Mosfet Integrado.docx

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FACULTAD DE INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN Y SERVICIOS

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

Circuitos FET utilizados en circuitos integrados

Estudiante: Menendez Ramos Abel Gonzalo

Arequipa- Perú 2018

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Índice Introducción ............................................................................................................................................ 2 Aspectos teóricos .................................................................................................................................... 3 1. El JFET .................................................................................................................................................. 3 2. El MOSFET............................................................................................................................................ 3 2.1. Estructura del MOSFET ..................................................................................................................... 3 2.2. Funcionamiento del transistor MOSFET ........................................................................................... 4 2.2.1 MOSFET de enriquecimiento .......................................................................................................... 5 2.2.2. MOSFET de empobrecimiento ...................................................................................................... 6 2.3. Modos de operación ........................................................................................................................ 6 2.3.1. Región de corte ............................................................................................................................. 7 2.3.2 Región lineal ................................................................................................................................... 7 2.3.3. Región de saturación ..................................................................................................................... 8 3. Circuito integrado ................................................................................................................................ 8 3.1. Clasificación ...................................................................................................................................... 9 Material y métodos ............................................................................................................................... 10 4. La tecnología CMOS........................................................................................................................... 10 4.1. Estructura de los circuitos C-MOS .................................................................................................. 10 4.2. Funcionamiento de una Estructura MOS ....................................................................................... 11 4.2.1. Parámetros fundamentales del transistor MOSFET .................................................................... 11 4.2.2. Modelado del transistor MOSFET según la región de operación ................................................ 12 4.2.2. Las dimensiones del transistor MOSFET ..................................................................................... 13 4.2.3. Dificultades a la hora de reducir el tamaño del MOSFET ............................................................ 14 4.3. Ventajas con respecto a los transistores bipolares ........................................................................ 14 4.4. Particularidades de la tecnología C-MOS ....................................................................................... 15 4.5. Aplicaciones del transistor MOSFET ............................................................................................... 16 4.6. Aplicaciones de la tecnología CMOS .............................................................................................. 16 5. Circuitos PMOS .................................................................................................................................. 17 6. Circuitos NMOS ................................................................................................................................. 18 Conclusiones.......................................................................................................................................... 20 Referencias bibliográficas...................................................................................................................... 21

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Introducción El transistor JFET es un dispositivo controlado por voltaje una de las características más importantes es su alta impedancia de entrada. Los FET son más estables a la temperatura que los BJT, y en general son más pequeños que los BJT, lo que los hace particularmente útiles en chips de circuitos integrados. Existen tres tipos de FET: el transistor de efecto de campo de unión (JFET), el transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET), y el transistor de efecto de campo semiconductor metálico (MESFET). La categoría MOSFET se divide aún más en tipos de empobrecimiento y enriquecimiento. El transistor MOSFET ha llegado a ser uno de los dispositivos más importantes utilizados en el diseño y construcción de circuitos integrados para computadoras digitales. Su estabilidad térmica y otras características generales hacen que sean extremadamente populares en el diseño de circuitos de computadora. Sin embargo, por ser un elemento discreto confinado en un contenedor acopado, requiere un manejo cuidadoso. El MESFET es un desarrollo más reciente y aprovecha al máximo la ventaja de las características de alta velocidad del GaAs como material semiconductor base. Aun cuando en la actualidad es la opción más cara, el tema del costo a menudo es superado por la necesidad de mayores velocidades en diseños de radiofrecuencia y de computadoras.

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Aspectos teóricos 1. El JFET El JFET (Junction Field-Effect Transistor, en español transistor de efecto de campo de juntura o unión) es un tipo de dispositivo electrónico de tres terminales que puede ser usado como interruptor electrónicamente controlado, amplificador o resistencia controlada por voltaje. Posee tres terminales, comúnmente llamados drenaje (D), puerta o compuerta (G) y fuente (S). A diferencia del transistor de unión bipolar el JFET, al ser un dispositivo controlado por un voltaje de entrada, no necesita de corriente de polarización. La carga eléctrica fluye a través de un canal semiconductor (de tipo N o P) que se halla entre el drenaje y la fuente. Aplicando una tensión eléctrica inversa al terminal de puerta, el canal se "estrecha" de modo que ofrece resistencia al paso de la corriente eléctrica. Un JFET conduce entre los terminales D y S cuando la tensión entre los terminales G y S (VGS) es igual a cero (región de saturación), pero cuando esta tensión aumenta en módulo y con la polaridad adecuada, la resistencia entre los terminales D y S crece, entrando así en la región óhmica, hasta determinado límite cuando deja de conducir y entra en corte. La gráfica de la tensión entre los terminales D y S (VDS) en el eje horizontal contra la corriente del terminal D.

