo de Pequeña Señal en Alta Frecuencia

•  Circuito equivalente

+vgs−

gmvgs ro

D

S

G

B

−vbs+

gmbvbsCgs

Cgb Csb Cdb

Cgd

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Modelo de Pequeña Señal en Alta Frecuencia

•  Capacidades en G:

–  Región de corte:

–  Región lineal:

–  Región de saturación

( )

2g eff

gs eff gso

CC W C= + ( )

2g eff

gd eff gdo

CC W C= +gb eff gboC L C=

( )23g eff

gs eff gso

CC W C= + gd eff gdoC W C=

gd eff gdoC W C=gs eff gsoC W C=( )gb g eff eff gboC C L C= +

( )g eff ox eff effC C W L=

gb eff gboC L C=

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Modelo de Pequeña Señal en Alta Frecuencia

•  Capacidades en S y D:

( )( ) ( )( )1 1j jsw

j D jsw Ddb m m

DB B DB B

C A C PC

V Vφ φ= +

+ +

( )( ) ( )( )1 1j jsw

j S jsw Ssb m m

SB B SB B

C A C PC

V Vφ φ= +

+ +

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Transistor PMOS

•  Estructura física y símbolo de circuito.

–  Tensión umbral negativa:

–  Tensiones de polarización negativas: 0 , 0 , 0SB GS DSV V V≤ ≤ ≤

0 ,TPV <

Substrato - N

p+ p+n+

GDSB

VG VD IDVSVB

−

VDS

+

−VGS+

D

S

G

ID

B

−VBS+

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Transistor PMOS

•  Layout ActiveN-select P-select

PolyMetal 1

Pozo-N

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Transistor PMOS

•  Layout ActiveN-select P-select

PolyMetal 1

Pozo-N

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Transistor PMOS

•  Layout ActiveN-select P-select

PolyMetal 1

Pozo-N

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Transistor PMOS

•  Layout

G

S DB

ActiveN-select P-select

PolyMetal 1

Pozo-N

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Transistor PMOS

•  Layout simplificado

S D

a

bAs = a´ b

Ps = 2(a+b)Ad = a´ c

Pd = 2(a+c)

a

c

L

W

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Transistor PMOS: Tensión Umbral •  Tensión umbral intrínseca: VTP0.

•  Tensión umbral generalizada: efecto body.

( )0

2 22 si D SUB F

TP FBP Fox

q NV V

Cε Φ

= − Φ −

( )ln D SUBF

i

NKTq n

Φ = −

( )0 2 2TP TP p F SB FV V Vγ= − Φ − − Φ

( )2 si D SUBp

ox

q N

C

εγ =

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Transistor PMOS: Modelo de Gran señal

•  Modelo idealizado en la región lineal:

,GS TP GS TP DSV V V V V≤ − ≤

( ) 212D p ox GS TP DS DS

WI C V V V VL

µ ⎡ ⎤= − − −⎢ ⎥⎣ ⎦

Substrato - N

p+ p+n+

GDSB

VG VD IDVSVB

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Transistor PMOS: Modelo de Gran señal

•  Modelo idealizado en la región de saturación:

,GS TP GS TP DSV V V V V≤ − ≥

( )212D p ox GS TP

WI C V VL

µ= − −

Substrato - N

p+ p+n+

GDSB

VG VD IDVSVB

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Transistor PMOS: Modelo de Gran señal

•  Modulación de la longitud del canal en saturación:

,GS TP GS TP DSV V V V V≤ − ≥

Substrato - N

p+ p+n+

GDSB

VG VD IDVSVB

( ) ( )21 12D p ox GS TP p DS

WI C V V VL

µ λ= − − −

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Modelo de Pequeña Señal en Saturación

•  Transconductancia (gm):

–  Modelo idealizado:

( )2 1m p ox D p DSWg C I VL

µ λ= −

2m p ox DWg C IL

µ≈

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Modelo de Pequeña Señal en Saturación

•  Conductancia de salida (go):

•  Transconductancia de efecto substrato (gmbs) :

( )21 12ds o p ox GS TP p p D

Wg r C V V IL

µ λ λ−= = − ≈

2 2p m

mb p mF SB

gg g

V

γη= =

Φ +

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Circuito Equivalente de Pequeña Señal en LF

•  Inclusión del efecto substrato:

•  Modelo simplificado:

+vgs−

gmvgs ro

D

S

G

B

−vbs+

gmbvbs

+vgs−

gmvgs ro

D

S

G

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Circuito Equivalente de Pequeña Señal en HF

•  Inclusión del efecto substrato:

+vgs−

gmvgs ro

D

S

G

B

−vbs+

gmbvbsCgs

Cgb Csb Cdb

Cgd