Dispositivos Electrónicos

(1)

AÑO: 2010

TEMA 6: EL TRANSISTOR MOSTFET

Rafael de Jesús Navas González

(2)

(3)

1/29

TEMA 6:

EL TRANSISTOR MOSFET

6.1. Estructura física.

6.1.1 Estructura Metal Oxido Semiconductor (MOS)

6.1.2 El transistor MOSFET de enriquecimiento: de canal N y canal P

6.1.3 El transistor MOSFET de empobrecimiento: de canal N y canal P.

6.2. Regiones de operación de un transistor MOSFET.

6.2.1 Región de corte.

6.2.2 Región lineal u óhmica.

6.2.3 Región saturación.

6.3. El transistor MOSFET como elemento de circuito:

6.3.1 Variables de circuito y configuraciones básicas:

• drenador común,

• fuente común

• puerta común.

6.3.2 Curvas características y modelos básicos.

6.3.3 Circuitos con transistores: Cálculo del punto de trabajo.

6.3.4 Comportamiento dinámico: Transistor MOSFET en conmutación.

6.4. Familias lógicas MOS.

6.4.1 Familias NMOS: Puértas Lógicas y Funciones Booleanas

6.4.2 Familia CMOS: Puértas Lógicas y Funciones Booleanas

(4)

2/29

TEMA 6: EL TRANSISTOR MOSFET

OBJETIVOS

Al estudiar este tema el alumno debe ser capaz de:

• Explicar de forma cualitativa como se crea un región de inversión

en una extructura Metal Oxido Semiconductor.

• Explicar de forma cualitativa las características de la estructura

física de los transistores MOSFET, tanto los de canal N como los

de canal P; y tanto los de enriquecimiento como lo de

empobrecimiento.

• Explicar de forma cualitativa las condiciones y mecanismo de

funcionamiento de los transistores MOSFET en las diferentes

regiones de operación: Region de corte, región óhmica y región de

saturación.

• Identificar el transistor MOSFET como elemento de circuito y las

variables usadas para su caracterización.

• Conocer el modelo básico de transistor MOSFET (canal N y canal

P, de enriquecimiento y de empobrecimiento) en su configuración

fuente común en cada una de las regiones de funcionamiento y su

relación con sus curvas características.

• Analizar circuitos básicos con un transistor MOS. Analisis DC.

Analizar e identificar puertas lógicas basicas de las familias NMOS

y CMOS.

• Conocer forma cualitativa el funcionamiento estatico y dinámico

del transistor bipolar en conmutación.

• Identificar diferentes funciones booleanas de las familias NMOS y

CMOS.

(5)

3/29

LECTURAS COMPLEMENTARIAS

•• Navas González R. y Vidal Verdú F. "Curso de Dispositivos

Electrónicos en Informática y Problemas de Examen

Resueltos" Universidad de Málaga/ Manual 70, 2006. Tema 6:

pag.245-268.

•• Fernández Ramos, J. y otros, "Dispositivos Electrónicos para

Estudiantes de Informática" Universidad de Málaga /

Manuales 2002. Tema 6: pag. 135- 176.

•• Pollán Santamaría, Tomás, "Electrónica Digital I. Sistemas

Combinacionales", Prensas Universitarias de Zaragoza 2003.

Apéndice A2: pag. 274-278, TEMA7: pag. 172-184, TEMA 8:

pag. 185-204, TEMA9: pag. 205-228.

•• Malik, N.R.,"Circuitos Electrónicos. Análisis, Simulación y

Diseño", Editorial Prentice-Hall 1996. Tema: 5: pag. 291-311,

317-322, y Tema 13: 932-950

•• Daza A. y García J. "Ejercicios de Dispositivos Electrónicos"

Universidad de Málaga/Manuales 2003. Tema 4: pag 169-252.

•• http://jas.eng.buffalo.edu/education/index.html

•• http://tech-www.informatik.uni.hamburg.de/applets/

cmosdemo.html

(6)

4/29

ESTRUCTURA METAL-ÓXIDO-SEMICONDUCTOR

_

+

METAL

ÓXIDO

Semiconductor

(Al)

(SiO

₂

)

_

+

E

_

+

E

_E

Canal N

Canal P

AISLANTE

(7)

5/29

p+

n+

p

D

G

S

B

fuente

drenador

substrato

aislante

I

G

= 0

EL TRANSISTOR MOS DE ENRIQUECIMIENTO

puerta

n+

p+

p

D

G

S

B

fuente

puerta

drenador

substrato

n

D

S

G

B

D

S

G

D

S

G

B

D

S

G

TRANSISTOR MOS de canal n: NMOS

Símbolos del elemento de circuito

TRANSISTOR MOS de canal p: PMOS

Símbolos del elemento de circuito

Región

de Deplexión

Región

de Deplexión

(8)