Figura1. Esquema interno de un transistor JFET de canal P

2. El MOSFET 2.1. Estructura del MOSFET

4 Un transistor MOSFET es una evolución de la estructura MOS, también conocida como condensador MOS. A dicha estructura se le incluirán dos terminales adicionales (surtidor y drenador), cada uno conectado a regiones altamente dopadas que se mantienen separadas del sustrato. Por lo tanto un transistor MOSFET está formado por cuatro terminales llamadas surtidor (S), drenador (D), compuerta (G) y sustrato (B), source, drain, gate y bulk, en inglés, sin embargo el sustrato está generalmente conectado internamente al terminal del surtidor y por ese motivo se pueden encontrar dispositivos de tres terminales, similares a otros transistores de efecto de campo. La compuerta está localizada encima del sustrato y aislada de todas las demás regiones del dispositivo por una capa de dieléctrico, que en el caso del MOSFET es un óxido, como el dióxido de silicio. Si se utilizan otros materiales dieléctricos que no sean óxidos, el dispositivo es conocido como un transistor de efecto de campo metal-aislante semiconductor (MISFET). Los otros dos terminales adicionales (surtidor y drenador), están conectados a regiones altamente dopadas separadas una de la otra por la región del sustrato, que a su vez también está fuertemente dopada, pero en este caso en el sentido contrario, esto quiere decir que si el drenador y el surtidor son de semiconductor dopado tipo n, el sustrato lo será del tipo p y viceversa. Dando lugar a los dos tipos básicos de transistores MOSFET, NMOS, en el caso de que el drenador y el surtidor sean tipo n, o PMOS, en el caso contrario.

Figura2. Estructura de un MOSFET

2.2. Funcionamiento del transistor MOSFET Un transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET) se su funcionamiento en el control de la concentración de portadores de carga en la estructura MOS existente entre los electrodos del sustrato y la compuerta. A diferencia de lo ocurrido en un condensador MOS, en un transistor MOSFET, el hecho de poseer dos zonas dopadas como son el surtidor y el drenador, hace posible que la formación del canal de conducción sea más rápida y manejable. Formación del canal en un MOSFET La forma como se forma el canal de conducción MOSFET aprovecha el funcionamiento de la estructura MOS, pero incrementa su velocidad de formación al añadirle las dos zonas surtidor y drenador de dopaje contrario al surtidor. La ocupación de las bandas de energía en un semiconductor está determinada por la posición del nivel de Fermi con respecto a los bordes de las bandas de energía del semiconductor. Como se ha descrito anteriormente, y como se puede apreciar en la figura, cuando se aplica una tensión de compuerta suficiente, el borde de la banda de valencia se aleja del nivel de Fermi, y los huecos presentes en el sustrato son repelidos de la compuerta. Cuando se polariza todavía más

5 la compuerta, el borde de la banda de conducción se acerca al nivel de Fermi en la región cercana a la superficie del semiconductor, y esta región se llena de electrones en una región de inversión o un canal de tipo n originado en la interfaz entre el sustrato tipo p y el óxido. Este canal conductor se extiende entre el drenador y el surtidor, y la corriente fluye a través del dispositivo cuando se aplica un potencial entre el drenador y el surtidor. Al aumentar la tensión en la compuerta, se incrementa la densidad de electrones en la región de inversión y por lo tanto se incrementa el flujo de corriente entre el drenador y el surtidor.

Figura3. Funcionamiento de un MOSFET

Para tensiones de compuerta inferiores a la tensión de umbral, el canal no tiene suficientes portadores de carga para formar la zona de inversión, y de esta forma solo una pequeña corriente de subumbral puede fluir entre el drenador y el surtidor. Cuando se aplica una tensión negativa entre compuertasurtidor (positiva entre surtidor-compuerta) se crea un canal de tipo p en una superficie del sustrato tipo n, de forma análoga al canal n, pero con polaridades opuestas para las cargas y las tensiones. Cuando una tensión menos negativa que la tensión de umbral es aplicada (una tensión negativa para el canal tipo p) el canal desaparece y solo puede fluir una pequeña corriente de subumbral entre el drenador y el surtidor. Dependiendo de la existencia o no de canal de conducción en estado de reposo, se fabrican dos tipos diferentes de transistores MOSFET, estos son los MOSFET de enriquecimiento y los de empobrecimiento. Ambos tipos de transistores están basados en la estructura MOS.

2.2.1 MOSFET de enriquecimiento Los MOSFET de enriquecimiento basan su principio de funcionamiento en la creación de un canal de conducción entre el drenador y el surtidor al aplicar una tensión en la compuerta. La tensión de la compuerta provoca la atracción de portadores minoritarios hacia la zona contigua a la compuerta, creando una región de inversión, es decir, una zona con dopado opuesto al que poseía originalmente, permitiendo la creación de un canal de conducción entre el drenador y el surtidor. 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 nMOS), o huecos (en un 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.

