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Aplicaciones del MOSFET:
Circuitos básicos CMOS
ELEMENTOS ACTIVOS
EL-2207
I SEMESTRE 2011
ITCR - Elementos Activos – I 2011
Dr.-Ing. Paola Vega C.
Objetivos
– El transistor de efecto de campo MOSFET y la tecnología CMOS (6
semanas)
• Construcción, símbolo, clasificación.
• Funcionamiento.
• Curvas características y polarización.
• Modelo del MOSFET para aplicaciones analógicas.
• Modelo del MOSFET para aplicaciones digitales.
• Capacitancias internas y modelos de alta frecuencia.
• Aplicaciones: El FET como interruptor: interruptor serie, paralelo,
inversor lógico y compuertas lógicas básicas
• Escalamiento de MOSFETs
– Objetivo
– Conocer el comportamiento y modelado del transistor de efecto de
campo MOSFET, así como sus principales aplicaciones.
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MOSFET como Interruptor Serie
•
En el primer caso, el transistor se ve afectado por el efecto de substrato
ID 
K
(VDD  v o  VTH )2 , VTH incluyendoefecto de substrato
2
K
ID  (VDD  VTH 0 )2 , VTH 0  no efecto de substrato
2
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Inversor CMOS
CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor (1963)
Circuitos con transistores PMOS y NMOS
Vin > VTHN , Vin = VDD  NMOS activado, PMOS inactivo
Vout = 0V: NMOS en región lineal, PMOS en región de corte
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Compuertas Lógicas: Compuerta NAND
Entrada lógica
Voltaje de entrada
Salida lógica
Voltaje de salida
A=0, B=0
VA=0, VB=0
1
VDD
A=0, B=1
VA=0, VB=VDD
1
VDD
A=1, B=0
VA=VDD, VB=0
1
VDD
A=1, B=1
VA=VDD, VB=VDD
0
0
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Compuertas Lógicas: Compuerta NOR
Entrada lógica
Voltaje de entrada
Salida lógica
Voltaje de salida
A=0, B=0
VA=0, VB=0
1
VDD
A=0, B=1
VA=0, VB=VDD
0
0
A=1, B=0
VA=VDD, VB=0
0
0
A=1, B=1
VA=VDD, VB=VDD
0
0
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Clasificación de Memorias
• Basadas en transistores MOSFET para lograr alta densidad
Memorias semiconductoras
No volátiles
Volátiles
Programadas por máscara (ROM)
ROM Programable (PROM)
ROM Borrable (EPROM)
ROM Eléctricamente borrable
(EEPROM)
De Acceso Aleatorio (RAM)
RAM estática (SRAM)
RAM dinámica (DRAM)
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Celdas de Memoria SRAM
• Las memorias RAM son volátiles
= pierden los datos al remover la
alimentación
• SRAM: Static Random Access
Memory
• Cada celda almacena un bit, se
requieren 6 transistores por bit
• Celda SRAM: cerrojo
– Dos inversores mutuamente
acoplados
– Dos transistores de acceso al
cerrojo
• Transistores de línea de palabra
conectan el cerrojo con los
circuitos de lectura y escritura
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Lectura de una celda SRAM
Procedimiento de lectura
•
•
•
•
•
•
•
•
•
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Precargar las líneas de bit a VDD
Igualar niveles de tensión de
ambas líneas
Desactivas precarga y
ecualización
Activar línea de palabra
Desactivar línea de palabra
Esperar hasta que haya una
diferencia de 100mV entre
ambas líneas de bit
Activar amplificador de sensado
Amplificar
Transmitir el dato a la salida
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Celdas de Memoria DRAM
DRAM: Dynamic Random Access Memory
Dato se guarda en un capacitor de almacenamiento: capacitor cargado = ‚1‘,
descargado =‚0‘
El transistor de línea de palabra connecta el capacitor de almacenamiento con el
circuito de lectura/escritura
Corriente de fuga descarga capacitor  dato debe reescribirse periódicamente=
refrescamiento de datos
Wordline
Bitline
Celda de
memoria
DRAM
MACC
CBL
CS
VP
Capacitancia de almacenamiento
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Capacitancia de columna
(Bitline capacitance)
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Memorias no Volátiles
• No volátil = Mantienen los datos aún sin tensión de alimentación
• Se clasifican por sus métodos de programación y borrado
– Programables o no por el usuario
– Borrables eléctrica u ópticamente
• Principio de almacenamiento de datos:
– Durante el proceso de fabricación
– Por conexiones programables (ej: fusibles)
– Por cambio de voltaje de umbral
• EEPROM y EPROM
–
–
–
–
Métodos eléctricos de escritura y borrado son destructivos
Número de ciclos de escritura-borrado es restringido (mínimo 100 mil)
Tiempo de retención de datos es restringido (mínimo 10 años)
FLASH es un tipo de EEPROM
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Memoria no Volátil de Compuerta Flotante
• Poly 2 opera como compuerta del transistor
• Poly 1 opera como compuerta flotante para almacenamiento de portadores
•
de carga
Compuerta flotante: no hay contacto eléctrico directo
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EEPROM
• Almacenamiento de información
se representa con cambios en el
voltaje de umbral
• El cambio en el voltaje de umbral
se logra inyectando portadores
de carga en la compuerta flotante
y extrayéndolos de ella
• Degradación de óxido limita
número de ciclos de escrituraborrado y el tiempo de retención
de datos
Vcg
Vcg
• Dos métodos principales de
inyección y extracción:
– Inyección de portadores de
carga calientes
– Fowler-Nordheim Tunneling
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Consumo de Potencia
Corriente de fuga de compuerta
Corriente de subumbral
Potencia Estática
Corriente de reversa de juntas PN
Consumo
de potencia
Corriente de corto circuito
Potencia Dinámica
Carga capacitiva
En general, en los circuitos integrados,
Disipación por carga capacitiva >> Potencia corto circuito >> Potencia estática
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Potencia Estática
Corriente de subumbral (VGS < 0)
Drenador
Compuerta
Fuente
Substrato
Corriente de fuga de compuerta
Drenador
Compuerta
Fuente
Corriente de reversa de juntas PN
Drenador
Compuerta
Fuente
I
Substrato
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Substrato
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Potencia Dinámica
• Potencia dinámica debido a corriente de corto circuito
Para VIN=VOUT ambos transistores
operan en saturación
 ambos transistores conducen,
permitiendo un flujo de corriente de
VDD a tierra
Corriente de corto circuito
Potencia disipada:
PSC  ISC VDD
2
t V

  K  r  DD  VTH 
3
T 2

tr : tiempo de subida (se asume tr = tf)
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3
T: período de VIN
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Potencia Dinámica
• Potencia dinámica debido a cargas capacitivas
Capacitancia de carga debido a:
-COX de compuertas siguientes
-COX propia
-CW, capacitancia parásita de interconexión
Representadas por CL
CL
Potencia disipada:
PL  A  f  CL VDD
2
f : frecuencia de conmutación, CL: capacitancia de carga, A: factor de actividad
A: factor de actividad = probabilidad de conmutación
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¿Cuál es la función lógica de este circuito?
V DD
B
A
B
A
Vout
A
A
B
B
Tierra
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