6/29

EL TRANSISTOR MOS DE EMPOBRECIMIENTO

p+

n+

p

D

G

S

B

fuente

puerta

drenador

substrato

n+

p+

p

D

G

S

B

fuente

puerta

drenador

substrato

n

D

S

G

B

D

S

G

D

S

G

B

D

S

G

canal n

canal p

TRANSISTOR MOS de canal n: NMOS

Símbolos del elemento de circuito

TRANSISTOR MOS de canal p: PMOS

Símbolos del elemento de circuito

Región

de Deplexión

Región

de Deplexión

(9)

7/29

ZONA DE CORTE

n+

p

D

G

_S

V

_GS

E

n+

p

D

G

_S

V

_GS

V

DS

V

_GS

≥

V

_T

Aparece un canal rico en electrones (tipo n)

n

I

G

= 0

B

Para que el transistor conduzca hacemos

Si V

_DS

> 0 aparece I

_D

> 0

I

_D

V

_GS

≤

V

_T

Pero si

n+

p

D

G

_S

V

GS

V

_DS

I

_D

I

_D

= 0 , y estamos en CORTE

EL TRANSISTOR MOS DE ENRIQUECIMIENTO:

REGIONES DE OPERACIÓN

D

S

G

B

D

S

G

Tensión Umbral

no hay canal.

(10)

8/29

V

_GS

V

_T

I

_D

V

DS

V

_DS

POSITIVA Y PEQUEÑA

n+

p

D

G

_S

V

_GS

V

_DS

E

V

_GD

=

V

_GS

–

V

_DS

V

_DS

PEQUEÑA

V

_GD

≈

V

_GS

CAMPO ELÉCTRICO UNIFORME

V

_GS

≥

V

_T

ZONA LINEAL U ÓHMICA

I

_G

= 0

V

_DS

I

_D

V

_GS

Corriente de arrastre a través de un conductor cuya

sección y conductividad (resistencia) se controla con V

_GS

R

1/R

EL TRANSISTOR MOS DE ENRIQUECIMIENTO:

REGIONES DE OPERACIÓN

V

GS

≥

V

T

El transistor conduce

D

S

G

n+

p

D

G

_S

V

_GS

V

DS

n

I

_D

Aparece un canal n uniforme

La anchura del canal depende de V

_GS

n+

n

n+

n

n+

(11)

9/29

V

_DS

POSITIVA Y GRANDE

V

GD

=

V

GS

–

V

DS

V

_DS

GRANDE

V

_GD

<

V

_GS

n+

p

D

G

_S

V

_GS

E

CAMPO ELÉCTRICO NO UNIFORME

n+

p

D

G

_S

V

_GS

V

_DS

n

V

_DS

I

_D

n+

n

n+

n

n+

n

el canal desaparece en el extremo de drenador

V

_GD

=

V

_T

V

_GD

=

V

_GS

–

V

_DS

V

_DS

=

V

_GS

–

V

_T

V

_GS

FIJA

Corriente de difusión que no depende de V

_DS

ZONA DE SATURACIÓN

EL TRANSISTOR MOS DE ENRIQUECIMIENTO:

REGIONES DE OPERACIÓN

V

GS

≥

V

T

El transistor conduce

I

_D

Se tiene un canal n no uniforme

D

S

(12)

10/29

EL TRANSISTOR MOS: CAPACIDADES PARÁSITAS

p+

n+

p

D

G

_S

B

C

_BD

C

GB

C

_BS

C

_GD

C

_GS

C

_BD

corresponde a la capacidad de deplexión en la unión substrato-drenador

C

_BS

corresponde a la capacidad de deplexión en la unión substrato-fuente

C

_GB

corresponde a la capacidad parásita entre la puerta y el substrato,

con la capa de óxido como dieléctrico

C

_GD

corresponde a la capacidad parásita entre la puerta y el drenador,

con la capa de óxido como dieléctrico.

C

_GS

corresponde a la capacidad parásita entre la puerta y la fuente,

con la capa de óxido como dieléctrico.