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Figura4. MOSFET de enriquecimiento

2.2.2. MOSFET de empobrecimiento Los MOSFET de empobrecimiento se diferencian de los anteriores en que poseen un canal conductor en su estado de reposo, que se hace desaparecer aplicando tensión eléctrica en la compuerta, lo cual ocasiona una disminución de la cantidad de portadores de carga y por lo tanto una disminución de la conductividad.

Figura5. MOSFET de empobrecimiento

2.3. Modos de operación

7 Se da otra peculiaridad en el funcionamiento de los transistores MOSFET, esta es la variación del modo de operación dependiendo de las tensiones aplicadas en los terminales correspondientes. La operatividad de un transistor MOSFET se puede dividir en tres regiones diferentes de operación que son: región de corte, región lineal y región de saturación.

2.3.1. Región de corte Esta región se produce cuando la tensión aplicada entre la compuerta y el surtidor no supera una tensión mínima llamada tensión de umbral. En esta región el transistor se encuentra apagado, no existe conducción entre el surtidor y el drenador de modo que el MOSFET se comporta como un interruptor abierto. Un modelo más exacto considera el efecto de la energía térmica descrita por la distribución de Boltzmann para las energías de los electrones, en donde se permite que los electrones con alta energía presentes en el surtidor ingresen al canal y fluyan hacia el drenador. Esto ocasiona que exista una corriente llamada corriente de subumbral, que posee una relación exponencial con la tensión entre la compuerta y el surtidor.

2.3.2 Región lineal Esta región ocurre cuando la tensión aplicada entre la compuerta y el surtidor es mayor que la tensión umbral, y a su vez la aplicada entre el drenador y el surtidor es menor que la diferencia entre la tensión entre la compuerta y el surtidor y la tensión umbral. Es decir: VGS > Vth y VDS < ( VGS – Vth ) Al polarizarse la puerta con una tensión mayor que la tensión de umbral, se crea una región de agotamiento en la región que separa la fuente y el drenador. Si esta tensión crece lo suficiente, aparecerán portadores minoritarios (huecos en pMOS, electrones en nMOS) en la región de agotamiento, que darán lugar a un canal de conducción. El transistor pasa entonces a estado de conducción, de modo que una diferencia de potencial entre fuente y drenador dará lugar a una corriente. El transistor se comporta como una resistencia controlada por la tensión de compuerta.

Figura6. MOSFET en región lineal

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2.3.3. Región de saturación Cuando la tensión entre drenador y el surtidor supera a la diferencia entre la tensión de la compuerta y el surtidor y la tensión umbral, el canal de conducción bajo la puerta sufre un estrangulamiento en las cercanías del drenador y desaparece. La corriente entre fuente y drenador no se interrumpe.

Figura7. MOSFET en región lineal

3. Circuito integrado Un circuito integrado (CI), también conocido como chip o microchip, es una estructura de pequeñas dimensiones de material semiconductor, normalmente silicio, de algunos milímetros cuadrados de superficie (área), sobre la que se fabrican circuitos electrónicos generalmente mediante fotolitografía y que está protegida dentro de un encapsulado de plástico o de cerámica.1 El encapsulado posee conductores metálicos apropiados para hacer conexión entre el circuito integrado y un circuito impreso. Los CI se hicieron posibles gracias a descubrimientos experimentales que mostraban que artefactos semiconductores podían realizar las funciones de los tubos de vacío, así como a los avances científicos de la fabricación de semiconductores a mediados del siglo XX. La integración de grandes cantidades de pequeños transistores dentro de un pequeño espacio fue un gran avance en la elaboración manual de circuitos utilizando componentes electrónicos discretos. La capacidad de producción masiva de los circuitos integrados, así como la fiabilidad y acercamiento a la construcción de un diagrama a bloques en circuitos, aseguraba la rápida adopción de los circuitos integrados estandarizados en lugar de diseños utilizando transistores discretos.

Los CI tienen dos principales ventajas sobre los circuitos discretos: costo y rendimiento. El bajo costo es debido a los chips; ya que posee todos sus componentes impresos en una unidad de fotolitografía en lugar de ser construidos un transistor a la vez. Más aún, los CI

9 empaquetados usan mucho menos material que los circuitos discretos. El rendimiento es alto ya que los componentes de los CI cambian rápidamente y consumen poco poder (comparado sus contrapartes discretas) como resultado de su pequeño tamaño y proximidad de todos sus componentes. Desde 2012, el intervalo de área de chips típicos es desde unos pocos milímetros cuadrados a alrededor de 450 mm2, con hasta 9 millones de transistores por mm2. Los circuitos integrados son usados en prácticamente todos los equipos electrónicos hoy en día, y han revolucionado el mundo de la electrónica. Computadoras, teléfonos móviles, y otros dispositivos electrónicos que son parte indispensables de las sociedades modernas, son posibles gracias a los bajos costos de los circuitos integrados.

