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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
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2
Estructura del Transistor NMOS
• Transistor NMOS de enriquecimiento:
DrenadorPuertaFuenteSubstrato
Substrato - P
n+ n+p+
Conductor
Aislante
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3
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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4
Transistor NMOS
• Layout ActiveN-selectP-select
PolyMetal 1
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5
Transistor NMOS
• Layout ActiveN-selectP-select
PolyMetal 1
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6
Transistor NMOS
• Layout ActiveN-selectP-select
PolyMetal 1
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7
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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9
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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12
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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17
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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18
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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19
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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20
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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21
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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22
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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23
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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24
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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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación
25
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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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación
26
Transistor PMOS
• Layout ActiveN-select P-select
PolyMetal 1
Pozo-N
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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación
27
Transistor PMOS
• Layout ActiveN-select P-select
PolyMetal 1
Pozo-N
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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación
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Transistor PMOS
• Layout ActiveN-select P-select
PolyMetal 1
Pozo-N
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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación
29
Transistor PMOS
• Layout
G
S DB
ActiveN-select P-select
PolyMetal 1
Pozo-N
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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación
30
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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31
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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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación
32
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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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación
33
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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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación
34
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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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación
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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