C

_GB

, C

_GD

y

C

_GS

dependen principalmente de las dimensiones del transistor:

W ancho y L Largo, del solapamiento de las regiones

De todas ellas depende fundamentalmente

el comportamiento dinámico del transistor MOS

p+

n+

p

D

G

B

fuente

drenador

substrato

puerta

S

G

W (ancho)

L (largo)

(13)

11/29

TRANSISTOR MOS COMO ELEMENTO DE CIRCUITO

TRANSISTOR NMOS

TRANSISTOR PMOS

D

S

G I

G

I

_S

I

_D

v

_G

V

_S

V

_D

S

D

G I

G

I

_D

I

_S

V

_G

V

_D

V

_S

LKI: I

_G

+ I

_D

+ I

_S

= 0

LKV: V

G

+ V

D

+ V

S

= 0

Elemento de tres terminales: seis variables de circuito

sólo cuatro variables independientes:

Tres configuraciones:

FUENTE COMÚN

PUERTA COMÚN

DRENADOR COMÚN

S

G

D

V

_GS

V

_DS

I

_G

=0

I

_D

+

_

+

_

I

_G

, I

_D

, I

_S

V

_G

, V

_D

, V

_S

o bien

V

_GD

, V

_SD

, V

_SG

V

_GS

, V

_DS

, V

_DG

LKV: V

_GS

- V

_DS

+ V

_DG

= 0

(NMOS)

(PMOS)

LKV: V

_GD

- V

_SD

+ V

_SG

= 0

+

_

+

_

+

V

_GS

V

_GD

V

_DG

V

_SG

V

_SD

V

_DS

D

G

S

V

_GD

V

_SD

I

_G

=0

I

_S

+

_

+

_

S

G

D

V

_SG

_V

DG

I

_S

_I

D

+

_

+

_

I

_G

= 0

I

_D

+ I

_S

= 0

(NMOS)

(PMOS)

(14)

12/29

V

_GS

V

_T

I

_D

V

DS

V

_DS

I

_D

V

_GS

FIJA

CORTE

ÓHMICA Ó SATURACIÓN

ÓHMICA

SATURACIÓN

V

_DS

=

V

_GS

–

V

_T

D

S

G

V

_GS

≤

V

_T

D

S

G

D

S

G

V

_GS

≥

V

_T

V

_DS

≤

V

_GS

–

V

_T

V

_DS

≥

V

_GS

–

V

_T

V

_GS

≥

V

_T

si

y

si

y

SATURACIÓN

ÓHMICA

CORTE

V

_DS

«

V

_GS

–

V

_T

I

_D

≈

β V

(

_GS

–

V

_T

)V

_DS

V

DS

R

---=

R

(

β V

(

GS

–

V

T

)

1 –

=

I

_D

β V

(

_GS

–

V

_T

)V

_DS

V

DS 2

2 ---–

=

I

_D

β

2 --- V

(

_GS

–

V

_T

)

2

=

D

S

G

I

_D

MODELO ESTÁTICO Y CONDICIONES

(15)

13/29

TABLA RESUMEN DE MODELOS Y CONDICIONES

D

S

G

D

S

G

D

S

G

I_D β 2 --- V( _GS–V_T)2 = I_D β V( _GS–V_T)V_DS VDS 2 2 ---– =

V

_GS

≥

V

_T

V

_DS

≤

V

_GS

–

V

_T

V

_DS

≥

V

_GS

–

V

_T

V

_GS

≥

V

_T

V

_GS

≤

V

_T

G

S

D

si

y

si

y

si

V

_T

>

0 S

D

G

S

D

G

S

D

G

I_S β 2 --- V( _SG–V_T)2 = I_S β V( _SG–V_T)V_SD VSD 2 2 ---– =

V

_SG

≥

V

_T

V

_SD

≤

V

_SG

–

V

_T

V

_SD

≥

V

_SG

–

V

_T

V

_SG

≥

V

_T

V

_SG

≤

V

_T

G

S

D

si

y

si

y

si

V

_T

>

0 G

S

D

V

_T

<

0 G

S

D

V

_T

<

0 V

_GS

V

_T

I

_D

(0,0)

G

S

D

V

_T

<

0 n+

n+

campo eléctrico con

V

_GS

<

0 n+

n+

no hay canal para

V

_GS

=

V

_T

<

0 PMOS

G

S

cambia la polaridad de los portadores

REGIÓN DE CORTE

TRANSISTOR MOS COMO ELEMENTO DE CIRCUITO

REGIÓN DE SATURACIÓN

REGIÓN ÓMICA

TRANSISTOR DE EMPOBRECIMIENTO

(16)

14/29

TRANSISTOR MOS COMO ELEMENTO DE CIRCUITO

Ejemplo 1: Determinar el valor de las variables de fuente común que determinan

el punto de trabajo del transistor.

M

R

_D

R

V

DD

V

T

= 3 volt.

β

_Ν

= 0,2 mA/V

2 M

R

_D

V

DD

+

-+

-V

_GS

V

_DS

I

G

=0

I

_D

R

= 100KΩ

R

_D

= 22KΩ

V

_DD

=

10 volt.

