ESCUELA POLITECNICA NACIONAL DISPOSITIVOS ELECTRONICOS INGENIERO CARLOS NOVILLOPgina 1 INTRODUCION Es,sinduda,el dispositivo ms conocido delosfabricados conmateriales semiconductores.Fue inventado en loslaboratoriosdeBell TelephoneCo en1948, por tres fsicosnorteamericanosqueganaron el premio Nobel porello.Lasconsecuenciasdeesteinventofueronenormes,nosloporquereemplazaronalasvlvulas termoinicas-deextensautilizacinenesemomento-congrandesventajasdecosto,confiabilidad,tamao, consumodeenerga,etc.,sinoporqueabrieronelcaminodelaelectrnicahaciarumbosinsospechadoshasta eseentonces.Nilascomunicaciones,nilacomputacin,nilamedicina,nilaconquistadelespacio,niel transporte, ni los procesos de fabricacin en general, ni la efectividad de las armas, hubiesen sido posibles en un nivel siquiera parecido al actual sin este diminuto componente. Lainvencindeltransistorfueslounmodestopuntodepartidasiselocomparaconlosdesarrollos posteriores. En 1959 J.S. Kilby, de Texas Instruments, consigue fabricar un circuito flip-flop de 25 transistores totalmente incluidos en el mismo cristal de silicio, lo que marca el nacimiento de los circuitos integrados. stos sondispositivosquerealizanlasmismasfuncionesqueuncircuitoconvencionalcontransistores,diodos, capacitoresyresistenciasperocontamao,costoyperformanceoptimizadosaunnivelcasiincreble.Enla actualidad los circuitos integrados pueden contener 25 millones de transistores y el proceso sigue. Laprimeracomputadoraelectrnica,basadaenvlvulas,competiradesfavorablementeconunacalculadora programabledebolsillodelasactuales.Ocupabaelvolumendevariashabitaciones,tenarequerimientosde energa desmesurados y fallaba frecuentemente.... Una vlvula termoinica muy pequea ocupaba unos quince centmetros cbicos, contra aproximadamente 10-10 cm3 de un transistor integrado en un chip. Eltemadelaminiaturizacinesunodeloscomponentesclavesdelaindustriadelossemiconductores,pues equipos electrnicos ms pequeos redundan en mayores posibilidades misilsticas y satelitales, p.ej. y adems lostransistoresmspequeossonmsbaratosymsveloces,-cuestindeindudableimportanciaenel desarrollo de las tcnicas de computacin-, pues la velocidad de respuesta de un circuito, est determinada por el tiempo que tarda en recorrerlo una seal elctrica y entonces, por sus dimensiones. Los transistores son elementos que facilitan el esquema de circuitos electrnicos de pequeo tamao, los cuales han sustituido a las antiguas vlvulas termoinicas (tubos de vacio) de hace algunas dcadas. Graciasaellosfueposiblelaconstruccindereceptoresderadioporttilesllamadoscomnmente "transistores", televisores que se encendan en un par de segundos, televisores en color... Antesdeaparecerlostransistores,losaparatosavlvulastenanquetrabajarcontensionesbastantealtas, tardaban ms de 30 segundos en empezar a funcionar, y en ningn caso podan funcionar a pilas, debido al gran consumo que tenan. Los transistores tienen multitud de aplicaciones, entre las que se encuentran: -Amplificacin de todo tipo (radio, televisin, instrumentacin)-Generacin de seal (osciladores, generadores de ondas, emisin de radiofrecuencia)-Conmutacin, actuando de interruptores (control de rels, fuentes de alimentacin conmutadas, control de lmparas, modulacin por anchura de impulsos PWM)-Deteccin de radiacin luminosa (fototransistores). Normalmenteseconstruyenengermanioosilicio,materialesquesonsemiconductoresadecuadospara aplicarlos a los transistores. Experimentalmente se utilizan tambin compuestos de galio y de arsnico. Tal vez sorprende que la palabra electrnica, que es hoy tan comn y corriente, entr como vocablo del lxico tecnolgico en 