El transistor semiconductor de óxido de metal o transistor MOS es un bloque de construcción básico en chips lógicos, procesadores y memorias digitales modernas. Es un dispositivo de portador mayoritario, donde la corriente dentro de un canal conductor entre la fuente y el drenaje es modulada por un voltaje aplicado a la puerta. Este transistor MOS juega un papel clave en varios circuitos integrados analógicos y de señal mixta. Este transistor es bastante adaptable, por lo que funciona como un amplificador, un interruptor o un resistor . no transistores se clasifican en dos tipos PMOS y NMOS. Por lo tanto, este artículo analiza una descripción general de transistor NMOS – fabricación, circuito y funcionamiento.
¿Qué es un transistor NMOS?
Un transistor NMOS (semiconductor de óxido de metal de canal n) es un tipo de transistor en el que se utilizan dopantes de tipo n en la región de puerta. Un voltaje positivo (+ve) en el terminal de puerta enciende el dispositivo. Este transistor se utiliza principalmente en CMOS (semiconductor de óxido metálico complementario) y también en chips lógicos y de memoria. En comparación con el transistor PMOS, este transistor es mucho más rápido, por lo que se pueden colocar más transistores en un solo chip. El símbolo del transistor NMOS se muestra a continuación.
¿Cómo funciona el transistor NMOS?
El funcionamiento del transistor NMOS es; cuando el transistor NMOS recibe un voltaje no despreciable, forma un circuito cerrado, lo que significa que la conexión desde el terminal fuente al drenaje funciona como un cable. Entonces, la corriente fluye desde la terminal de la puerta hasta la fuente. De manera similar, cuando este transistor recibe un voltaje de aproximadamente 0 V, forma un circuito abierto, lo que significa que la conexión desde el terminal fuente al drenaje se interrumpirá, por lo que la corriente fluye desde el terminal de la puerta al drenaje.
Sección transversal del transistor NMOS
En general, un transistor NMOS simplemente se construye con un cuerpo de tipo p mediante dos regiones de semiconductores de tipo n que están adyacentes a la puerta conocida como fuente y drenaje. Este transistor tiene una puerta de control que controla el flujo de electrones entre los terminales de fuente y drenaje.
En este transistor, dado que el cuerpo del transistor está conectado a tierra, las uniones PN de la fuente y el drenaje hacia el cuerpo tienen polarización inversa. Si se aumenta el voltaje en la terminal de la puerta, un campo eléctrico comenzará a aumentar y atraerá electrones libres a la base de la interfaz Si-SiO2.
Una vez que el voltaje es lo suficientemente alto, los electrones terminan llenando todos los agujeros y una región delgada debajo de la puerta conocida como el canal se invertirá para funcionar como un semiconductor de tipo n. Esto creará un carril conductor desde la terminal fuente hasta el drenaje al permitir el flujo de corriente, de modo que el transistor se ENCIENDA. Si el terminal de la puerta está conectado a tierra, entonces no fluye corriente en la unión polarizada inversamente, por lo que el transistor se apagará.
Circuito de transistores NMOS
A continuación se muestra el diseño de puerta NOT que utiliza transistores PMOS y NMOS. Para diseñar una puerta NOT, necesitamos combinar transistores pMOS y nMOS conectando un transistor pMOS a la fuente y un transistor nMOS a tierra. Entonces, el circuito será nuestro primer ejemplo de transistor CMOS.
La puerta NOT es un tipo de puerta lógica que genera una entrada invertida como salida. Esta puerta también se llama inversor. Si la entrada es '0', la salida invertida será '1'.
Cuando la entrada es cero, va al transistor pMOS en la parte superior y baja al transistor nMOS en la parte inferior. Una vez que el valor de entrada '0' llega al transistor pMOS, se invierte en '1'. por lo tanto, se detiene la conexión hacia la fuente. Entonces esto generará un valor lógico '1' si la conexión hacia el drenaje (GND) también está cerrada. Sabemos que el transistor nMOS no invertirá el valor de entrada, por lo que toma el valor cero tal como está y hará un circuito abierto hacia el drenaje. Entonces, se genera un valor lógico para la puerta.
De manera similar, si el valor de entrada es '1', este valor se envía a ambos transistores en el circuito anterior. Una vez que el valor '1' recibe el transistor pMOS, se invertirá en una 'o'. como resultado, la conexión hacia la fuente está abierta. Una vez que el transistor nMOS recibe el valor '1, no se invertirá. entonces, el valor de entrada permanece como uno. Una vez que el transistor nMOS recibe un valor, se cierra la conexión hacia GND. Entonces generará un '0' lógico como salida.
Proceso de fabricación
Hay muchos pasos involucrados en el proceso de fabricación de transistores NMOS. El mismo proceso se puede utilizar para transistores PMOS y CMOS. El material más utilizado en esta fabricación es el polisilicio o el metal. Los pasos del proceso de fabricación paso a paso del transistor NMOS se analizan a continuación.
Paso 1:
Una fina capa de oblea de silicio se convierte en material de tipo P simplemente dopándola con material de boro.
Paso 2:
Se cultiva una capa gruesa de Sio2 en un sustrato tipo p completo
Paso 3:
Ahora la superficie está recubierta a través de una fotoprotección sobre la gruesa capa de Sio2.
Paso 4:
Posteriormente, esta capa se expone a la luz ultravioleta con una máscara que describe aquellas regiones en las que se producirá la difusión junto con los canales de transistores.
Paso 5:
Estas regiones se graban mutuamente con el Sio2 subyacente para que la superficie de la oblea quede expuesta dentro de la ventana definida a través de la máscara.
