Introducción a los tubos MOS y ganancias intrínsecas

MOS, que es la abreviatura del nombre en inglés de transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico, es un dispositivo semiconductor único que controla la corriente del bucle de salida a través del efecto de campo eléctrico, que le da su nombre. El dispositivo se basa principalmente en la mayoría de los portadores de los semiconductores para conducir la electricidad, por lo que también se clasifica como un transistor unipolar. Además de los transistores MOS, existen varios tipos, como FET de unión (JFET), FET de semiconductores metálicos, JLFET y QWFET. Entre estos tipos, los transistores MOS son la opción más utilizada debido a sus muchas ventajas, como alta resistencia de entrada, bajo consumo de energía, bajo ruido y facilidad de integración, y se usan ampliamente en circuitos analógicos y digitales, y ocupan un lugar absoluto. posición dominante en el mercado, superando con creces a los transistores bipolares (BJT).

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Los transistores MOS se subdividen en NMOS (tipo de canal N) y PMOS (tipo de canal P), los cuales pertenecen a FET de puerta aislada. Cuando NMOS y PMOS se combinan inteligentemente, forman lo que a menudo llamamos dispositivos CMOS (Semiconductor de óxido metálico complementario). La estructura de NMOS está diseñada para ser exquisita e incluye tres electrodos clave: Fuente (S), Puerta (G) y Drenaje (D), que pueden correlacionarse funcionalmente con el emisor, la base y el colector de un transistor bipolar, respectivamente. , como se muestra en la siguiente figura.

Diagrama esquemático de la estructura NMOS.

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Como se muestra en la figura siguiente, si no se aplica voltaje a la puerta durante el funcionamiento de NMOS, no se puede formar corriente entre las regiones de fuente y drenaje debido a la falta de canales conductores. Sin embargo, cuando se aplica un voltaje positivo suficientemente grande a la puerta, este voltaje actúa como un imán para atraer una pequeña cantidad de portadores (electrones) en el sustrato tipo P, haciendo que se concentren en la unión de la puerta y el sustrato. Con la acumulación de electrones, se formará una capa inversa llena de electrones en la superficie del sustrato, que en realidad invierte la región de tipo P original en una región de tipo N, proporcionando así un canal suave para la corriente, de modo que la Los electrones en la región de origen pueden fluir suavemente hacia la región de drenaje para formar una corriente. Este proceso demuestra la esencia del transistor MOS como dispositivo de control de voltaje, es decir, el voltaje de puerta se utiliza para regular con precisión la corriente entre la fuente y el drenaje. Esta capa inversa crea una ruta eficiente de transporte de electrones, que permite que los electrones en la región de origen fluyan continuamente hacia la región de drenaje, lo que resulta en la formación de una corriente eléctrica. Por lo tanto, el transistor MOS es esencialmente un dispositivo de control de voltaje, cuyo núcleo es controlar con precisión la corriente entre la fuente y el drenaje a través del voltaje de la puerta. Definimos el voltaje mínimo de puerta necesario para encender el FET como el voltaje umbral. La compuerta desempeña aquí el papel de un interruptor: cuando el voltaje de la compuerta cae por debajo del voltaje umbral o cuando se elimina el voltaje de la compuerta, se apaga, impidiendo el paso de corriente entre la fuente y el drenaje; Cuando el voltaje de la compuerta está por encima del voltaje umbral, abre el canal y permite que la corriente entre la fuente y el drenaje fluya libremente.

Propiedades eléctricas de NMOS
A continuación, describimos un proceso típico de preparación de tubos NMOS. Primero, se forma una capa epitaxial sobre un sustrato de silicio mediante crecimiento epitaxial, este paso tiene como objetivo obtener un monocristal de silicio con bajo contenido de oxígeno, que constituye el resto semiconductor (S) del tubo MOS, y luego se prepara el óxido de campo mediante Técnicas de oxidación, fotolitografía y grabado, que se utiliza para aislar los diferentes tubos MOS y evitar interferencias eléctricas entre ellos. A continuación, se pasa por un proceso de oxidación para generar una capa de óxido de puerta, que es el resto de óxido (O) en el tubo MOS. El siguiente paso es depositar el material de polisilicio y formar una puerta de polisilicio mediante procesos de fotolitografía y grabado, aunque el polisilicio no es un metal en el sentido tradicional, tiene buena conductividad después del dopado y es adecuado para procesos de circuitos integrados, reemplazando así al metal anterior. Materiales de aluminio. Luego, ingresa a la etapa de producción de la zona de fuente y la zona de fuga, a la que primero se le aplica el proceso de fotolitografía, seguido de la inyección de iones de fósforo y se recoce para estabilizar la estructura. A esto le sigue la deposición de una capa de vidrio de fosfosilicato (PSG) como capa dieléctrica, que se suaviza mediante procesos de deposición y reflujo, sentando una buena base para los siguientes pasos de litografía. Luego, el PSG se fotolitografia y se graba para crear el patrón deseado. A continuación, se deposita la aleación de aluminio y silicio como material de conexión metálica y la conexión metálica se prepara mediante procesos de fotolitografía y grabado. Finalmente, se deposita una capa de nitruro de silicio como capa protectora de pasivación para proporcionar protección y estabilidad adicionales a todo el dispositivo.

Ganancia intrínseca del tubo MOS
La ganancia máxima de señal pequeña de baja frecuencia que un transistor puede exhibir en una configuración de amplificador de fuente común se define como la ganancia intrínseca del transistor MOS, que se puede expresar como

El proceso de derivación detallado se omite aquí. Según esta fórmula, la ganancia intrínseca del transistor MOS es inversamente proporcional al voltaje de sobreexcitación y al coeficiente de modulación de la longitud del surco λ. Dado que λ es inversamente proporcional a la longitud del canal L del tubo MOS, la ganancia intrínseca aumenta con el aumento de L. Teóricamente, la ganancia intrínseca del transistor MOS se puede aumentar disminuyendo el voltaje de sobreexcitación y aumentando L. Sin embargo, ambos Estas operaciones ralentizan la velocidad de trabajo del tubo MOS. Por lo tanto, en el diseño del circuito real, debemos hacer un equilibrio entre ganancia y velocidad. Este equilibrio entre ganancia y velocidad siempre ha sido una cuestión central en el campo del diseño de circuitos integrados analógicos. Vale la pena señalar que se puede ver la siguiente ecuación

La ganancia intrínseca del transistor MOS es similar a la ganancia intrínseca al diseñar la eficiencia de transconductancia, pero la ganancia intrínseca se ve afectada además por la longitud del canal. A medida que el tamaño de las funciones de los dispositivos MOS continúa reduciéndose, su ganancia intrínseca disminuye, lo que plantea un desafío cada vez mayor para nuestros diseños.

Además, debemos tener cuidado de que un voltaje de sobreexcitación demasiado bajo pueda hacer que el transistor MOS entre en la región subumbral, donde las características operativas del transistor MOS son muy diferentes de las de la región de saturación, y muchas de las fórmulas y Las teorías ya no se aplicarán.