CORTE

ÓMICA

SATURACIÓN

V

=

5 volt.

D

S

G

si

V

_GS

≤

V

_T

D

S

G

I_D β 2 --- V( _GS–V_T)2 =

V

_DS

≥

V

_GS

–

V

_T

V

_GS

≥

V

_T

si

y

D

S

G

I_D β V( _GS–V_T)V_DS VDS 2 2 ---– =

V

_GS

≥

V

_T

V

_DS

≤

V

_GS

–

V

_T

si

y

M

R

_S

R

V

_DD

V

_T

= 2 volt.

M

R

_S

V

_DD

+

-+

-V

_SG

V

_SD

I

_S

I

S

R

_D

= 9KΩ

R

_S

= 1KΩ

V

DD

=

10 volt.

R

_R

_D

Ejemplo 2: En el circuito se sabe que I

_S

= 0,5 mA. Cálcular el valor de β

_P

de M

M

V

DD

2 R/2

I

G

= 0

R

_D

I

_D

= 0,38mA

V

_GS

= 5 volt.

V

_DS

=1,58volt.

Ej. 1 Sol.

V

_DD

=

R

_S

I

_S

+

V

_SD

+

R

_S

I

_D

I

D

= I

S

V

_SD

=

V

_DD

–

(

R

_S

+

R

_D

)

I

_S

M2

V

_DD

R

_S

I

_S

V

_SG

V

DD

2 ---+

+

=

M1

M1:

M2:

V

_SG

=

4 5

,

≥

0 V

_SD

>

V

_SG

–

V

_T

=

2 5

,

M1:

M2:

El transistor está en saturación

V

_SG

V

_DD

2 --- R

–

_S

I

_S

=

β

_P

2I

S

V

_SG

–

V

_T

(

)

2 ---=

β

P

0 16m

A

V

2 ---,

=

N

_N

N

Es claro que M conduce (I

_S

>0)

Y es necesario determinar

si lo hace en óhmica o saturación

(17)

15/29

Un algoritmo de Análisis

1. Se consideran todas las situaciones posibles, que son M = 3

N

,

es decir si N = 1, M = 3, en concreto:

i=1: M1 CORTE

i=2: M1 OHMICA

i=3: M1 SATURACIÓN

inicializo la variable i =0

2. Tomo el caso i = i+1 y sustituyo los transistores por los modelos

(transparencia anterior)

Q

₁

Q

_N

Ejemplo: N=1

Circuito

3. Para todos los transistores compruebo las condiciones bajo las

cuales los modelos valen (transparencia anterior)

¿Se cumplen las condiciones?

NO

SI

FIN: CALCULO LO QUE QUIERO DEL CIRCUITO

(18)

16/29

TRANSISTOR MOS COMO ELEMENTO DE CIRCUITO

Ej 3: En este circuito, determinar el valor de V

_O

y el consumo para V

_i

=0 y V

_i

= V

_DD

.

M1

V

DD

V

_i

β

_Μ1

= 20

μA/V

2 +

-+

-V

_GS2

=0

V

_DS1

=V

_O

I

_G2

= 0

I

D1

V

_DD

= 5 volt.

I

_D2

β

_M2

2 --- V

(

_GS2

–

V

_TM2

)

2 =

MOS M2:

V

_GS2

=

0 M2

V

_O

+

-V

_TM1

= 1 volt.

V

_TM2

= -1 volt.

β

_Μ2

= 75

μA/V

2 M1

V

DD

V

_i

M2

+

-I

_D2

V

_DS2

NMOS de empobrecimiento

Como

V

_GS2

>

V

_TM2

M2 siempre conduce

Conducirá en su zona ómica o en saturación

V

_DS2

≥

–

V

_TM2

V

_DS2

≤

–

V

_TM2

o bien

V

_DS2

=

V

_DD

–

V

_O

Como

M2 conducirá en su zona óhmica siempre que

V

_O

≥

V

_DD

+

V

_TM2

M2 conducirá en su zona de saturación simpre que

V

_O

≤

V

_DD

+

V

_TM2

V

_i

=0

)

MOS M1:

V

_TM2

<

0 NMOS de enriquecimiento

V

_TM1

>

0 -+

V

_GS1

Como

V

_GS1

=

V

_i

=

0 V

_GS1

<

V

_TM1

M1 está en corte

I

_D1

=

0 Para el nudo O se tiene

I

_D2

=

I

_D1

+

I

_G2

O

I

_D2

=

I

_D1

=

0 I

G1

= 0

y dado que

_I

G2

=

0 La situación es tal que M1 está en corte y M2 conduce pero con corriente nula.

¡Esto solo es posible si M2 conduce en óhmica!

