Semiconductores. Dispositivos electrónicos. Difusión. Funcionamiento Dinámico. Funcionamiento Estático . El Transistor MOS de Canal P.
Introducción
Con
la invención de un amplificador de Estado Sólido en 1947, por Shockley,
Bardeen, and Brattain, la posibilidad del aumento en la integración en el mismo
cristal es una realidad. En las últimas décadas, y hoy en día se aumenta el
numero de componentes que se introducen en el mismo cristal. Esta industria es
altamente rentable, pero las inversiones en desarrollo son también muy altas,
lo que hace que las inversiones sean a la largo plazo. Lo que hace que la
industria microelectrónica sea rentable es que su procesos de fabricación
(Batch Processing), funcione correctamente. Esto hace que en cada chip sea de
8mm de lado, que hace que en cada oblea tengamos de 120-130 circuitos. Cada
oblea es tratada de forma que todos los circuitos se hacen a la vez, pasando
por el mismo proceso en el mismo instante. Aunque hay procesos como el
encapsulado y el testéo, que se deben hacer individualmente.
-¿Qué
semiconductores son aptos para hacer dispositivos electrónicos ?
Los
elementos del tipo IV (Columna del Silicio), son los más indicados para
utilizarlos como semiconductores. Aunque para que funcionen como tal deben de
tener un gap comprendido, entre 0.5 y 1 eV aproximadamente. Aunque como bien se
sabe ya el Gap de un semiconductor se puede variar añadiendo impurezas a este.
Pero
no solo los elementos de la columna IV, son candidatos a buenos
semiconductores, sino la combinación de los elementos de las columnas de al
lado la III y la V, también lo son. P.e.
GaAs
Ga| Ge | As
También
otros dos elementos que se combinan como buenos semiconductores, es el GaP. Los
elementos del grupo IV-VI, también se combinan formando semiconductores de Gap
muy pequeños, pero de enorme importancia en el ambito militar, y en la
detección de infrarrojos.
P.e.
PbSe (Galena)
De
todas maneras, son pocos los elementos, los cuales los podemos hacer crecer
como cristales.
Ahora
vamos a hacer una breve historia de los dispositivos electrónicos :
1904- Primer detector de Ondas de Radio (Unión
metal-PbSe)
1940-1945 Se desarrollan en Alemania. Detectores de
radiación (Térmica)
Aplicación en la detección de aviones.
1547 Transistor Bipolar (Germanio)
1959 Circuitos Integrados
1961 Tecnología planar desarrollada por Fairchild
Semiconductor
1963 MOSFET- Aunque la idea era anterior, por
problemas tecnológicos no se pudo desarrollar ( Creación de el óxido
semiconductor)
-Conceptos
Industriales de Producción de CI
·Custom
: El fabricante lo hace todo hasta la última máscara, y los transistores con su
colocación y conexión.
·ASIC
: Circuitos muy específicos que el fabricante no hace, por no tener asegurado
un mercado (Es una relación entre cliente y fabricante, mucho más directa y las
inversiones empresariales son mucho menores).
·Tamaño
mínimo 0.4 m, esto viene dado porque la longitud de onda de la luz utilizada
para las máscaras oscila entre 0.3 y 0.7 mm. y se producen fenómenos de
difracción óptica, proceso que impide la buena realización fotolitográfica.
-Los
procesos de introducción de dopantes ha pasado por 4 tipos de
fabricación básicamente:
·Aleación:
El
dopante que queremos introducir se pone en contacto con el semiconductor, a los
cuales se le pone a una temperatura alta para poderse producir la aleación.
El
dispositivo ocupa un 1% del espesor total de la oblea, por tanto hay un 99% que
no se aprovecha, esta zona "muerta" además da problemas de
funcionamiento del dispositivo.
.-Problemas:
*No
se controla la introducción de dopantes
*Se
tiene que reducir la zona muerta.
·Difusión:
La
física del proceso es la misma, que en el caso anterior, pero tenemos un
control mucho mayor sobre él. En este caso el dopante está en forma gaseosa,
para introducirlo en las zonas que queremos dopar.
.-Problemas:
*Interconexiones
entre los dispositivos.
*Sigue
existiendo zonas muertas.
*El
control debería ser mayor sobre las zonas a
dopar.