3.1. Clasificación Atendiendo al nivel de integración —número de componentes— los circuitos integrados se pueden clasificar en: 10

     

SSI (Small Scale Integration) pequeño nivel: de 10 a 100 transistores MSI (Medium Scale Integration) medio: 101 a 1000 transistores LSI (Large Scale Integration) grande: 1001 a 10 000 transistores VLSI (Very Large Scale Integration) muy grande: 10 001 a 100 000 transistores ULSI (Ultra Large Scale Integration) ultra grande: 100 001 a 1 000 000 transistores GLSI (Giga Large Scale Integration) giga grande: más de un millón de transistores

En cuanto a las funciones integradas, los circuitos se clasifican en dos grandes grupos: 

Circuitos integrados analógicos.

Pueden constar desde simples transistores encapsulados juntos, sin unión entre ellos, hasta circuitos completos y funcionales, como amplificadores, osciladores o incluso receptores de radio completos. 

Circuitos integrados digitales.

Pueden ser desde básicas puertas lógicas (AND, OR, NOT) hasta los más complicados microprocesadores o microcontroladores. Algunos son diseñados y fabricados para cumplir una función específica dentro de un sistema mayor y más complejo. En general, la fabricación de los CI es compleja ya que tienen una alta integración de componentes en un espacio muy reducido, de forma que llegan a ser microscópicos. Sin embargo, permiten grandes simplificaciones con respecto a los antiguos circuitos, además de un montaje más eficaz y rápido.

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Material y métodos 4. La tecnología CMOS El semiconductor complementario de óxido metálico o complementary metal-oxidesemiconductor (CMOS) es una de las familias lógicas empleadas en la fabricación de circuitos integrados. Su principal característica consiste en la utilización conjunta de transistores de tipo pMOS y tipo nMOS configurados de forma tal que, en estado de reposo, el consumo de energía es únicamente el debido a las corrientes parásitas, colocado en la placa base. En la actualidad, la mayoría de los circuitos integrados que se fabrican usan la tecnología CMOS. Esto incluye microprocesadores, memorias, procesadores digitales de señales y muchos otros tipos de circuitos integrados digitales de consumo considerablemente bajo. Drenador (D) conectada a tierra (Vss), con valor 0; el valor 0 no se propaga al surtidor (S) y por lo tanto a la salida de la puerta lógica. El transistor pMOS, por el contrario, está en estado de conducción y es el que propaga valor 1 (Vdd) a la salida. Otra característica importante 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 ó 1, siempre que aún esté dentro de los márgenes de ruido que el circuito pueda tolerar.

Figura8. Circuito inversor en tecnología CMOS

4.1. Estructura de los circuitos C-MOS En un circuito CMOS, la función lógica que se quiere sintetizar se implementa por duplicado mediante dos circuitos: uno basado exclusivamente en transistores pMOS (circuito de pullup), y otro basado exclusivamente en transistores nMOS (circuito de pull-down). El circuito pMOS es empleado para propagar el valor binario 1 (pull-up), y el circuito nMOS para propagar el valor binario 0 (pull-down).

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Figura9. Sección transversal de dos transistores en una puerta CMOS

4.2. Funcionamiento de una Estructura MOS Al aplicar tensión en la compuerta del condensador MOS se crea un campo eléctrico que interactúa con el surtidor dopado desplazando las cargas minoritarias hacia la zona más próxima a la compuerta, generando así una región de inversión, es decir, una zona de dopado opuesto al que poseía originalmente, permitiendo la creación de un canal de conducción Al aplicar un potencial a través de la estructura MOS, se produce una modificación de las cargas en el semiconductor. Si consideramos por ejemplo un semiconductor de tipo p, al aplicar una tensión positiva entre la compuerta y el sustrato, se genera una región de agotamiento debido a que los huecos cargados positivamente son repelidos de la interfaz entre el aislante de compuerta y el semiconductor. Esto deja expuesta una zona libre de portadores, que está constituida por los iones de los átomos aceptores cargados negativamente. Si la tensión es lo suficientemente alta, una alta concentración de portadores de carga negativos formará una región de inversión localizada en una franja delgada contigua a la interfaz entre el semiconductor y el aislante. Esta región se forma muy lentamente mediante generación térmica en los centros de generación y recombinación de portadores que están en la región de agotamiento. De forma convencional, la tensión de compuerta a la cual la densidad volumétrica de electrones en la región de inversión es la misma que la densidad volumétrica de huecos en el sustrato se llama tensión de umbral. Esta estructura con un sustrato de tipo p es la base de los transistores nMOSFET, los cuales requieren el dopado local de regiones de tipo n para el drenador y el surtidor.

