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Ciclo 01/2017 Materia: Fundamentos de Electrónica

Catedrática: Ing. Claudia Guadalupe Sandoval Vásquez

Tema de Investigación: MOSFET de Incremento e Inversor CMOS

Alumno: Carlos Mauricio Muñoz Rodas 201502136

La Libertad, 9 de junio de 2017

Objetivos Objetivo General •

Conocer el funcionamiento de los dispositivos electrónicos MOSFET de incremento y el CMOS inversor.

Objetivo Especifico •

Identificar las principales características del funcionamiento del CMOS y MOSFET

•

Conocer las principales aplicaciones de los MOSFET y los CMOS

Inversor CMOS CMOS es una forma de circuitos de gran uso en circuitos digitales y utiliza transistores MOSFET tipo enriquecimiento tanto de canal n como de canal p (Imagen 1). Este circuito MOSFET complementario, o CMOS, utiliza transistores de tipo opuesto (o complementarios). En donde La entrada Vi se aplica a ambas compuertas con la salida tomada de los drenajes conectados. Imagen 1 (Boylestad & Nashelsky, 2009)

Construcción Un dispositivo MOS se fabrica mediante la superposición sucesiva en capas de diversos materiales

sobre

una

superficie

de

Los materiales más importantes utilizados en la fabricación de estos son: •

Silicio Cristalizado para el sustrato.

•

Dopajes de tipo n y tipo p para crear difusiones sobre el sustrato.

•

Polisicio amorfo para crear el electrodo del conductor.

•

Oxido de silicio como aislantes de diversas calidades

•

▪

Fino de alta calidad para crear el conductor

▪

Grueso de baja calidad como separador de capas

Aluminio para el interconexionado.

silicio.

En tanto un circuito CMOS está compuesto por: •

Transistores de tipo nMOS y pMOS que requieren o 2 tipos de sustrato, 2 tipos de difusiones, polisilio y óxido fino.

•

Interconexiones o Trazables a varios niveles (para permitir su cruce sin conexión). o Oxido grueso aislante entre niveles de metal. o Contactos (agujeros en el óxido) para conectar capas adyacentes.

Funcionamiento Para poder entender de mejor manera el funcionamiento del inversor CMOS se estudiará el voltaje tomado desde el nodo 3 (Imagen 2). Como se observa en la gráfica, la curva (Imagen 3) representa la salida del voltaje del nodo 3, y se puede observar fácilmente que el circuito funciona como inversor al notar que Vin=5V y el Vout= es cero y viceversa. En otras palabras, si se inyecta un voltaje alto se tendrá como resultado un voltaje bajo, y si se inyecta un voltaje bajo se obtendrá un voltaje alto. cualquier inversor.

Imagen 2 (Basil, Sin Fecha)

Imagen 3 (Basil, Sin Fecha)

Como aspectos importantes antes de iniciar un análisis más extenso del inversos es importante recalcar unas de las particulares de este. •

La corriente de drenaje a través del dispositivo NMOS es igual a la corriente de drenaje a través del dispositivo PMOS en todo momento. Las puertas MOSFET tienen una alta impedancia de entrada y asumimos que en la salida del circuito no hay ninguna carga significativa.

•

VDD es igual al voltaje a través del PMOS más el voltaje a través del NMOS

Al realizar un análisis en DC se observa de mejor manera el funcionamiento del CMOS, para lo cual se recurre a la gráfica Vout vs Vin (Imagen 4)