1930, para abarcar la radio y las aplicaciones industriales de tubos de electrones. Lo que dispar verdaderamenteeldesarrollodelaelectrnica,sinembargo,fueelinventodeltransistoren1947.Fueenese aoqueloscientficosdelosLaboratoriosBell,JohnBardeen,WalterBrattainyWilliamShockley, descubrieron el efecto transistor, el cual permite cambios en la conductividad de los materiales mediante el uso de corriente elctrica; al mes presentaron el transistor de juntura. Heidi Elliott en la revista Electronic Business ESCUELA POLITECNICA NACIONAL DISPOSITIVOS ELECTRONICOS INGENIERO CARLOS NOVILLOPgina 2 (diciembre, 1997) califica este paso de la siguiente manera: ... lo que empez como dispositivo para reemplazar el tubo de vaco se puede comparar ahora con el invento de la rueda. Aunque tanto los tres cientficos como el comit del Premio Nobel, galardn al cual fueron acreedores en 1956, se dieron cuenta de la importancia de este descubrimiento,nadie en esos aos constat el enorme impacto que tendraenlaindustria.Parafinalesdeladcadadelos50,seformaronlasprimerascompaas,Shockley TransistoryFairchildSemiconductor,quebuscabanexplotareltransistor.Enesteperiodo,conelinventodel circuitointegrado,quepermitalafabricacindeproductosendimensionescadavezmsreducidasy complejas, fue posible hacer sistemas electrnicos complejos y de bajo costo. Diez aos despus, egresados de Fairchildestablecieronlasbasesdeloqueeshoyelfamosoagrupamientodeempresaselectrnicasconocido como Silicon Valley, en el estado de California, Estados Unidos. Actualmente,laelectrnica,basadaenelsemiconductor,queasuvezsebasaeneltransistor,constituyela industriamanufac-tureramsgrandedelmundo,segnKirkPond,presidentedeFairchildSemiconductor (Electronic Business, diciembre 1997). Entre los sectores ms grandes de la industria electrnica se encuentran elcomputacionalyeldetelecomunicaciones,queabarcanoslolatelegrafaylatelefona,sinotambinlas comunicaciones satelitales y la transmisin de voz y datos por seales de lser a travs de redes de fibra ptica. En otros sectores, hoy da es difcil concebir tanto procesos, desde el diseo al envo del producto final, como productos que no se apoyen de alguna manera en sistemas electrnicos. Funcionamiento del transitor. Eneltransitor,elemisoreselencargadodeinyectarelectronesenlabase,lacualseencargadegobernar dichos electrones y mandarlos finalmente al colector. La fabricacin del transistor se realiza de forma qu la base es la zona ms pequea, despus el emisor, siendo el colector el ms gande en tamao. TIPOS DE TRANSISTOR Podemos dividir a los transistores en dos grandes grupos: Bipolares, o de unin, conocidos como BJT (Bipolar Junction Transistor) Unipolares o de efecto campo, FET (Field Efect Transistor) Losbipolaressonlosquesedesarrollaroncomercialmente(aunquenoconceptualmente)enprimertrminoy revolucionaronlaelectrnicaanalgica.Debensunombre,porunlado,aquelosportadoresdecorrienteson tanto positivos como negativos, y por otro a que estn basados en la combinacin de uniones p-n. Su estructura bsica es muy simple, pues est formado por dos uniones muy prximas, o sea por un "sandwich" n - p - n o p - n - p, donde la zona central es de un espesor muy pequeo. El dispositivo se fabrica a partir de un monocristal enelquesecreanlossemiconductoresextrnsecoscorrespondientesporprocedimientossimilaresalosvistos para los diodos. Cadasemiconductorcumpleunafuncindistintay,entonces,recibenombrediferente.Elprimero,llamado emisor,estmuyfuertementedopado,suspropiedadeselctricasseacercanalasdeunmetalysufuncin, comosunombresugiere, esemitirportadores hacia el siguiente, llamadobase,queest apenas dopado y que,como est