M2 no puede estar en saturación porque en ese caso

I

_D2

β

M2

2 ---

(

–

V

_TM2

)

2 >

0 =

por lo que no puede ser

_I

D2

=

0 Con M2 en zona óhmica

I

_D2

β

_M2

(

V

_GS2

–

V

_TM2

)V

_DS2

V

_DS2

2

2 ---–

0 =

=

V

_TM2

–

(

) V

(

_DD

–

V

_O

)

(

V

DD

–

V

O

)

2

2 ---–

=

0 V

2 _O

–

2 V

(

_DD

+

V

_TM2

)V

_O

+

(

V

_DD

2 +

2V

_DD

V

_TM2

)

=

0 V

_O

V

_DD

+

2V

_TM2

V

_DD

=

V

_O

≥

V

_DD

+

V

_TM2

En óhmica

SOLUCIÓN

V

_O

=

V

_DD

P

_V

DD

=

0

(19)

17/29

TRANSISTOR MOS COMO ELEMENTO DE CIRCUITO

Ej 3: En este circuito, determinar el valor de V

_O

y el consumo para V

_i

=0 y V

_i

= V

_DD

.

M1

V

DD

V

_i

β

_Μ1

= 20

μA/V

2 +

-+

-V

_GS2

=0

V

_DS1

=V

_O

I

_G2

= 0

I

D1

V

_DD

= 5 volt.

MOS M2:

M2

V

_O

+

-V

_TM1

= 1 volt.

V

_TM2

= -1 volt.

β

_Μ2

= 75

μA/V

2 M1

V

DD

V

_i

M2

+

-I

_D2

V

_DS2

NMOS de empobrecimiento

M2 conducirá en su zona óhmica siempre que

V

_O

≥

V

_DD

+

V

_TM2

M2 conducirá en su zona de saturación simpre que

V

_O

≤

V

_DD

+

V

_TM2

V

_i

= V

_DD

)

MOS M1:

V

_TM2

<

0 NMOS de enriquecimiento

V

_TM1

>

0 -+

V

_GS1

Como

V

_GS1

=

V

_i

=

V

_DD

V

_GS1

>

V

_TM1

M1 conduce

I

_D2

=

I

_D1

+

I

_G2

O

I

G1

= 0

y dado que

I

_G2

=

0 La situación es tal que tanto M1 como M2 conducen,

(Cont.)

V

_GS2

=

0 Como

V

_GS2

>

V

_TM2

M2 siempre conduce

Conducirá en su zona ómica o en saturación dependiendo de si se verifica que

V

_DS1

≥

V

_GS1

–

V

_TM1

V

_DS1

≤

V

_GS1

–

V

_TM1

o bien

V

_DS1

=

V

_O

Como

M1 conducirá en su zona óhmica siempre que

V

_O

≥

V

_DD

–

V

_TM1

M1 conducirá en su zona de saturación simpre que

V

_O

≤

V

_DD

–

V

_TM1

I

_D2

=

I

_D1

pero hay que determinar en qué zona lo hace cada uno de ellos

Se tienen cuatro posibilidades:

a) M1 óhmica - M2 óhmica

b) M1 óhmica - M2 saturación

c) M1 saturación - M2 óhmica

d) M1 saturación - M2 saturación

En cualquier caso para el nudo O se tiene

Por lo tanto hay que estudiar esta igualdad en cada uno de los cuatro casos

V

_O

≥

V

_DD

+

V

_TM2

V

_O

≤

V

_DD

–

V

_TM1

V

_O

≤

V

_DD

–

V

_TM1

V

_O

≤

V

_DD

+

V

_TM2

V

_O

≥

V

_DD

+

V

_TM2

V

_O

≥

V

_DD

–

V

_TM1

V

_O

≥

V

_DD

–

V

_TM1

V

_O

≤

V

_DD

+

V

_TM2

(20)

18/29

TRANSISTOR MOS COMO ELEMENTO DE CIRCUITO

Ej 3: En este circuito, determinar el valor de V

_O

y el consumo para V

_i

=0 y V

_i

= V

_DD

.

β

_Μ1

= 20

μA/V

2 +

-+

-V

_GS2

=0

V

_DS1

=V

_O

I

_G2

= 0

I

D1

V

_DD

= 5 volt. V

_TM1

= 1 volt. V

_TM2

= -1 volt.

β

_Μ2

= 75

μA/V

2 M1

V

DD

V

_i

M2

+

-I

D2

V

_DS2

V

_i

= V

_DD

)

-+

V

_GS1

O

I

_G1

= 0

(Cont.)