·Difusión
Planar-Epitaxial:
Partimos
de un cristal fuertemente dopado, al cual se le hace crecer una capa epitaxial,
de semiconductor con un dopado menor. Posteriormente se oxida el Si, de forma
que obtenemos SiO2. Se abren huecos en el óxido para que las impurezas entren
donde nosotros queremos:
El
dopante se introduce en todas las direcciones de forma que no es igual el area
de la superficie a la proyectada. Con este proceso hemos resuelto el problema
de la zona muerta.
.-Problemas:
*Difusión lateral
*Si las dimensiones se reducen la difusión lateral
puede hacer que tengamos una unión en los dispositivos.
·Implantación
Iónica:
El
proceso es totalmente análogo al anterior pero cambiamos la tecnología
utilizada en la introducción de los dopantes. Las impurezas se aceleran
utilizando potenciales de 100000 V. Pudiendo controlar perfectamente variando
la energía de los iones los lugares donde queremos introducirlos.
- Crecimiento de
Cristales
El primer problema que tenemos
es conseguir Si con un alto grado de pureza, para poder fabricar Si cristalino.
La densidad efectiva de átomos debe ser 1023, para el purificado se
hace reaccionar con clorhídrico en fase vapor, y después de varias reacciones
(Destilación fraccionaria), obtenemos lo que se llama Si electrónico. Una vez
conseguido esto ya podemos darle una estructura cristalina.
Método Czochralski :
· En una atmósfera controlada e inerte, tenemos una
cubeta de grafito o cuarzo (que funden a temperaturas 3000 ºC En la cubeta se
introduce Si electrónico . El cilindro está rodeado de una bobina de alta
frecuencia y alta corriente, con esto se funde el Si (1240 ºC). Se introduce en
el Si fundido una pértiga con una semilla de Si cristalino, el cual por
capilaridad se une a la semilla, formándose Si cristalino alrededor de la
semilla, de forma que tirando y girando la pértiga hacemos crecer el cristal.
(5 a 6 pulgadas de diámetro).
Este método así realizado tiene
un problema y es que las paredes de cuarzo o de grafito, introducen impurezas
en el Si cristalino que se forma, porque al estar toda la cubeta a una
temperatura alta se producen deterioros en esta. Para evitar esto se va
utilizar el método de la zona flotante, en el cual la bobina no está en todo el
cristal sino únicamente en una zona muy concreta alrededor de la semilla, esta
bobina es móvil y según movemos la semilla la bobina la acompaña. El problema
que tenemos ahora es que hay un alto número de dislocaciones debido al
gradiente térmico.
El lingote de Si cristalino se
corta en obleas, perdiéndose en el proceso la mitad del Si. Luego viene un
proceso de redondeado y de pulido.
Procesos de Dopado
Difusión :
La introducción de dopantes en
Si como se produce a partir de una fase gaseosa, lo cual hace que la ley que
rige el proceso sea la siguiente :

Donde C es la concentración de
impurezas, y D el coeficiente de Difusión, que depende del material del
dopante. Las temperaturas a las cuales nos movemos para estos procesos rondan
los 1000ºC. Hay un problema en los procesos de difusión y es que la temperatura
hay que controlarla muy bien, dado que sino la concentración de impurezas puede
variar bastante en tan solo 50 ºC. Tenemos un límite de solubilidad que
es la máxima concentración del dopante que admite el Si.
-Etapas del proceso de dopado
por difusión :
1ª. Etapa : Predepósito
·Se genera una presión de vapor de la impureza que
queremos introducir.
·Condiciones de contorno de la ec. de difusión.

C(0,t)=Cs ;
Ct)=0 ; C(x,0)=0
Donde la solución para la ecuación de difusión es :

donde la función erf c (x) cumple las siguientes
propiedades :
erf c(x)=1-erf(x)

donde erf(0)=0 y erf (¥)
Por tanto el número de impurezas introducidas, por cm2
en tiempo son :

2ª Etapa : Redistribución
·Una vez situadas las impurezas en el proceso de
predeposito, retiramos la fuente gaseosa que contiene el dopante.
Posteriormente estas impurezas se redistribuyen durante un tiempo y a una
temperatura determinada.
·Por tanto las condiciones de contorno para nuestra
ecuación de difusión son las siguientes :
Donde D2=Coef.
de difusión a la temperatura de redistribución, y t2 el tiempo de
redistribución.