dicho, es de muy pequeo espesor. El otro extremo, donde llegan casitodos los portadores emitidos, recibeelnombredecolector.Los tressemiconductores estnconectados al circuito exterior. Se trata entonces de un componente de tres patas. Enlafig.14.1semuestraunesquemadeladisposicinrealquepuedenpresentarlasdistintaszonasdeun transistorp-n-p.Sinembargo,hayqueadvertirqueeldibujonoesaescalayaqueladistanciaquesepara emisor de colector es mucho ms pequea e imposible de representar. (Un tamao tpico tantolostransistoresnpncomolospnpsefabricansegnlasmismassecuenciasdelproceso.Todoloquese necesitanparaelpnpsonventanasadicionalesenlasmascaras.EltransistorlateralpnptieneunvalordeF considerablemente menor que el del npn. Esto es debido a que el emisor de tipo p no puede inyectar portadores minoritariosen labase tipo n con lamismaeficacia quelo hace el emisor tipo n+ en labase tipo p deun BJT ESCUELA POLITECNICA NACIONAL DISPOSITIVOS ELECTRONICOS INGENIERO CARLOS NOVILLOPgina 3 npn.Ademslamayorreadelabaseyelhechodequealgunosdeloshuecosinyectadosmigrenhaciael sustrato hace que disminuya el numero de huecos que llegan al colector. Por tanto los transistores pnp laterales se emplean en circuitos con poca corriente de colector. El transistor pnp vertical se emplea donde se requieran mayorescorrientes y potencias. En la figura 3.4 esta representado estedispositivo y enella se veque tambin puedefabricarsesimultneamenteyconlosmismosprocesosempleadosparalostransistoresnpn.Losdos pasos simultneos son: (1) la fabricacin de las regiones p de emisor del transistor podra ser algunos micrones). Separada por lnea de puntos y en un gris claro, se destaca la zona donde ocurren los fenmenos que determinan las propiedades del componente. Enlafig.14.2sereproducenlossmbolosdelosdostiposposiblesdetransistoresbipolares.Deunexamen atento de los mismos, y relacionando con el diodo,puede deducirse el significado de cada elemento. Enlosunipolares,porelcontrario,losportadoresdecorrienteson,ohuecos,oelectrones,peronoambos conjuntamente. En este grupo debemos distinguir entre los transistores de efecto campo de unin (JFET), que puedenserdecanaln(portadoreselectrones)ocanalp(portadoreshuecos)ylosdeestructurametalxido semiconductor (MOSFET o MOS), que pueden, a su vez, ser de enriquecimiento, o de agotamiento y tambin NMOS o PMOS. La estructura general de JFET y MOSFET se muestran en las figuras 14.3 a y b. Ntese el cambio de nomenclatura de los terminales y los smbolos provenientes de las palabras inglesas. Enlatablasubsiguiente(fig.14.4)seresumenlasdistintasposibilidadesmencionadasdelosFETyse muestran los smbolos utilizados. Con respecto a stos cabe aclarar que no hay unanimidad en la bibliografa por lo que es conveniente prestar atencinalosqueutilizacadaautor.Losquemostramosaqucoincidencon losempleadosgeneralmente en los textos sajones yen el simulador de circuitos Electronics Workbench. Una caracterstica central de los FET es que por el circuito de puerta (de alguna manera equivalente a la base delosBJT)nocirculacorriente,aunqueshayaplicadaunatensinqueregulalaintensidadentrefuentey sumidero. De lo dicho se desprende que, en la simbologa empleada, la flecha no tiene un significado similar a la de los smbolos de los transistores bipolares. led y principalmente por el radio de curvatura del encapsulado. Por supuesto mientras mas chico sea el ngulo yaigualsustratosemiconductorsetendrunmayorpotenciadeemisinyviceversOtro componente del led que no es muestra en la figura pero que es comn encontrarlo en los led de 5mm son los stand-off o separadores, son topes que tienen los terminales y sirven