Introduccin a Fsica de Semiconductores

1
Introducción a Física de Semiconductores

• Primera Clase

2
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3
Por qué circuitos analógicos?

• El ser humano adquiere data a través de sus cinco
  sentidos
• Todos estos sentidos trabajan de forma continua
• El universo tiene un nivel infinito de señales
  por las cuales se interpreta su existencia
• Por ende para recolectar data sin perder parte de
  esta, debemos de tener la capacidad de procesarla
  sin subdividirla, por ende los circuitos
  analógicos.

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Transistores MOS

• Símbolos y Proceso de Fabricación

5
Características Importantes del Transistor MOS

• El transistor es un elemento que convierte
  voltaje en corriente.
• La alimentación de voltaje en la compuerta
  determina la magnitud de la corriente.
• La diferencia entre la compuerta y la fuente
  generan un canal.
• Algunos voltajes que debemos tener pendientes
  son
• Potencial de umbral
• Voltaje entre fuente y drenaje

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Nodos de un Transistor

• Para entender la importancia del potencial entre
  fuente y drenaje primero debemos saber las
  conexiones disponibles en un transistor
• Source Fuente
• Gate Compuerta
• Drain Drenaje
• Bulk Cuerpo

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Estructura de transistores MOS complementaria
Un proceso que permite el crecimiento de
transistores NMOS y PMOS se conoce como
complementario CMOS Complementary Metal Oxide
Structure
NMOS
PMOS
G
G
B
S
D
D
S
B
Silicon Complementary process structure
p
n
n
p
p
n
n-well
p-substrate
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Estructura de transistores MOS complementaria
NMOS
PMOS
G
G
B
S
D
D
S
B
Silicon Complementary process structure
p
n
n
p
p
n
n-well
p-substrate
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Formación de Transistor

• En una oblea p dopamos dos regiones con elementos
  característicos y altamente electronegativos
  estos nos crea dos regiones con alto dopaje de n
  y una región central que los divide
• La distancia entre ambas regiones se conoce como
  el largo del canal.
• Las dos regiones son intercambiables una es la
  fuente y la otra el drenaje.
• La region intermedia lleva una capa de dioxido de
  silicio termal, la cual es cubierta por una capa
  de poli silicio.

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Estructura MOS

• Se compone de una oblea de silicio
• Cubierta con una capa de Dioxido de Silicio
• Crece la compuerta
• El oxido es removido
• Las areas son dopadas
• Dichas capas son conectas al exterior con metal

O2
O2
O2
SiO2
Si
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Estructura de transistores MOS
MOS Semiconductores de metal y óxido S Source
(Fuente) G Gate (compuerta) D Drain (drenaje)
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Conexión del cuerpo u oblea
B BULK (Cuerpo) en Caso de NMOS la conexión de
la oblea
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Estructura de transistores MOS
CUANDO EL DISEÑADOR DIBUJA UN TRANSISTOR ESCOGE
UN LARGO PARA DICHO CANAL LLDRAWN
CUANDO EL DISEÑO ES FABRICADO EL LARGO PARA DICHO
CANAL LLEFF
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Estructura MOS

• Podemos apreciar entonces, que para un
  transistor MOS existen cuatro conexiones.
• La fuente
• El drenaje
• La compuerta
• La oblea (para NMOS)

G
S
B
D
p
n
n
15
Estructura Complementaria CMOS

• En este proceso tenemos un canal cuya información
  se transporta con electrones
• Y otro canal que transmite la información
  utilizando hoyos

G
G
B
S
D
D
S
B
p
n
n
p
p
n
- - - - - - - - - -

PMOS
n-well
NMOS
p-substrate
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Transistores NMOS y PMOS
NMOS TRANSISTOR Cargas que construyen el canal
son cargas negativas (electrón), atraídas por la
diferencia en voltaje de la compuerta y la oblea.
PMOS TRANSISTORS Cargas que construyen el canal
son cargas positivas (falta de electrón en capa
de conducción) por la diferencia entre la
compuerta y el pozo N.
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Representación esquemática de transistores

• Diferentes tipos de transistores son dibujados en
  esquemáticos utilizando diferentes símbolos.
• A continuación se encuentran las representaciones
  esquemáticas que seran usadas en clase

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Símbolos Para Transistores NMOS y PMOS
NMOS
PMOS
19
Introducción a Física de Semiconductores
20
Física de Semiconductores de devices MOS

• Existen 2 formas extremas de estudiar la física
  de transistores MOS
• Mecánica cuántica
• Caja negra
• La mejor manera es la intermedia
• Comprender lo suficiente para entender de donde
  provienen los términos de los modelos
  simplificados.

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.Continuación

• Mencionamos previamente los cuatro nodos de un
  transistor
• Mencionamos también el voltaje de umbral y la
  diferencia en potencial de los diferentes nodos
• A continuación explicamos con mas detalle los
  términos previamente usados

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Potencial de Umbral

• El potencial o voltaje de umbral se define como
  voltaje necesario para crear el canal conductivo.
• El canal conductivo conecta o permite enviar
  información de un nodo del transistor a otro

Las ecuaciones presentes nos dan una idea
matemática de la dependencia del voltaje de
umbral Vth, en relación al potencial de Fermi FF,
la carga en la región depletion y la
capacitancia del aislante.
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Regiones de operacióndel transistor

• Apagado (Cut off)
• El voltaje de compuerta (G) a fuente (S) es menor
  que el voltaje de umbral
• Triodo
• Voltaje de compuerta (G) a fuente (S) es mayor
  que el voltaje de umbral y dicho voltaje
  sobrepasa la diferencia en potencial entre
  drenaje y fuente.
• Saturación
• Voltaje de compuerta (G) a fuente (S) es mayor
  que el voltaje de umbral pero dicho voltaje no es
  mayor que la diferencia en potencial entre
  drenaje y fuente.