(Continuación)

β

_M1

(

V

_GS1

–

V

_TM1

)V

_DS1

V

DS1

2

2 ---–

β

_M2

2 --- V

(

_GS2

–

V

_TM2

)

2 =

I

_{D1 ohm}

₍

₎

=

I

_{D2 sat}

₍

₎

β

_M1

(

V

_DD

–

V

_TM1

)V

_O

V

O

2

2 ---–

β

_M2

2 ---

(

–

V

_TM2

)

2 =

V

_O

2 2 V

(

_DD

–

V

_TM1

)V

_O

β

_M2

β

_M1

---V

_TM2

2 +

–

=

0 b) M1 óhmica - M2 saturación

V

_O

≤

V

_DD

–

V

_TM1

V

_O

≤

V

_DD

+

V

_TM2

β

_M1

2 --- 2 V

[

(

_DD

–

V

_TM1

)V

_O

–

V

_O

2 ]

β

_M2

2 ---

(

–

V

_TM2

)

2 =

V

_O

2 –

8V

_O

+

3 75

,

=

0 V

_O

7 5V

,

0 5V

,

=

V

_O

≤

4V

V

_O

=

0 5V

,

P

_V

DD

=

V

DD

⋅

I

D2 sat

(

)

I

_{D2 sat}

₍

₎

β

_M2

2 ---

(

–

V

_TM2

)

2 37 5μA

,

=

P

_V

DD

=

0 1775mW

,

V

_O

≤

4V

Analizamos

Sustituyendo valores numéricos

Dado que se ha de cumplir

la solución válida es

Para el cálculo de la potencia se tiene

(21)

19/29

TRANSISTOR MOS COMO ELEMENTO DE CIRCUITO

Ej 4: En este circuito, determinar el valor de V

_O

y el consumo para V

_i

=0 y V

_i

= V

_DD

.

M1

V

DD

V

_i

β

_M1

= 20

μA/V

2 +

-+

-V

_SG2

V

_DS1

=V

_O

I

_G2

= 0

I

_D1

V

_DD

= 5 volt.

I

_D2

β

_M2

2 --- V

(

_SG2

–

V

_TM2

)

2 =

MOS M2:

V

_SG2

=

V

_DD

–

V

_i

=

V

_DD

M2

V

_O

+

-V

_TM1

= 1 volt.

V

_TM2

= 1 volt.

β

_M2

= 75

μA/V

2 M1

V

DD

V

_i

M2

+

-I

D2

V

_SD2

PMOS de enriquecimiento

Como

V

_SG2

>

V

_TM2

M2 conduce

Conducirá en su zona ómica o en saturación dependiendo de cual sea la relación

V

_SD2

≥

V

_DD

–

V

_TM2

V

_SD2

≤

V

_DD

–

V

_TM2

o bien

V

_SD2

=

V

_DD

–

V

_O

Como

M2 conducirá en su zona óhmica siempre que

V

_O

≥

V

_TM2

M2 conducirá en su zona de saturación simpre que

V

_O

≤

V

_TM2

V

_i

=0

)

MOS M1:

V

_TM2

>

0 NMOS de enriquecimiento

V

_TM1

>

0 -+

V

_GS1

Como

V

_GS1

=

V

_i

=

0 V

_GS1

<

V

_TM1

M1 está en corte

I

_D1

=

0 Para el nudo O se tiene

I

_D2

=

I

_D1

O

I

_D2

=

0 I

_G1

= 0

y dado que

I

_D1

=

0 La situación es tal que M1 está en corte y M2 conduce pero con corriente nula.

¡Esto solo es posible si M2 conduce en óhmica!

M2 no puede estar en saturación por que en ese caso

I

_D2

β

M2

2 --- V

(

_DD

–

V

_TM2

)

2 >

0 =

por lo que no puede ser

_I

D2

=

0 Con M2 en zona óhmica

I

_D2

β

_M2

(

V

_SG2

–

V

_TM2

)V

_SD2

V

_SD2

2

2 ---–

0 =

=

V

_DD

–

V

_TM2

(

) V

(

_DD

–

V

_O

)

(

V

DD

–

V

O

)

2

2 ---–

=

0 V

_DD

–

V

_O

(

)

⋅

(

V

_DD

–

2V

_TM2

) V

+

_O

)

=

0 V

_O

V

_DD

–

2V

_TM2

(

)

–

V

_DD

=

_V

O

≥

V

TM2

En óhmica

SOLUCIÓN

V

_O

=

V

_DD

P

_V

=

0 I

S2

(22)

20/29

TRANSISTOR MOS COMO ELEMENTO DE CIRCUITO

Ej 4: En este circuito, determinar el valor de V

_O

y el consumo para V

_i

=0 y V

_i

= V

_DD

.