4.2.1. Parámetros fundamentales del transistor MOSFET Un transistor MOSFET, se podría modelizar como una fuente de intensidad controlada por tensión, ahora bien, como hemos indicado en el apartado anterior, los transistores MOSFET poseen diversas regiones de funcionamiento, en las cuales varía el comportamiento del dispositivo. En cada región existe una modelización diferente debido al diferente comportamiento, y adoptan mayor importancia unos parámetros en lugar de otros que la poseen en otra región, primero haremos un resumen de todos los parámetros que adquieren importancia en su funcionamiento y acto seguido explicaremos mediante sus leyes de funcionamiento la importancia que adquieren cada uno. Los parámetros más importantes que rigen el comportamiento de la intensidad un transistor MOSFET son los siguientes: VARIABLES

12 - Vgs y Vds: Vgs es la que se aplica entre la compuerta y el drenador, Vds es la tensión que se aplica entre el drenador y la fuente, ambas son regulables por el usuario - Ids: Es la variable de salida del sistema. Es la intensidad que circula por el canal, varía su comportamiento dependiendo de la región de funcionamiento. CONSTANTES - Vth: Es la tensión de umbral, Cuando aplicamos una tensión Vgs menor que esta tensión, el transistor permanece apagado, luego Ids será aproximadamente igual a 0, si Vgs es mayor que Vth el transistor entrará en alguna de las dos zonas activas (lineal o saturación), en las que Ids es mayor que 0. - W: Es el ancho de compuerta. - L: Es la longitud del canal - Cox: Es la capacitancia que surge debida a la capa de óxido y el sustrato. Está situada entre el surtidor y el drenador. - Co: Es la capacitancia de la región de agotamiento. - 𝜇𝑛 : es la movilidad efectiva de los portadores de carga - Vt = kT/q que es el voltaje térmico.

4.2.2. Modelado del transistor MOSFET según la región de operación Como indicamos en el anterior apartado, existen 3 regiones fundamentales de operación de los transistores MOSFET, que son la región de corte, la región lineal y la región de saturación. Dependiendo de las variables de entrada aplicadas el transistor operará en una de estas tres regiones, a continuación detallaremos las leyes físicas que describen su funcionamiento y como afectan los parámetros en cada una de las regiones.

Figura10. Intensidad en función de Vds, para diferentes Vgs

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Para un transistor NMOS de enriquecimiento se tienen las siguientes regiones: Región de corte Cuando VGS < Vth Como indicamos en el apartado anterior en esta región el MOSFET se comporta como un interruptor abierto en el modelo más simple. Sin embargo en un modelo más realista en esta zona se ocasiona una corriente de subumbral que está descrita por la siguiente expresión: 𝐼𝐷= 𝐼𝐷𝑂 𝑒

𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝐻 𝑛𝑉𝑇

En donde ID0 es la corriente que existe cuando VGS = Vth,

4.2.2. Las dimensiones del transistor MOSFET Dos de los parámetros más importantes en un transistor MOSFET son la longitud del canal (L) y el ancho de la compuerta (W). En el proceso de fabricación se puede modificar el comportamiento eléctrico del dispositivo variando cualquiera de estos dos parámetros. Como hemos apreciado en el apartado anterior, la intensidad de salida del transistor MOSFET depende de dichos parámetros.

Figura11. Curvas Id-Vds para un microtransistor

Además, la longitud del canal denomina la tecnología con la cual fue fabricado el componente electrónico. Esto quiere decir que un transistor fabricado con tecnología de 45nm es un transistor cuya longitud de canal es de 45nm. Los MOSFET pequeños son deseables por varias razones. El motivo principal la reducción del tamaño de los transistores ya que de esta manera se pueden incluir cada vez más dispositivos en la misma área de un circuito integrado. Esto da lugar a circuitos con la misma funcionalidad pero en áreas más pequeñas, o bien circuitos con más funcionalidades en la misma área. Debido a que los costes de fabricación para una oblea de semiconductor son relativamente estables, el costo por cada circuito integrado que se produce está relacionado principalmente con el número de circuitos que se

14 pueden producir por cada oblea. De esta forma, los circuitos integrados pequeños permiten integrar más circuitos por oblea, reduciendo el precio de cada circuito. De hecho, a lo largo de las últimas tres décadas el número de transistores por cada circuito integrado se ha duplicado cada dos o tres años, cada vez que un nuevo nodo de tecnología es introducido. Esta duplicación de la densidad de integración de transistores fue observada por Gordon Moore en 1965 y es conocida como la Ley de Moore. Otra ventaja de la reducción de tamaño es que se al reducir el tamaño se consigue que los transistores conmuten más rápido. Por ejemplo, si reducimos proporcionalmente la longitud, el ancho y el espesor de la capa de óxido por un factor de aproximadamente 0.7 por cada nodo, de esta forma, la resistencia del canal del transistor no cambia con la reducción, mientras que la capacitancia de la compuerta se reduce por un factor de 0.7. De modo que la constante de tiempo del circuito RC también se reduce por un factor de 0.7 Sin embargo estas características, que se han ido cumpliendo tradicionalmente en las tecnologías antiguas, en los transistores de las generaciones recientes, la reducción de las dimensiones del transistor no implica necesariamente que la velocidad de los circuitos se incremente, debido a que el retardo inducido por las interconexiones se vuelve cada vez más importante.

