Mosfet

TEMA 4
TRANSISTORES MOSFET
El transistor de efecto campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET o MOS) puede afirmarse
que constituye el caballo de batalla del diseño digital actual. Sus principales ventajas son su
densidad de integración y un proceso de fabricación relativamente simple, en comparación
con las tecnologías bipolares, lo que ha hecho posible producir grandes y complejos circuitosde forma económica. La superior densidad de integración de estos dispositivos se debe, tanto
a su menor ocupación de área por dispositivo, como a la posibilidad de utilizar estructuras
dinámicas que requieren un menor número de transistores para realizar una función
determinada y presentan en general una menor disipación de potencia.

Figura 4.1. Vista y sección de un transistor MOSFET decanal n [1]

La estructura de un transistor MOSFET de canal n (NMOS) en tecnología estándar se
ilustra en la figura 4.1, siendo los dopajes de cada una de las zonas y los tamaños relativos de
los distintos componentes de la estructura las “herramientas” con que se cuentan para el
diseño al nivel básico de estos dispositivos. En este esquema, el dispositivo en sí ocupa la
zona central (región“activa”), aislándose de los dispositivos vecinos mediante una capa
gruesa de SiO2 (denominado óxido de campo) y un diodo en inversa formado mediante la
adición de una región extra p+, denominada implantación de parada de canal (channel-stop
implant). El grosor elevado del óxido de campo previene la formación de canales indeseados
entre dispositivos adyacentes y minimiza las capacidades parásitasentre las conexiones
metálicas y el sustrato en estas zonas. Los símbolos de circuito utilizados para los transistores
MOSFET de canal n y canal p (de “enriquecimiento” – enhancement o normally-off) se
muestran en la figura 4.2. El sustrato puede representarse o no como un cuarto terminal en
estos símbolos, y normalmente se conecta al mismo terminal de alimentación para todos los
dispositivosde un mismo tipo (GND para los NMOS y Vcc para los MOSFET de canal p o

Introducción

Figura 4.2. Símbolos de circuito para MOSFET de canal n y canal p de
enriquecimiento (enhancement) [2]

PMOS). Con esta conexión del sustrato se trata de garantizar la polarización en inversa de las
uniones formadas por éste y las regiones de drenador y fuente del dispositivo.
En este temapresentaremos en profundidad los aspectos más interesantes de este
dispositivo, que determinan el procedimiento y los condicionantes de diseño aplicables a los
circuitos MOS, tanto analógicos como digitales. Comenzaremos presentando las diferentes
facetas del comportamiento del dispositivo MOSFET; se introducirán los factores que
determinan la tensión de formación de canal (tensión umbral), el modeloanalítico más simple
de comportamiento tensión-corriente (modelo de Sah), y las capacidades que limitan el
comportamiento dinámico. A continuación introduciremos los efectos de segundo orden que
se ponen de manifiesto principalmente como consecuencia de la miniaturización de estos
dispositivos, y cómo estos efectos determinan y modifican las ecuaciones de comportamiento
estático. Finalmentepresentaremos los múltiples modelos SPICE de estos dispositivos y las
reglas que rigen el diseño del layout de estos circuitos.

1. OPERACIÓN DEL MOSFET
Estudiaremos en este apartado el comportamiento de un MOSFET en sus diferentes facetas,
tomando como referencia el dispositivo de canal n. No obstante, los argumentos utilizados y
las relaciones deducidas para este tipo serán también aplicables alos de PMOS, redefiniendo
el sentido de la corriente (en este caso, a diferencia del NMOS, la corriente fluye de fuente a
drenador) y recalculando los parámetros para los datos de tecnología de estos dispositivos.

1.1. Comportamiento estático
Como sabemos, el principio de operación de la estructura ilustrada en la figura 4.1 puede
resumirse en el control de la corriente entre fuente y...