M1

V

DD

V

_i

β

_M1

= 20

μA/V

2 +

-+

-V

_SG2

V

_DS1

=V

_O

I

_G2

= 0

I

_D1

V

_DD

= 5 volt.

I

_D1

β

_M1

2 --- V

(

_GS1

–

V

_TM1

)

2 =

MOS M2:

V

_SG2

=

V

_DD

–

V

_i

=

0 M2

V

_O

+

-V

_TM1

= 1 volt.

V

_TM2

= 1 volt.

β

_M2

= 75

μA/V

2 M1

V

DD

V

_i

M2

+

-I

D2

V

_SD2

PMOS de enriquecimiento

Como

V

_SG2

<

V

_TM2

M2 está en corte

Conducirá en su zona ómica o en saturación dependiendo de cual sea la relación

V

_DS1

≥

V

_DD

–

V

_TM1

V

_DS1

≤

V

_DD

–

V

_TM1

o bien

V

_DS1

=

V

_O

Como

M1 conducirá en su zona óhmica siempre que

M1 conducirá en su zona de saturación simpre que

V

_i

=V

_DD

)

MOS M1:

V

_TM2

>

0 NMOS de enriquecimiento

V

_TM1

>

0 -+

V

_GS1

I

_D1

=

0 Para el nudo O se tiene

I

_D2

=

I

_D1

O

I

_D2

=

0 I

_G1

= 0

y dado que

I

_D2

=

0 La situación es tal que M2 está en corte y M1 conduce pero con corriente nula.

¡Esto solo es posible si M1 conduce en óhmica!

M1 no puede estar en saturación por que en ese caso

I

_D1

β

M1

2 --- V

(

_DD

–

V

_TM1

)

2 >

0 =

por lo que no puede ser

_I

D1

=

0 Con M1 en zona óhmica

I

_D1

β

_M1

(

V

_GS1

–

V

_TM1

)V

_DS1

V

_DS1

2

2 ---–

0 =

=

V

_DD

–

V

_TM2

(

)V

_O

V

O

2

2 ---–

=

0 V

_O

⋅

(

2 V

(

_DD

–

V

_TM1

) V

–

_O

)

=

0 V

_O

2 V

(

DD

–

V

TM1

)

0 =

En óhmica

SOLUCIÓN

V

_O

=

0 P

_V

DD

=

0 I

S2

(Cont.)

Como

V

_GS1

=

V

_i

=

V

_DD

V

_GS1

>

V

_TM1

M1 conduce

V

_O

≤

V

_DD

–

V

_TM1

V

_O

≥

V

_DD

–

V

_TM1

V

_O

≤

V

_DD

–

V

_TM1

(23)

21/29

COMPORTAMIENTO DINÁMICO DEL TRANSISTOR MOSFET: NMOS EN CONMUTACIÓN

-

Respuesta a un pulso

Característica de Transferencia

v

_O

v

_in

Corte

Saturación

Óhmica

VDS

I

_RD

VGS

I

_C

I

_D

- Transición corte - óhmica

- Tiempo de propagación de alto a bajo:

C1, que está cargado inicialmente,

se descarga a través una fuente de corriente: El transistor NMOS, inicialmente en Saturación

- Transición óhmica - corte

- Tiempo de propagación de bajo a alto:

C1, que está descargado inicialmente,

se carga a traves de la resistencia de drenador R

_D

(resistencia más elevada)

C1 modela las capacidades parásitas del transistor NMOS vistas desde el terminal de drenador

(resistencia pequeña)

y finalmente en Óhmica

(24)

22/29

COMPORTAMIENTO DINÁMICO DEL TRANSISTOR MOSFET: NMOS EN CONMUTACIÓN

-

Respuesta a un pulso

Característica de Transferencia

v

_O

v

_in

Corte

Saturación

Óhmica

VDS1

I

_DM1

VGS

I

_C2

I

_D

- Transición corte - óhmica

- Tiempo de propagación de alto a bajo:

C2, que está cargado inicialmente,

se descarga a través una fuente de corriente: El transistor M2, inicialmente en Saturación

- Transición óhmica - corte

- Tiempo de propagación de bajo a alto:

C2, que está descargado inicialmente,

se carga a traves de luna fuente de corriente: El transistor M1, que trabaja siempre en Saturación.

