Transistores

Electrónica. Mosfet. Canal corto. Fuente. Drenador. Velocidad de saturación. Voltaje de umbral. Escalado. Flujo. Corriente. Aislamiento. Oxidación. Dopaje. Proceso fotolitográfico. Deposición química del vapor. Metal. Potencia. Microprocesadores

  • Enviado por: Jose David Genao Hernandez
  • Idioma: castellano
  • País: República Dominicana República Dominicana
  • 14 páginas
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INTRODUCCIÓN

El constante descenso de las dimensiones del transistor en los últimos 20 años ha sido el estímulo principal al crecimiento de la industria de los circuitos integrados y la industria de la información.

La prevaleciente tecnología de integración VLSI depende de la familia Cmos por su bajo consumo de potencia estática, lo que ha permitido la integración de decenas de millones de transistores en microprocesadores en un área muy reducida.

Como las dimensiones de la familia Cmos, en particular, el largo del canal, es escalado en el régimen nanométrico, sin embargo, las barreras eléctricas en los dispositivos comienzan a perder sus propiedades aislantes debido a la inyección térmica y quanto-mecánica. Esto se manifiesta como un aumento rápido de la potencia estática del dispositivo, lo que limita el nivel de integración y también la velocidad de transición.

Aquí se examinan los factores fundamentales que limitan el escalamiento de dicha familia y que considera sus utilidades cerca del límite de escalamiento. Los factores limitantes fundamentales son; la energía térmica de los electrones, el afinamiento del drenaje a través de la compuerta de oxido.

Tanto la potencia estática como la dinámica aumentaran precipitadamente si la integración del chip esta por debajo de 0.1-um o 100-nm. Para llevar a Cmos al largo de canal más corto posible obteniendo el mejor rendimiento, un optimizado diseño de dopaje verticalmente y lateralmente deforme es presentado. Esto ha proyectado un Mosfet con un largo de canal de 20-nm con el perfil superhalo. Un Mosfet de baja temperatura permite espacio adicional de diseño que permite un escalamiento cercano a los 10-nm de largo de canal.

MOSFET DE CANAL CORTO

El Mosfet de canal corto se define cuando el largo de la compuerta es del mismo orden de magnitud que el espesor de de su zona de deplexión en la unión fuente-drenador. Así que el Mosfet de canal corto (alternativamente) se puede definir cuando el largo efectivo del canal es aproximadamente igual a la profundidad de la unión fuente-drenador (), o cuando el largo de su canal es menor que .

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Velocidad de saturación

El campo eléctrico se incrementa cuando el largo de la puerta disminuye. Como la velocidad de amontonamiento de electrones es proporcional a los campos eléctricos perpendiculares a la compuerta. Dicha velocidad aumenta . Por lo tanto la corriente en el canal se satura. Cuando se aproxima a , la velocidad de saturación electrónica . Esta saturación puede tener un gran impacto en las características voltaje-corriente. Considere la corriente drenador-fuente (), de un Mosfet en saturación .

Igualando surge la siguiente ecuación

La () corriente de saturación usando esta ecuación es menor que si usaremos la ecuación de un Mosfet de canal largo para . La corriente de saturación ya no será una función cuadrática de independientemente del largo del canal. La siguiente tabla muestra los valores de basados en la velocidad de saturación.

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VOLTAJE DE UMBRAL

Dependencia del largo del canal

La disminución de es un claro indicador de los efectos de canal corto. Graficando en el eje x y en el eje y, es notorio que hay una caída en el grafico.

El grafico indica que el mínimo que seria aceptable. La caída de es una de las consecuencias mas serias de los efectos de canal corto. La figura muestra demuestra este planteamiento.

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El voltaje de umbral no puede seguir el largo de compuerta en su descenso. El subvoltaje de umbral es inversamente proporcional a . Para transistores menores de 0.25um deben balancearse la velocidad y el bajo consumo de energía.

Como el largo del canal es menor que 2um, la aproximación de canal largo para el voltaje de umbral no es precisa. El generalmente disminuye con el largo de la compuerta (Vt rool-off).

También, el diminuye cuando se incrementa Vds. In orden para predecir el voltaje de umbral para un dispositivo de canal corto, el diferencial de debe ser aproximado. El efecto de canal corto (SCE) es por la formula siguiente, donde es el voltaje de umbral de canal largo.

La siguiente formula es útil para calcular la uniformidad y el dopaje de los canales:

Donde:

Es el grosor del oxido.