· Se puede determinar la posición de una unión cuyo dopado
ha sido realizado por difusión.
Fig:
La posición nos la da la siguiente ecuación :
NA(xj,t)=ND
donde NA(xj,t) es :
NA(xj,t)=
si ha
habido predepósito
NA(xj,t)=
si ha
habido redistribución.
Ej . : Sobre una oblea de n-Si (ND=1015
cm-3) se predeposita Boro con los siguientes datos : Cs=1018
cm-3 ; T1=1000 ºC, t1= 5 min. Después de
este proceso se redistribuyen a T2=1200 ºC durante t2=2
horas. Encontrar :
a. El
perfil de Impurezas
b. Posición
de la unión.
·Implantación Iónica :
Es un proceso de alto vacío en el cual introducimos
dopantes en un sólido a partir de haces de iones, fuertemente acelerado, de la
impurezas que queramos usar.
-Hay procesos de colisión , con lo cual hay desviaciones
en los iones. También se produce el efecto contrario que es la rotura de los
átomos de la red en la zona de impacto, generando vacantes en la estructura
cristalina.
-El perfil de dopado de las impurezas dentro del cristal
cumple una ley gaussiana de probabilidad, de tener una concentración en un
lugar geométrico x,y,z.
-Una vez obtenido el perfil hay que reordenar la red
mediante un recocido para que los iones de la red se coloquen en sus posiciones
originales, y de vez en cuando un ion implantado se coloque en la posición de
un ion de la red. (Si la concentración de dopantes fuera análoga a la del
semiconductor tendríamos una aleación.
-Ventajas de la Implantación Iónica :
· Separación de masas : No tenemos dopantes que no
deseamos, dado que separamos muy bien los iones, como luego se verá en el
montaje del sistema.
· Como tenemos un entorno de vacío, tenemos ausencia de
contaminantes.
·Como el proceso lo realizamos a baja temperatura evitamos
la redistribución de las impurezas, cosa que nos haría perder nuestros perfiles
de dopado, y mantenerlos todo lo abruptos que queramos.
-Inconvenientes de la Implantación Iónica :
·Dañado : El ion implantado destruye la red
cristalina, y por tanto necesitamos recocidos de recristalización (RTA). Esto
tiene un problema y es que pueden producir redistribuciones en las impurezas,
esto no ocurre si el tiempo del recocido y el coeficiente de Difusión de las
impurezas dentro del semiconductor no es demasiado alto. Por eso se utilizan
hornos que alcanzan alta temperatura en un intervalo de tiempo muy corto.
·Costo del equipamiento.
Oxidación Térmica, Litografía y
Grabado
Oxidación Térmica:
· Consiste en el crecimiento de una capa de SiO2
sobre una superficie de Si a expensas de este.
· Hay dos tipos de hacer este óxido, en atmósfera seca O2
o húmeda (H20) a una temperatura elevada ( ~1000 ºC)
· La oxidación seca es bastante lenta pero produce un
óxido de excelente calidad, que es muy usado en las tecnologías MOS para el
óxido de puerta.
· La oxidación húmeda es bastante más rápida pero produce
un óxido de mucha peor calidad, con porosidades, el cual solo sirve para
procesos de enmascaramiento.
Aplicaciones del SiO2 :
·Máscara de protección para
procesos de dopado=>Dopados Selectivos.(0.3 mm de espesor aproximado)
·Óxido de puerta en estructuras MOS
·Óxido de Aislamiento en tecnologías LOCOS (Local
Oxidation Silicon )
·Pasivación eléctrica de superficies
·Modelo Elemental del Proceso de Oxidación :
·La atmósfera oxidante se satura de manera que la
concentración de oxidante en la superficie de SiO2 es la de máxima
solubilidad N0.
·El oxidante se difunde a través del SiO2
formado y llega a la interfase SiO2 -Si en concentración N1<N0
donde reacciona con el Si y se forma SiO2.
·Flujo de oxidante a través del óxido :

donde D es el coeficiente de Difusión en SiO2
del O2 y del H2O.
· El flujo de oxidante que llega a la interfase SiO2-Si
es el siguiente :
F2=kN1, donde k es la velocidad de
reacción superficial.