Imagen 4

Se observa en la gráfica que hay 5 regiones, se analizara una a una. Región 1: En este caso cuando aplicamos una tensión de entrada entre 0 y VTN. El dispositivo PMOS este encendido, desde una baja tensión se le está aplicando. El NMOS ya es bastante negativo y no tiene uso para más electrones libres por lo que se resiste a conducir y se convierte en una gran resistencia. Dado que el dispositivo NMOS está inactivo, no hay flujo de corriente a través de ninguno de los dispositivos. VDD está disponible en el terminal de Vo ya que ninguna corriente está pasando a través del dispositivo PMOS y por lo tanto no hay voltaje caído a través de él. Región 2: Aquí se aumenta el voltaje de entrada por encima de VTN. Encontramos que el dispositivo PMOS permanece en la región lineal ya que todavía tiene sesgo directo adecuado. El NMOS se enciende y salta inmediatamente a la saturación ya que todavía tiene un VDS relativamente grande a través de él. Región 3: En el centro de esta región existe un punto donde Vi = Vo. Etiquetamos este VM punto y lo identificamos como el umbral de puerta de voltaje. El voltaje caído a través del dispositivo NMOS es igual al voltaje caído a través del dispositivo PMOS cuando el voltaje de entrada es VM. Durante un tiempo muy corto, ambos dispositivos ven suficiente tensión de polarización hacia delante para conducirlos a la saturación.

Región 4: La región IV se produce entre una tensión de entrada ligeramente superior a VM pero inferior a VDD-VTP. Ahora el dispositivo NMOS está conduciendo en la región lineal, dejando caer un voltaje bajo a través de VDS. Dado que VDS es relativamente bajo, el dispositivo PMOS debe dejar caer el resto del voltaje (VDD-VDS) a través de su unión VSD. Esto, a su vez, impulsa el PMOS en saturación. Esta región es efectivamente el reverso de la región 2. Región 5: El NMOS tiende a querer conducir, pero su corriente de drenaje es muy limitada debido a que el dispositivo PMOS sólo permite a través de una pequeña corriente de fuga. El PMOS está desactivado, ya que está viendo un impulso positivo, pero ya es lo suficientemente positivo y no tiene uso para más. Esta corriente de drenaje a través del PMOS es demasiado pequeña para importar en la mayoría de los casos prácticos, por lo que ID = 0. Con esta información podemos concluir que VDS = Vo = 0 V para el NMOS ya que no hay corriente por el dispositivo. En efecto, hemos enviado VDD y hemos encontrado que la salida del inversor es cero voltios. Para inversores CMOS, VOH = VDD. VOL se define como la tensión de salida del inversor a una tensión de entrada de VOH. Acabamos de probar que VOL = 0.

Aplicaciones •

Al combinar transistores PMOS y NMOS en combinación en serie y paralelo, estos permiten generar compuertas lógicas como la NOT, NOR y NAND entre otras.

•

Son usados para circuitos alimentados por baterías como relojes digitales, calculadoras, teléfonos celulares, computadoras portátiles y microprocesadores.

Ventajas y Desventajas Ventajas •

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 sólo 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.

Desventajas •

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.

•

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).

MOSFET de incremento Es un dispositivo de cuatro terminales llamados fuente (S, Source), drenador (D, Drain), puerta (G, Gate) y sustrato (B, Bulk). Sin embargo, el sustrato generalmente está conectado internamente al terminal de fuente y por este motivo se pueden encontrar dispositivos MOSFET de tres terminales. utilizado para amplificar o conmutar señales electrónicas. Es el transistor más utilizado en la industria microelectrónica, ya sea en circuitos analógicos o digitales.

Construcción La construcción básica del MOSFET tipo empobrecimiento de canal n se da en la (Imagen 4) Se forma una losa de material p con una base de silicio y de nuevo se conoce como sustrato. Como con el MOSFET tipo empobrecimiento, el sustrato en ocasiones se conecta internamente a la terminal fuente, en tanto que en otros casos se pone a la disposición una curva terminal para el control externo de su nivel de potencial. La fuente y el drenaje se conectan de nuevo mediante contactos metálicos a regiones tipo n dopadas, pero observe que en (Imagen 5) no hay un canal entre las dos regiones tipo n dopadas. Ésta es la diferencia principal entre la construcción de los MOSFET tipo empobrecimiento y los tipos enriquecimiento: la ausencia de un canal como componente construido del dispositivo. La capa de SiO2 sigue presente para aislar la plataforma metálica de la compuerta de la región entre el drenaje y la fuente, pero, ahora, simplemente está separada de una sección del material tipo p. En suma, por consiguiente, la construcción de un MOSFET tipo enriquecimiento es muy parecida a la del MOSFET tipo empobrecimiento excepto porque no hay un canal entre el drenaje y la fuente.