4.2.3. Dificultades a la hora de reducir el tamaño del MOSFET Históricamente, las dificultades de reducir el tamaño del MOSFET se han debido únicamente al proceso de fabricación de los dispositivos semiconductores, sin embargo, la necesidad de utilizar tensiones cada vez más bajas, y con menor desempeño eléctrico, han requerido del rediseño de los circuitos y de la innovación, ya que el comportamiento a pequeña escala difiere notablemente al de gran escala en los dispositivos. Por ejemplo los MOSFETs pequeños presentan mayor corriente de fuga así como una impedancia de salida más baja. Producir MOSFETs con longitudes de canal mucho más pequeñas que un micrómetro es todo un reto, y las dificultades de la fabricación de semiconductores son siempre un factor que limita el avance de la tecnología de circuitos integrados. En los años recientes, el tamaño reducido del MOSFET, más allá de las decenas de nanómetros, ha creado diversos problemas operacionales. Algunos de los factores que limitan la reducción del tamaño del MOSFET son las siguientes: - Aumento de la corriente de subumbral - Aumento en las fugas compuertaóxido - Aumento en las fugas de las uniones surtidor-sustrato y drenadorsustrato - Reducción de la resistencia de salida - Reducción de la transconductancia - Capacitancia de interconexión - Producción y disipación de calor - Variaciones en el proceso de fabricación Retos en el modelado matemático

4.3. Ventajas con respecto a los transistores bipolares La principal aplicación de los MOSFET está en los circuitos integrados PMOS, NMOS y CMOS, debido a las siguientes ventajas de los transistores de efecto de campo con respecto a los transistores bipolares: - Consumo en modo estático muy bajo. - Tamaño muy inferior al transistor bipolar (actualmente del orden de media micra). - Gran capacidad de integración debido a su reducido tamaño.

15 - Funcionamiento por tensión, son controlados por voltaje por lo que tienen una impedancia de entrada muy alta. La intensidad que circula por la puerta es del orden de los nanoamperios. –Los circuitos digitales realizados con MOSFET no necesitan resistencias, con el ahorro de superficie que conlleva. - La velocidad de conmutación es muy alta, siendo del orden de los nanosegundos. - Cada vez se encuentran más en aplicaciones en los convertidores de alta frecuencias y baja potencia.

4.4. Particularidades de la tecnología C-MOS Debido a que la función lógica implementada en tecnología C-MOS se constituye de transistores pMOS y nMOS, poseen las mismas características que los ya descritos en el transistor MOSFET, sin embargo la tecnología CMOS presenta ventajas e inconvenientes particularizados. Ventajas e inconvenientes Ventajas La familia lógica tiene una serie de ventajas que la hacen superior a otras en la fabricación de circuitos integrados digitales: - El bajo consumo de potencia estática, gracias a la alta impedancia de entrada de los transistores de tipo MOSFET y a que, en estado de reposo, un circuito CMOS solo experimentará corrientes parásitas. Esto es debido a que en ninguno de los dos estados lógicos existe un camino directo entre la fuente de alimentación y el terminal de tierra, o lo que es lo mismo, uno de los dos transistores que forman el inversor CMOS básico se encuentra en la región de corte en estado estacionario. - Gracias a su carácter regenerativo, los circuitos CMOS son robustos frente a ruido o degradación de señal debido a la impedancia del metal de interconexión. - Los circuitos CMOS son sencillos de diseñar. - La tecnología de fabricación está muy desarrollada, y es posible conseguir densidades de integración muy altas a un precio mucho menor que el de otras tecnologías.

Inconvenientes Algunos de los inconvenientes son los siguientes: - Debido al carácter capacitivo de los transistores MOSFET, y al hecho de que estos son empleados por duplicado en parejas nMOS-pMOS, la velocidad de los circuitos CMOS es comparativamente menor que la de otras familias lógicas.