Paso 6:
La fotoprotección residual se separa y se cultiva una capa delgada de Sio2 de 0,1 micrómetros, típicamente sobre toda la cara del chip. A continuación, se coloca polisilicio sobre este para formar la estructura de la puerta. Se coloca una fotoprotección sobre la capa completa de polisilicio y expone la luz ultravioleta en toda la máscara2.
Paso 7:
Al calentar la oblea a la temperatura máxima, se logran las difusiones y el paso del gas con las impurezas de tipo n deseadas, como el fósforo.
Paso 8:
Se cultiva un espesor de un micrómetro de dióxido de silicio por todas partes y se coloca material fotorresistente sobre él. Exponga la luz ultravioleta (UV) a través de mask3 en las regiones preferidas de la puerta, las regiones de fuente y drenaje están grabadas para hacer los cortes de contacto.
Paso 9:
Ahora se coloca un metal como el aluminio sobre su superficie de un micrómetro de ancho. Una vez más, se cultiva un material fotorresistente por todo el metal y se expone a la luz ultravioleta a través de la máscara4, que es una forma grabada del diseño de interconexión obligatorio. La estructura NMOS final se muestra a continuación.
Transistor PMOS contra NMOS
La diferencia entre los transistores PMOS y NMOS se analiza a continuación.
| Transistor PMOS | Transistores NMOS |
| Transistor PMOS significa transistor semiconductor de óxido de metal de canal P. | Transistor NMOS significa transistor semiconductor de óxido de metal de canal N. |
| La fuente y el drenaje en los transistores PMOS están hechos simplemente con semiconductores de tipo n | La fuente y el drenaje en el transistor NMOS están hechos simplemente con semiconductores de tipo p. |
| El sustrato de este transistor está hecho con un semiconductor de tipo n | El sustrato de este transistor está hecho con el semiconductor tipo p |
| La mayoría de los portadores de carga en PMOS son agujeros. | La mayoría de los portadores de carga en NMOS son electrones. |
| En comparación con NMOS, los dispositivos PMOS no son más pequeños. | Los dispositivos NMOS son bastante más pequeños en comparación con los dispositivos PMOS. |
| Los dispositivos PMOS no se pueden cambiar más rápido en comparación con los dispositivos NMOS. | En comparación con los dispositivos PMOS, los dispositivos NMOS se pueden cambiar más rápido. |
| El transistor PMOS conducirá una vez que se proporcione un voltaje bajo a la puerta. | El transistor NMOS conducirá una vez que se proporcione un alto voltaje a la puerta. |
| Estos son más inmunes al ruido. | En comparación con los PMOS, estos no son inmunes al ruido. |
| El voltaje de umbral (Vth) de este transistor es una cantidad negativa. | El voltaje de umbral (Vth) de este transistor es una cantidad positiva. |
Características
Él Características I-V del transistor NMOS se muestran a continuación. El voltaje entre la puerta y los terminales de la fuente 'V SG ' y también entre la fuente y el drenaje 'V SD '. Entonces, las curvas entre I SD y V SD se obtienen simplemente conectando a tierra el terminal de la fuente, estableciendo un valor VGS inicial y barriendo V SD desde '0' hasta el valor de voltaje de CC más alto dado por el V DD al pisar la V SG valor de '0' a V DD . Entonces, para V extremadamente bajo SG , el yo SD son extremadamente pequeños y tendrán una tendencia lineal. Cuando la V SG el valor aumenta, entonces yo SD mejora y tendrá la siguiente dependencia en V SG & EN SD ;
si V SG es menor o igual que V JU , entonces el transistor está APAGADO y funciona como un circuito abierto.
si V SG es mayor que V JU , entonces hay dos modos de funcionamiento.
si V SD es menor que V SG - EN JU , entonces el transistor funciona en el modo lineal y funciona como una resistencia (R SOBRE ).
IDS = tu efecto C buey W/L [(V SG - EN JU )EN SD – ½ V SD ^2]
Dónde,
'µeff' es la movilidad efectiva del portador de carga.
'COX' es la capacitancia del óxido de puerta para cada unidad de área.
W & L son el ancho y la longitud del canal correspondientemente. El r SOBRE el valor es simplemente controlado por el voltaje de la puerta sigue como;
R ENCENDIDO = 1 en norte C buey W/L [(V SG - EN JU )EN SD – ½ V SD ^2]
Si VDS es mayor o igual a V SG - EN JU , entonces el transistor funciona dentro del modo de saturación
yo SD = tu norte C buey W/L [(V SG - EN JU )^2 (1+λ V SD ]
En esta región, cuando yo SD es mayor, entonces la corriente depende mínimamente de la V SD valor, sin embargo, su valor más alto se controla simplemente a través de VGS. La modulación de la longitud del canal 'λ' explica el aumento dentro de IDS por un aumento dentro de VDS en transistores, debido al pinch-off. Este Pinch-off ocurre una vez que ambos V SD y V SG decidir sobre el patrón de campo eléctrico cerca de la región de drenaje, cambiando así la dirección de los portadores de carga de suministro natural. Este efecto reduce la longitud del canal eficiente y aumenta I SD . Idealmente, 'λ' es equivalente a '0' por lo que SD es totalmente independiente de la V SD valor dentro de la región de saturación.
Por lo tanto, todo esto se trata una descripción general de un NMOS transistor - fabricación y circuito con funcionamiento. El transistor NMOS juega un papel clave en la implementación de puertas lógicas, así como en otros circuitos digitales diferentes. Este es un circuito microelectrónico utilizado principalmente en el diseño de circuitos lógicos, chips de memoria y en el diseño de CMOS. Las aplicaciones más populares de los transistores NMOS son interruptores y amplificadores de voltaje. Aquí hay una pregunta para usted, ¿qué es un transistor PMOS?