Es el ancho máximo de la zona deplexión debajo de la compuerta.

Es el largo de la zona de deplexión compuerta-fuente.

DIBL (Drain Induced Barrier Lowering) fue introducido en 1979 por Troutman. Como la caída de voltaje entre la fuente y el drenador se incrementa, la zona de deplexión bajo el drenador la barrera de potencial puede ser menor de potencial que la de unión de fuete al canal.

Si la barrera entre fuente y canal es disminuida los electrones tendrán mayor libertad para ser inyectados en la región del canal. Por tanto el voltaje disminuye y la compuerta tendrá menos control sobre la corriente del canal (ver fig. siguiente).

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DIBL

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Contra para dos diferentes largos de canal.

Dependencias del ancho de canal

Otro efecto sobre el voltaje de umbral ocurre cuando el ancho del canal es escalado. Los efectos de escalado del ancho de canal no son tan drásticos como los efectos de largo de canal. Existen 3 efectos producidos por el escalamiento del ancho de canal.

El primer efecto considera la región de deplexión perpendicular al flujo de corriente de fuente a drenador, a lo largo de la orilla de la compuerta en dirección del largo del canal. El campo eléctrico causa la deplexión la dirección vertical y consecuentemente también en la dirección lateral. La zona de deplexión paralela al flujo de corriente de fuente a drenador, lo que disminuirá el voltaje de umbral. Aunque la otra zona de deplexión causa que el voltaje de umbral aumente. La densidad de la carga en el canal es más grande cuando consideramos la carga de la región vertical y lateral.

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  • proceso de oxidación y elevación del campo eléctrico.

  • Proceso LOCOS semiresumido.

  • El segundo efecto va mas allá estrechando el canal, deteniendo el dopaje bajo los lados de la orilla de la compuerta paralelo al la dirección del largo del canal. El estrechamiento causa que haya más dopaje en los bordes que en el centro de la compuerta. Cuando esto sucede, se necesita un voltaje de compuerta mayor para invertir el canal.

    El tercer efecto ocurre cuando el silicón es removido totalmente próximo a la compuerta en dirección de L. Los otros 2 efectos no ocurren si el silicón no se agota. Cuando el silicón es removido próximo a la compuerta, mezclado con un dieléctrico es llamado barrera de aislamiento superficial (STI).

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    (a) Contours of equipotentials and electron concentrations for an STI processed MOSFET.

    (b) I-V plot of the inverse narrow-width effect, which illustrates the hump in the subthreshold slope.

    Proceso Básico De Fabricación De Mosfet De Canal Corto

  • Oxidación; oxidación de campo, oxidación de compuerta (en MOSFET).

  • Difusión, implantación de iones para dopaje de impurezas.

  • Proceso fotolitografico de estampado.

  • Insertado del dieléctrico, de metal o silicio, por solución química o plasma.

  • Deposición del silicio policristalino, oxido de silicón, nitrito de silicón, por deposición química de vapor (CVD).

  • Deposición de la capa de metal por calentamiento, o por evaporación electrónica y chipoteado.

  • Paralelamente a este proceso se contrarrestan los efectos de canal corto con diversas innovaciones la fabricación en los mosfet.

    Diferencias fundamentales entre Mosfet de canal corto

    Y

    Mosfet de canal largo

  • Los mosfet de canal corto tienen mayor frecuencia de operación que los Mosfet de canal largo.

  • Los mosfet de canal corto tienen mayor complejidad de fabricación que los mosfet de canal largo.

  • Los mosfet de canal largo tienen mayores dimensiones que los mosfet de canal corto.

  • Los mosfet de canal largo tienen mayores capacitáncias que los mosfet de canal corto.

  • Los mosfet de canal corto tienen mayor densidad que los mosfet de canal largo.

  • Los mosfet de canal corto tienen menor disipación de potencia.

  • Aplicaciones de los mosfet de canal corto

  • Dispositivos electrónicos que requieren altos niveles de integración, como microprocesadores (Pentium, AMD, Cyrix), chips de memoria DDR y DRAM (Kingston y Corsair).

  • Aplicaciones de alta frecuencia, debido a que su arquitectura permite el diseño de dispositivos más precisos.

  • Fabricantes de chipsets y motherboards (ASUS, DFI, SOYO, SIS) usan dispositivos CMOS porque ofrecen mayor flexibilidad, sobretodo en las memorias ROM, en el BIOS, y el resto del sistema.