C2 modela las capacidades parásitas de ambos TNMOS vistas desde el terminal de salida

(resistencia pequeña)

y finalmente en Óhmica

M2

(25)

23/29

Mn Mp

COMPORTAMIENTO DINÁMICO DEL TRANSISTOR MOSFET: CMOS EN CONMUTACIÓN

-

Respuesta a un pulso

Característica de Transferencia

v

_O

v

_in

Corte

N Sat

N Óhm

VDS2

I

_SMp

VGS

I

_C3

I

_DMn

- Transición corte - óhmica

- Tiempo de propagación de alto a bajo:

C3, que está cargado inicialmente,

se descarga a través una fuente de corriente: El transistor Mn, inicialmente en Saturación

- Transición óhmica - corte

- Tiempo de propagación de bajo a alto:

C3, que está descargado inicialmente,

se carga a traves de luna fuente de corriente: El transistor Mp, inicialmente en Saturación,

C3 modela las capacidades parásitas de ambos TMOS vistas desde el terminal de salida

Dispositivos Electrónicos

Full text

AÑO: 2010

TEMA 6: EL TRANSISTOR MOSTFET

Rafael de Jesús Navas González

1/29

TEMA 6:

EL TRANSISTOR MOSFET

6.1. Estructura física.

6.1.1 Estructura Metal Oxido Semiconductor (MOS)

6.1.2 El transistor MOSFET de enriquecimiento: de canal N y canal P

6.1.3 El transistor MOSFET de empobrecimiento: de canal N y canal P.

6.2. Regiones de operación de un transistor MOSFET.

6.2.1 Región de corte.

6.2.2 Región lineal u óhmica.

6.2.3 Región saturación.

6.3. El transistor MOSFET como elemento de circuito:

6.3.1 Variables de circuito y configuraciones básicas:

• drenador común,

• fuente común

• puerta común.

6.3.2 Curvas características y modelos básicos.

6.3.3 Circuitos con transistores: Cálculo del punto de trabajo.

6.3.4 Comportamiento dinámico: Transistor MOSFET en conmutación.

6.4. Familias lógicas MOS.

6.4.1 Familias NMOS: Puértas Lógicas y Funciones Booleanas

6.4.2 Familia CMOS: Puértas Lógicas y Funciones Booleanas

2/29

TEMA 6: EL TRANSISTOR MOSFET

OBJETIVOS

Al estudiar este tema el alumno debe ser capaz de:

• Explicar de forma cualitativa como se crea un región de inversión

en una extructura Metal Oxido Semiconductor.

• Explicar de forma cualitativa las características de la estructura

física de los transistores MOSFET, tanto los de canal N como los

de canal P; y tanto los de enriquecimiento como lo de

empobrecimiento.

• Explicar de forma cualitativa las condiciones y mecanismo de

funcionamiento de los transistores MOSFET en las diferentes

regiones de operación: Region de corte, región óhmica y región de

saturación.

• Identificar el transistor MOSFET como elemento de circuito y las

variables usadas para su caracterización.

• Conocer el modelo básico de transistor MOSFET (canal N y canal

P, de enriquecimiento y de empobrecimiento) en su configuración

fuente común en cada una de las regiones de funcionamiento y su

relación con sus curvas características.

• Analizar circuitos básicos con un transistor MOS. Analisis DC.

Analizar e identificar puertas lógicas basicas de las familias NMOS

y CMOS.

• Conocer forma cualitativa el funcionamiento estatico y dinámico

del transistor bipolar en conmutación.

• Identificar diferentes funciones booleanas de las familias NMOS y

CMOS.

3/29

LECTURAS COMPLEMENTARIAS

•• Navas González R. y Vidal Verdú F. "Curso de Dispositivos

Electrónicos en Informática y Problemas de Examen

Resueltos" Universidad de Málaga/ Manual 70, 2006. Tema 6:

pag.245-268.

•• Fernández Ramos, J. y otros, "Dispositivos Electrónicos para

Estudiantes de Informática" Universidad de Málaga /

Manuales 2002. Tema 6: pag. 135- 176.

•• Pollán Santamaría, Tomás, "Electrónica Digital I. Sistemas

Combinacionales", Prensas Universitarias de Zaragoza 2003.

Apéndice A2: pag. 274-278, TEMA7: pag. 172-184, TEMA 8:

pag. 185-204, TEMA9: pag. 205-228.

•• Malik, N.R.,"Circuitos Electrónicos. Análisis, Simulación y

Diseño", Editorial Prentice-Hall 1996. Tema: 5: pag. 291-311,

317-322, y Tema 13: 932-950

•• Daza A. y García J. "Ejercicios de Dispositivos Electrónicos"

Universidad de Málaga/Manuales 2003. Tema 4: pag 169-252.

•• http://jas.eng.buffalo.edu/education/index.html

•• http://tech-www.informatik.uni.hamburg.de/applets/

cmosdemo.html

4/29

ESTRUCTURA METAL-ÓXIDO-SEMICONDUCTOR

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_

_

₂