para separar los leds de la plaqueta en aplicaciones que as lo requieren, generalmente si se va colocar varios leds en una plaqueta conveniente que no tenga stand - off ya que de esta forma el encapsulado del led puede apoyarse sobre la plaqueta lo que le dar la posicincorrecta,estoesespecialmenteimportanteenledsconngulodevisinreducido.Por ultimo tenemos el encapsulado epoxi que es el encargado de proteger al semiconductor de las inclemencias ambientales y como dijimos ayuda a formar el haz de emisin. Existen bsicamente 4 tipos de encapsulado si locatalogamosporsucolor.Transparenteoclearwater(aguatransparente):Eselutilizadoenledsdealta potencia de emisin, ya que el propsito de estos leds es fundamentalmente iluminar, es importante que estos Fig.14.1 ESCUELA POLITECNICA NACIONAL DISPOSITIVOS ELECTRONICOS INGENIERO CARLOS NOVILLOPgina 4 encapsuladosnoabsorbandeningunamaneralaluzemitida.Coloreadosotinted:Similaralanteriorpero coloreadoconelcolordeemisindesustratosimilaralvidriodealgunasbotellas,seusaprincipalmenteen ledsdemedianapotenciay/odondeseanecesarioidentificarelcolordelledaunapagado. Difusoodifused:Estosledstieneunaspectomasopacosqueelanterioryestncoloreadosconelcolorde emisin, poseen pequeas partculas en suspensin de tamao microscpicos que son las encargadas de desviar la luz, este tipo de encapsulado le quita mucho brillo al led pero le agrega mucho ngulo de visin ya que los mltiplesrebotes delaluz dentro del encapsulo leotorganun brillo muy parejo sobre casi todoslosngulos prcticosdevisin.LechososoMilky:Estetipodeencapsuladoesuntipodifusoperosincolorear,estos encapsulado son muy utilizados en leds bicolores o multicolores. El led bicolor es en realidad un led doble con unctodocomnydosnodos(3terminales)odosledcolocadosencontraposicin(2terminales). Generalmenteelprimercasoconledsrojoyverdeeselmascomnaunqueexistenotrascombinaciones inclusoconmascolores.Esmuyimportantehacernotarqueentodosloscasoselsustratodelledeselque determinaelcolordeemisinynoelencapsulado.Unencapsuladoconfrecuenciadepasodistintaala frecuenciadeemisindelsustratosololograrafiltrarlaluzdelled, bajandoassubrilloaparentealigualquetodoobjetocolocado delante base del transistor pnp y los emisores n+ del BJT npn. As vemos que tanto los transistores npn como los pnp se fabrican segn las mismas secuenciasdelproceso.Todoloquesenecesitanparaelpnpson ventanasadicionalesenlasmascaras.Eltransistorlateralpnptiene unvalordeF considerablementemenorqueeldelnpn.Estoes debidoaqueelemisordetipopnopuedeinyectarportadores minoritariosenlabasetiponconlamismaeficaciaquelohaceel emisortipon+ enlabasetipopdeunBJTnpn.Ademslamayor readelabaseyelhecho dequealgunosdeloshuecos inyectados migrenhaciaelsustratohacequedisminuyaelnumerodehuecosquelleganalcolector.Portantolos transistores pnp laterales se emplean en circuitos con poca corriente de colector. El transistor pnp vertical se emplea donde se requieran mayores corrientes y potencias. En la figura 3.4 esta representado este dispositivo y en ella se ve que tambin puede fabricarse simultneamente y con los mismos procesos empleados para los transistores npn. Los dos pasos simultneos son: (1) la fabricacin de las regiones p de emisor del transistor pnp y las bases de los npn. y (2) la fabricacin de la regin n+ de base del sustrato pnp y los emisores de los transistores npn.A la derecha (fig.14.6.b) se muestra como la polarizacin del transistor