· La situación estacionaria la tenemos cuando el SiO2
no es fuente ni sumidero de oxidante por tanto estamos en un proceso de
equilibrio :
F1=F2=F
En esta situación tenemos que el flujo nos queda lo
siguiente :

·Tenemos por tanto que la velocidad de crecimiento del
óxido con la condición inicial x0(t=0)=xi (~40 Å)


Tenemos que la solución es :
donde :
A=2D/k
B=2DN0/N1
t=(xi2+Axi)/B
·Podemos observar dos resultados principales de la
expresión obtenida que son :
-A tiempos cortos de oxidación, el proceso viene limitado
por la velocidad de oxidación superficial del Si.
-A tiempos largos de Oxidación, el proceso viene limitado
por la difusión de oxidante a través del SiO2 .
Ej. : Demostrar utilizando la expresión obtenida las
dos afirmaciones anteriores.
Litografía y Grabado
· Se refieren a los procesos de transferencia de los
motivos, que dan lugar al circuito integrado, sobre la oblea del semiconductor.
·La litografía es la exposición de motivos a través
de máscaras convenientemente diseñadas y el Grabado es la eliminación
selectiva de óxidos, metales, etc
·Estos procesos son los que nos marcan la tecnología en la
contrucción de C.I., y por tanto una avance en estos procesos permite una
evolución en la tecnología de integración.
El proceso litográfico consta de los siguientes
pasos :
-Una vez generado el óxido del Si, sobre el semiconductor,
colocamos una capa de Fotorresina sobre el óxido.
-Una vez hecho, hacemos pasar luz (UVA), a través de una
Máscara, el cual se proyecta sobre la fotorresina.
- La fotorresina ha quedado impresionada por la proyección
hecha en el proceso anterior. Y la introducimos en un compuesto el cual elimina
la zona impresionada (Positivo), o la que no lo está (Negativo).
- El
Inversor CMOS
Hoy en día la gran mayoría de
los circuitos integrados de Aplicación específica, utilizan tecnología CMOS. La
cual se nutre a su vez de los transistores MOS (Metal Óxido Semiconductor), los
cuales vamos a empezar estudiando para entender las bases de funcionamiento
tanto en el aspecto estático como en el dinámico.
2.1. El transistor MOS
Representamos a continuación
circuitalmente un transistor MOS de canal n, cuyas conexiones son:
-Puerta G
-Fuente S
-Drenador D
Y sean VG, VS y VD, las
diferencias de potencial entre dichas conexiones y el substrato de Si, tipo p
sobre cuya superficie se ha integrado el transistor.
El funcionamiento del
dispositivo es sencillo:
-Mientras la tensión VG es menor que un valor mínimo,
corriente que circula entre el drenador y la fuente es
despreciable.
-En cambio si sobrepasamos el valor mínimo de VG, se crea
un canal de inversión tipo n, entre la fuente y el drenador. Si la tensión VD
es mayor que VS, circulará una corriente entre ambos que llamamos IDS.
Tenemos que hacer un estudio detallado de la tensión
umbral en un punto del canal, que es el valor mínimo de la tensión VG para
que la zona de inversión se mantenga dicho punto del canal. Este valor depende
de la diferencia de potencial V, entre el punto del canal considerado y el
substrato. (Ver figura de la variación de la tensión umbral con (VT, V).
Un resultado importante que podemos obtener es el de la
densidad de cargas libres en un punto del canal del MOS. Como ya sabemos la
Capacidad de un condensador viene dada por la expresión C=Q/V, viendo que en el
transistor MOS entre el contacto metálico y el semiconductor tenemos un
condensador, con lo cual aplicando lo antes dicho, podemos deducir que:
s=Cox[VG-VT(V)]
(1)
donde Cox es la capacidad por unidad de
superficie del condensador formado por la puerta, el óxido y el canal
[Faradios/m2]. Y V es como antes dijimos la diferencia de
potencial entre el punto considerado y el substrato.