16 - La sensibilidad a las cargas estáticas. Históricamente, este problema se ha resuelto mediante protecciones en las entradas del circuito. Pueden ser diodos en inversa conectados a masa y a la alimentación, que, además de proteger el dispositivo, reducen los transitorios o zener conectados a masa. Este último método permite quitar la alimentación de un solo dispositivo. - Son vulnerables a latch-up: Consiste en la existencia de un tiristor parásito en la estructura CMOS que entra en conducción cuando la salida supera la alimentación. Esto se produce con relativa facilidad debido a la componente inductiva de la red de alimentación de los circuitos integrados. El latch-up produce un camino de baja resistencia a la corriente de alimentación que acarrea la destrucción del dispositivo. Siguiendo las técnicas de diseño adecuadas este riesgo es prácticamente nulo. Generalmente es suficiente con espaciar contactos de sustrato y pozos de difusión con suficiente regularidad, para asegurarse de que está sólidamente conectado a masa o alimentación. - Según se va reduciendo el tamaño de los transistores, las corrientes parásitas empiezan a ser comparables a las corrientes dinámicas (debidas a la conmutación de los dispositivos). - El comportamiento de la estructura MOS es sumamente sensible a la existencia de cargas atrapadas en el óxido. Una partícula alfa o beta que atraviese un chip CMOS puede dejar cargas a su paso, cambiando la tensión umbral de los transistores y deteriorando o inutilizando el dispositivo. Por ello existen circuitos "endurecidos" (Hardened), fabricados habitualmente en silicio sobre aislante (SOI).

4.5. Aplicaciones del transistor MOSFET La forma más habitual de emplear transistores MOSFET es en circuitos de tipo CMOS, consistentes en el uso de transistores PMOS y NMOS complementarios. Las aplicaciones de MOSFET discretos más comunes son: - Resistencia controlada por tensión. - Circuitos de conmutación de potencia (HEXFET, FREDFET, etc.). - Mezcladores de frecuencia, con MOSFET de doble puerta.

4.6. Aplicaciones de la tecnología CMOS La tecnología CMOS es de amplísima aplicación en el día de hoy. Es la base principal de la electrónica debido a la excelente capacidad de compactación. En electrónica digital la mayor parte de los circuitos integrados cuentan con esta tecnología, es decir, procesadores, tarjetas gráficas, memorias, placas base, etc. Además por su reducido consumo, es aplicada para la elaboración de circuitos integrados de elementos portátiles, que de otra manera por su

17 elevado consumo no permitiría su uso continuado por mucho tiempo. Además de su utilización en la electrónica digital, también son utilizados en la elaboración de circuitos analógicos debido a dos características importantes como son: la alta impedancia de entrada y la baja resistencia de canal. Como la compuerta de un transistor MOS viene a ser un pequeño condensador no se necesita una corriente de polarización, así para que un transistor funcione solamente se necesita una tensión de polarización. Un MOS saturado se comporta como una resistencia cuyo valor depende de la superficie del transistor. Es decir, que si se le piden corrientes reducidas, la caída de tensión en el transistor llega a ser muy reducida. Estas características posibilitan la fabricación de amplificadores operacionales "Rail-to-Rail", en los que el margen de la tensión de salida abarca desde la alimentación negativa a la positiva. También es útil en el diseño de reguladores de tensión lineales y fuentes conmutadas

5. Circuitos PMOS La lógica semiconductora de óxido metálico de tipo P utiliza transistores de efecto de campo (MOSFET) semiconductores de óxido metálico de canal p para implementar puertas lógicas y otros circuitos digitales. Los transistores PMOS operan creando una capa de inversión en un cuerpo de transistor tipo n. Esta capa de inversión, llamada canal p, puede conducir orificios entre los terminales de "fuente" y "drenaje" tipo p. El canal p se crea aplicando voltaje al tercer terminal, llamado la puerta. Al igual que otros MOSFET, los transistores PMOS tienen cuatro modos de operación: corte (o umbral inferior), triodo, saturación (a veces llamado activo) y saturación de velocidad. Si bien la lógica PMOS es fácil de diseñar y fabricar (se puede hacer que un MOSFET funcione como una resistencia, por lo que todo el circuito se puede hacer con PMOS FET), también tiene varios inconvenientes. El peor problema es que hay una corriente continua (CC) a través de una puerta lógica PMOS cuando el PUN está activo, es decir, cuando la salida es alta, lo que conduce a la disipación de energía estática incluso cuando el circuito está inactivo. Además, los circuitos PMOS son lentos para la transición de alto a bajo. Cuando se realiza la transición de bajo a alto, los transistores proporcionan una resistencia baja, y la carga capacitiva en la salida se acumula muy rápidamente (similar a cargar un capacitor a través de una resistencia muy baja). Pero la resistencia entre la salida y el riel de suministro negativo es mucho mayor, por lo que la transición de alto a bajo toma más tiempo (similar a la descarga de un capacitor a través de una alta resistencia). El uso de una resistencia de menor valor acelerará el proceso, pero también aumentará la disipación de potencia estática. Además, los niveles lógicos de entrada asimétrica hacen que los circuitos PMOS sean susceptibles al ruido. La mayoría de los circuitos integrados P-MOS requieren una fuente de alimentación de 17-24 voltios DC. El microprocesador Intel 4004 PMOS, sin embargo, utiliza la lógica PMOS con polisilicio en lugar de puertas metálicas, lo que permite un diferencial de voltaje más pequeño. Para la compatibilidad con las señales TTL, el 4004 utiliza una tensión de alimentación positiva V SS = + 5V y una tensión de alimentación negativa V DD = -10V.