Imagen 5 MOSFET de enriquecimiento

Funcionamiento La única forma de obtener corriente es mediante una tensión de puerta positiva. Cuando la puerta es positiva, atrae electrones libres dentro de la región p, y éstos se recombinan con los huecos cercanos al dióxido de silicio. Cuando la tensión de puerta es lo suficientemente positiva, todos los huecos próximos al dióxido de silicio desaparecen y los electrones libres empiezan a circular desde la fuente hacia el drenador. Esta capa conductora se denomina capa de inversión tipo n. Cuando existe, los electrones libres pueden circular fácilmente desde la fuente hacia el drenador. La VGS mínima que crea la capa de inversión de tipo n se llama tensión umbral (en inglés: threshold voltage), simbolizada por VGS(th). Cuando VGS es menor que VGS(th) la corriente de drenador el nula. Pero cuando VGS es mayor que VGS(th), una capa de inversión tipo n conecta la fuente al drenador y la corriente de drenador es grande. Los valores típicos de VGS(th) para dispositivos de pequeña señal puede variar entre 1 y 3 V. El MOSFET de enriquecimiento se clasifica porque su conductividad mejora cuando la tensión de puerta es mayor que la tensión umbral. Los dispositivos de enriquecimiento están normalmente en corte cuando la tensión de puerta es cero. Un MOSFET de enriquecimiento para pequeña señal tiene una limitación de potencia de 1 W o menos. La (Imagen 6) muestra un conjunto de curvas de salida de un MOSFET de enriquecimiento típico. La curva inferior es la curva de VGS(th). Cuando VGS es mayor que VGS(th), el dispositivo conduce y la corriente de drenador se controla por medio de la tensión de puerta.

Imagen 6 (Anonimo, Sin Fecha)

La parte casi vertical corresponde a la zona óhmica, y la parte casi horizontal corresponde a la zona activa. El MOSFET de enriquecimiento puede funcionar en cualquiera de ellas. En otras palabras, puede actuar como una resistencia o como una fuente de corriente. El uso principal es en la zona óhmica. (Imagen 6) muestra la curva característica de transferencia típica. No hay corriente de drenador hasta que VGS es mayor que VGS(th). A partir de entonces, la corriente de drenador se incrementa rápidamente hasta que alcanza la corriente de saturación ID(sat). Más allá de este punto el dispositivo está polarizado en la región óhmica. Por tanto, ID no puede crecer aunque VGS crezca. Para asegurar la saturación fuerte se usa una tensión de puerta VGS(on) bastante por encima de VGS(th), como se muestra en la Imagen 6

Aplicaciones 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.

Ventajas y Desventajas •

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.

•

Funcionamiento por tensión, son controlados por voltaje por lo que tienen una impedancia de entrada muy alta. La intensidad que circula por la puerta se expresa en nanoamperios.

•

Los circuitos digitales realizados con MOSFET no necesitan resistencias, lo que conlleva a un ahorro de superficie.

•

La velocidad de conmutación es muy alta, siendo expresada en nanosegundos.

•

Cada vez se encuentran más en aplicaciones en los convertidores de alta frecuencias y baja potencia.

Bibliografía

Bibliografía •

Anonimo. (Sin Fecha). Recuperado el 9 de Junio de 2017, de http://esimerobotica.tripod.com/MOSFET2.pdf

•

Basil, S. (Sin Fecha). Recuperado el 9 de 06 de 2017, de https://courseware.ee.calpoly.edu/~dbraun/courses/ee307/F02/02_Shelley/Section2_BasilShelley. htm

•

Boylestad, R. L., & Nashelsky, L. (2009). Electrónica: Teoría de Circuitos y Dispositivos Electrónicos. Mexico: PEARSON EDUCACIÓN.