Vamos a entrar ahora en el Cálculo
de la Corriente que pasa por el canal del transistor. Si tomamos como la
superficie en la cual vamos a hacer nuestro estudio, como una zona del canal de
longitud infinitesimal dx y de anchura W . Aplicando estos datos
en la ecuación anterior (1), obtenemos que el valor dQ de cargas libres en el
canal son las siguientes:
dQ=dx·W·Cox[VG-VT(V)]
Sabiendo que el campo Eléctrico
en esta zona es igual a :
E=dV/dx
y que la velocidad de
desplazamiento de los electrones viene dada por el producto de la movilidad de
estos, por el campo Eléctrico aplicado.
v=mndV/dx
Por tanto como conocemos la
velocidad y la distancia que tienen que recorrer podemos calcular el tiempo de
tránsito de los electrones.
t=dx/v=(dx)2/ mndV (2)
Y por tanto la corriente que
atraviesa el canal es la siguiente, y utilizando las ecuaciones 1 y 2
I= dQ/t
I dx = mn W Cox[VG-VT(V)] dV
Si despreciamos las corrientes
de fuga, lo cual nos hace considerar que la corriente a lo largo del canal es
la misma. Integramos la anterior relación, obteniendo la siguiente expresión:

donde a la parte de la integral
la llamamos S, y en la siguiente figura podemos ver el significado físico de la
expresión.
-Cox depende del
proceso de fabricación (e/z), S también y del valor de las tensiones
empleadas.
Corriente de Saturación
Todo este proceso es válido
siempre que no supere VD el valor VDP. Si tenemos el caso en el cual coinciden
estos dos valores, tenemos que la tensión de puerta es igual a la tensión
umbral, con lo cual, dicha tensión de puerta no puede mantener los portadores
libres en el canal cerca del drenador. Este fenómeno se le conoce con el nombre
de Pinch-Off o estrangulamiento del canal. Se produce por tanto una zona de
empobrecimiento en la cual no existen portadores libres, y todo aumento en la
tensión del drenador cae en esta zona.
El potencial en la zona de canal
que aun tiene portadores sigue siendo VDP. Por tanto el potencial en el canal
viene dado por la diferencia de potencial entre la fuente y la zona de
estrangulamiento (VDP). Si suponemos que la longitud del canal entre la fuente
y la zona de estrangulamiento prácticamente no se modifica, podemos considerar
que la corriente entre el drenador y la fuente IDS, permanece invariable. Por
lo tanto como hay una diferencia de potencial existe un campo eléctrico, de
valor :
(VD-VDP)/l
que nos hace conducir los
electrones al drenador.
Por lo tanto cuando VD>VDP la
corriente IDS toma un valor constante :
IDSsat=mn. Cox
· (W/L)· Ssat
Donde Ssat es la superficie
representada en la siguiente figura :
Podemos obtener la curva IDS en
función de VDS, y ver que se comporta como una resistencia, función de la
tensión VD.
1/R=dIDS/dVD= mn. Cox · (W/L) dS/dVD
El valor de dS/dVD se deduce
directamente en la siguiente figura :
dS=h·dVD
Con lo cual dS/dVD=h, con lo
cual la resistencia es proporcional a 1/h, según aumenta VD disminuye h, y por
tanto aumenta la resistencia, hasta que alcanza un valor infinito cuando el
transistor esta saturado. Con lo cual la curva IDS, VDS (VD-VS), para un valor
fijo de las tensiones VG y VS.
El Transistor MOS de Canal P
El estudio del transistor MOS
tipo P es análogo al hecho en el caso de los tipo N. Al igual que antes los
potenciales se definen en función del substrato que utilizamos en este caso
tipo N. En este caso como ya se podía esperar las tensiones VG, VS y VD son
negativas. Por tanto el proceso de funcionamiento es el siguiente cuando
tenemos una tensión VG menor que la tensión VT (Que también es negativa), un
canal tipo P aparece entre el drenador y la fuente, si además hay una
diferencia de potencial entre el drenador y la fuente, aparece una corriente
ISD entre estos dos puntos. Tanto en el transistor de canal N como en el de
canal P, los portadores van siempre del drenador a la fuente, aunque en el caso
de las corriente van en sentidos contrarios. (n=IDS y p=ISD). El símbolo del
transistor p lo tenemos a continuación, junto con su estructura física :
Las expresiones son análogas que
en el caso anterior, pero donde antes teníamos la movilidad mn ahora
tenemos la de los huecos mp.