18 Aunque inicialmente era más fácil de fabricar, la lógica PMOS fue suplantada posteriormente por la lógica NMOS utilizando transistores de efecto de campo de n canales. NMOS es más rápido que PMOS. Los circuitos integrados modernos son lógica CMOS, que utiliza transistores de canal p y canal n. Los MOSFET de tipo p están dispuestos en una llamada "red de pull-up" (PUN) entre la salida de la puerta lógica y la tensión de alimentación positiva, mientras que una resistencia se coloca entre la salida de la puerta lógica y la tensión de alimentación negativa. El circuito está diseñado de tal manera que si la salida deseada es alta, entonces el PUN estará activo, creando una ruta de corriente entre la fuente positiva y la salida.

Las puertas PMOS tienen la misma disposición que las puertas NMOS si se invierten todos los voltajes. [4] Por lo tanto, para la lógica activa-alta, las leyes de De Morgan muestran que una puerta PMOS NOR tiene la misma estructura que una puerta NMOS NAND y viceversa.

Inversor PMOS con resistencia de carga.

Puerta PMOS NAND con resistencia de carga.

Puerta PMOS NOR con resistencia de carga.

Figura 12. Lógica PMOS

6. Circuitos NMOS La lógica NMOS utiliza transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido metálico (MOSFET) con dopaje tipo N para implementar circuitos lógicos y otros circuitos digitales. Los transistores NMOS tienen tres modos de funcionamiento: en el área de interdicción, en zona triodo y la zona de saturación. Los nMOS están dispuestos en la llamada "red de bajada" (PDN) entre la salida del circuito lógico y la tensión de entrada negativa, mientras que una resistencia se coloca entre la salida y la tensión de entrada positiva. El circuito está diseñado para que la salida deseada sea baja, y luego la red PDN está activa, creando así una corriente entre la entrada y la salida.

19 Considere un ejemplo de una puerta lógica NOR como ejemplo. Si la entrada A es alta o la entrada B es alta (nivel lógico 1), el transistor MOS respectivo actúa como una resistencia que tiene una resistencia baja entre la entrada y la salida, presionando la salida para que sea baja (nivel lógico 0). Cuando tanto A como B son altos, ambos transistores conducen y crean una trayectoria de resistencia aún más baja. El único caso donde la salida es alta es cuando ambos transistores están apagados, lo que sucede cuando A y B están bajos.

Figura 13. Estructura interna de un MOSFET tipo N

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Conclusiones La tecnología CMOS, debido a sus propiedades, constituye la piedra angular de la microelectrónica actual, y dado que los dispositivos electrónicos inundan la práctica totalidad de los campos a día de hoy, le confiere un papel imprescindible. Además de la importancia de los circuitos integrados CMOS, hemos aprendido los principios de funcionamiento de éstos, haciendo especial hincapié en los principios de funcionamiento del transistor MOSFET, que es el elemento básico de construcción de todos los circuitos MOS. Así mismo también hemos descubierto como se implementan los circuitos construidos con la familia lógica CMOS, y como dicho ingenio ha supuesto un importante avance debido al limitado consumo de los desarrollados con esta tecnología, mostrándose especialmente útil a la hora de desarrollar dispositivos portátiles. La invención como el desarrollo de la tecnología CMOS aumentando la velocidad de computación, la capacidad de las memorias así como consiguiendo reducir cada vez más el tamaño de los dispositivos, ha supuesto un gran paso adelante en el uso y disfrute de los aparatos electrónicos, que como es sabido nos facilitan enormemente la vida.

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Referencias bibliográficas 

https://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_integrado

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https://www.google.com.pe/search?q=logica+n+mos&oq=logica+n+mos&aqs=chrome..69i5 7j0l5.3666j0j4&sourceid=chrome&ie=UTF-8

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https://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor_complementario_de_%C3%B3xido_met%C3% A1lico

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https://es.pdfcoke.com/document/165444224/Estructura-de-Los-Circuitos-Integrados

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https://es.wikipedia.org/wiki/Estructura_MOS

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https://www.researchgate.net/publication/242538241_FAMILIA_LOGICA_CMOS

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https://en.wikipedia.org/wiki/PMOS_logic

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http://cursos.mcielectronics.cl/circuitos-integrados/