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Regiones de operacióndel transistor

• Apagado (Cut off)
• VGS lt Vth
• Triodo
• VGS gt Vth
• VDS lt (VGS Vth)
• Saturación
• VGS Vth
• VDS gt (VGS Vth)

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Formación del canal

• Cuando está en tríodo el canal es plano.
• Cuando esta en saturación, mientras aumenta VDS
  el canal formado se distorsiona y se pincha en el
  área cercana al drenaje

VG
VD
n
n
- - - - - - -- - -- - - - - - - - - - -
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Formación del canal
VG

• Mientras aplicamos un potencial entre G y S las
  cargas positivas se repelen de la superficie de
  silicio del canal.
• Mientras mas positivo se vuelve el voltaje VGS
  menos cargas mayoritarias quedan en la region
  denominada como depletion.Esta región atrae las
  cargas negativas a la superficie
• Cuando VG sobrepasa el voltaje de umbral las
  cargas de minoría en esta región forman el canal.

n
n
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
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Técnicas de proceso para reducir Vth

• Implante de contaminantes tipo p para la
  reducción del voltaje de umbral

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Derivación de la curva característica i/v

• Considere una barra de metal de un semiconductor
  la cual carga una corriente I.
• Si la densidad de carga en dirección de la
  corriente se denomina como Qd,
• Donde v es la velocidad de la carga que atraviesa
  la sección transversal de la barra por unidad de
  tiempo en metros por segundos.
• Entonces la corriente es un producto de la
  densidad de carga y su velocidad

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Carga en un transistor MOS
Conecte D y S a tierra. Cuál es la densidad de
carga en la capa de inversión? Como la inversión
de carga del canal no ocurre hasta que VGS Vth,
la densidad de carga producida por la
capacitancia de la compuerta es proporcional a
VGS - Vth Para toda carga puesta en la compuerta
existe un reflejo negativo de dicha carga en la
región de inversión. Densidad de carga es carga
por unidad de longitud entonces
W Ancho de la región de inversión Cox
Capacitancia por unidad de área del silicio bajo
la compuerta
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Carga en un transistor MOS en saturación profunda
Cuando el nodo D esta a un voltaje mayor que
cero, existe una diferencia el potencial a lo
largo del canal La diferencia en este varia de VG
hasta VG - VD por tanto la densidad de carga en
relación a x esta dada por
Donde V(x) es el potencial del canal en x
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Corriente en el transistor
Previamente mencionamos que la corriente en un
semiconductor está dada por
Sustituyendo la ecuación obtenida para Qd
encontramos que
Donde el signo negativo ha sido añadido porque
estamos hablando de cargas negativas, por ende la
dirección de la corriente es opuesta.
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Corriente vs Potencial
En los semiconductores la velocidad está dada
por vmE Donde m es la movilidad de los
electrones Sabemos que el campo electrónico
es EdV(x)/dx Por tanto la corriente depende del
potencial del canal.
Esta ecuación esta sujeta a las concones de
frontera V(0) y V(L) VDS Integrando ambos lados
de la ecuación
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Corriente cuando el transistor opera en tríodo
Como ID es constante a través del canal.
Corriente a través del transistor vs. Voltaje de
drenaje a fuente en la región de operación de
tríodo
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Corriente cuando el transistor opera en saturación
Podemos apreciar como el tope de la parábola (la
corriente máxima) ocurre cuando VGS Vth VDS.
Este voltaje se conoce como overdrive . Como ID
es constante a través del canal. Este determina
la corriente en saturación
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Asignación

• Determine la resistencia de un transistor
  operando en modo de triodo con las siguientes
  especificaciones
• mnCox 50 mA/V2
• Vth 0.7 V
• No obtendrá un numero si no una ecuacion
  dependiente de VG
• Asuma conexión de drenaje abierta

36
Resultado de Tarea e Introducción a dispositivos
en Saturación
37
Resultado de Tarea

• Cuando el transistor está en triodo cumple y
  cumple con el siguiente requisito
• VDS ltlt VGS -Vth
• Entonces la corriente

Puede ser aproximada por la ecuación
38
..Continuacion

• Por ende si queremos hallar la Resistencia del
  canal cuando el transistor esta encendido
• VGS Vth
• Usando la ley de Ohms vemos que
• VDS IDSRDS
• Por tanto
• RDS VDS / IDS
• Sustituyendo la aproximación dada para cuando
• VDSltlt (VGS Vth)

39
..Continuacion

• Vemos por tanto que sustituyendo los valores
  dados la resistencia del canal depende de VG si
  la fuente (S) esta conectada a tierra.

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Corriente cuando el transistor opera en saturación
Podemos apreciar como el tope de la parábola (la
corriente máxima) ocurre cuando VGS Vth VDS.
Este voltaje se conoce como overdrive . Como ID
es constante a través del canal. Este determina
la corriente en saturación