Por tanto la corriente ISD es la
siguiente :
ISD=mp. Cox
· (W/L)· S
Siendo S la superficie
representada en la siguiente figura :
Si VD(< ó =)VDP, entonces el
transistor está saturado, con lo cual la corriente es :
ISDsat=mp. Cox
· (W/L)· Ssat
Donde la superficie Ssat
viene dada en la siguiente firgura :
El Inversor :
Vamos a estudiar ahora el
elemento más importante dentro de la microelectrónica actual como es el
inversor CMOS, cuyo esquema se representa en la siguiente figura. Como se ve se
tiene que contar con dos substratos :
- Uno
tipo p, conectado a VSS voltios, cobre la cual se pone el transistor de
canal n
- Otro
tipo n, conectado a VSS+VDD, sobre cuya superficie se integra el
transistor de canal p.
Funcionamiento Estático :
Ahora vamos a suponer que todas
las tensiones se miden con respecto a la tensión VSS, que la hacemos 0 voltios.
Dentro de las tensiones umbrales de los dos transistores , supondremos a su vez
que:
VT0n<VDD+VT0p
Supondremos también que en el
funcionamiento estático la corriente de salida será nula:
IOUT=0 A
Que corresponde al caso en que a
la salida tengamos un condensador, y que esté en estado estable.(Ver siguiente
figura)
Vamos a ver los posibles casos
que se pueden dar en esta configuración:
- VIN<VT0n
se puede ver en la siguiente figura, el transistor
de canal n esta en corte porque no ha sobrepasado la tensión umbral. Como
la corriente de salida debe ser cero, tenemos que tener que la tensión de
salida debe ser VDD, para que la corriente en el transistor de
canal p sea igual a 0 (IOUT=0).
- Si
VIN>VDD+VT0p, entonces podemos ver ahora el canal p, es el que
está en corte. Por tanto ahora la tensión de salida debe ser 0 para que
no pase corriente por el transistor de canal n, y por tanto IOUT=0.
- Tenemos
otro caso en el cual, se pude demostrar que hay un valor de Vinv ,tal
que la salida pueda ser cualquiera comprendida entre VDPn, y VDPp, este
valor es el que define dos superficies de integración Sp y Sn, tales que:
mn. Cox ·
(Wn/Ln)· Sn= mp. Cox · (Wp/Lp)·
Sp
Con lo cual los dos transistores
dan la misma corriente, y por tanto a la salida tenemos que de nuevo IOUT=0
- Si
VT0n<VIN<Vinv entonces como podemos ver en la
siguiente figura el transistor de canal n está en saturación, y el de
canal p se encuentra en conducción. El valor de VOUT lo podemos
deducir de las expresiones estudiadas en los puntos anteriores.
- Si
Vinv<VIN<VDD+VT0p, este caso es el opuesto al
anterior, y el de canal p está en saturación y el otro en conducción
-Por tanto la curva de
transferencia del inversor CMOS, viene dada en la siguiente figura:
-Como se puede ver en las
expresiones anteriores la tensión Vinv depende del valor relativo de
las dimensiones de los dos transistores:
(Wn/Ln)/
(Wp/Lp)
También, podemos ver la corriente Interna en función de la
tensión de entrada Vin. Como podemos ver solo hay paso de corriente en el
intervalo del cambio de on-off, que es cuando tenemos una IDS.
El valor máximo viene dado por
los valores de las corrientes IDSn e IDSp, calculadas con anterioridad.
Funcionamiento Dinámico
Normalmente en un circuito
integrado las salidas y las entradas de los inversores se conectan a otros
inversores, o a otras puertas lógicas. Entonces para hacer el estudio dinámico,
debemos hacer algunas modelizaciones. La admitancia de entrada se aproxima con
un condensador de valor constante. Por tanto despreciamos:
·La corriente de entrada
continua de los transistores.
· La variación de la capacidad
de entrada con la tensión
de entrada.
·Por tanto el cálculo de los
tiempos de salida lo hacemos a partir del siguiente esquema:
a)Tiempo de Subida:
Suponemos que VIN=VSS y que la
tensión de salida es V voltios. En las siguientes figuras vemos el significado
de los valores Sp(V) y Sn(V).
En este estado, sabemos que el
transistor de canal n está en corte, y por tanto el único que conduce es el p.
Con lo cual la corriente que pasa por el CMOS, es la siguiente :
I= mp. Cox
· (Wp/Lp)· Sp(V)
Y recordando la relación
vista :