modifica esta situacin, disminuyendo la barrera de potencial en Vbe del lado del emisor y aumentndola en Vcb del lado del colector. Se comprende que ladisminucindelabarreradepotencialentreemisorybasepermitirquemayorcantidaddeelectronesy huecos atraviesen la unin correspondiente y que los electrones que difunden en la base sern impulsados por el potencial del colector, una vez que alcancen esa unin. Vamos a analizar con ms detalle qu pasa en cada regin del transistor. Comenzando desde la izquierda, en la zonadelemisor,elcampoelctricoaplicadosobreunazonamuyconductoradeterminaquelacadade potencial sea casi nula, similarmente a lo que ocurre en un buen conductor metlico (recurdese que dijimos que esteSCmuydopadotienecaractersticassimilaresaunmetal)yquelazonaseaelctricamenteneutra.Aqu valeplenamentela ley deOhm, es decir hay proporcionalidaddirecta entrelatensin aplicada y laintensidad que circula. El panorama cambia en la unin de emisor. Como se vio en la fig. 14.6, los portadores de carga1 encuentran una barreradepotencialqueslopodrnsalvarlosportadoresconenergatrmicasuficiente.Estclaroquela barreradepotencialdisminuyeconlatensindepolarizacinaplicadayconelloaumentalafraccinde portadores con energa suficiente paraatravesar la unin. En la zona de base, del lado del emisor estn llegando los electrones libres, portadores minoritarios para ese SC, que son inyectados aumentando considerablemente su concentracin. En el otro extremo, unin de colector, la debandaprohibidadirecta(comoelNitrurodeGalio)queenlossemiconductoresdebandaprohibida indirecta(comoelSilicio).Laemisinespontnea,portanto,noseproducedeformanotableentodoslos diodosysloesvisibleendiodoscomolosLEDsdeluzvisible,quetienenunadisposicinconstructiva

Fig.14.3.a ESCUELA POLITECNICA NACIONAL DISPOSITIVOS ELECTRONICOS INGENIERO CARLOS NOVILLOPgina 5 especial con el propsito de evitar que la radiacin sea reabsorbida por el material circundante, y una energa delabandaprohibidacoincidenteconlacorrespondientealespectrovisible.Enotrosdiodos,laenergase liberaprincipalmenteenformadecalor,radiacininfrarrojaoradiacinultravioleta.Enelcasodequeel diodo libere la energa en forma de radiacin ultravioleta, se puede conseguir aprovechar esta radiacin para producir Enlafig14.6.asemuestraelestadoantesdeconectareltransistoralcircuito.ElsaltodepotencialV0 corresponde al potencial de contacto de la uninp - n. Para simplificar se lo ha representado del mismo valor para las dos uniones, cosa que generalmente no es cierta, habida cuenta de la diferencia de dopado entre emisor y colector. Podemos imaginar los electrones de la banda de conduccin, impedidos de salvar eldesnivel entre nyp y a los huecos "atrapados" en la campana de la regin p. Vamos a analizar con ms detalle qu pasa en cada regin del transistor. Comenzando desde la izquierda, en la zonadelemisor,elcampoelctricoaplicadosobreunazonamuyconductoradeterminaquelacadade potencial sea casi nula, similarmente a lo que ocurre en un buen conductor metlico (recurdese que dijimos que esteSCmuydopadotienecaractersticassimilaresaunmetal)yquelazonaseaelctricamenteneutra.Aqu valeplenamentela ley deOhm, es decir hay proporcionalidaddirecta entrelatensin aplicada y laintensidad que circula. Losbipolaressonlosquesedesarrollaroncomercialmente(aunquenoconceptualmente)enprimertrminoy revolucionaronlaelectrnicaanalgica.Debensunombre,porunlado,aquelosportadoresdecorrienteson tanto positivos como negativos, y por otro a que estn basados en la combinacin de uniones p-n. Su estructura bsica es muy simple, pues est formado por dos uniones muy prximas, o sea por un "sandwich" n - p - n o p - n - p, donde la zona central es de un espesor muy pequeo. El dispositivo se fabrica a partir de un monocristal enelquesecreanlossemiconductoresextrnsecoscorrespondientesporprocedimientossimilaresalosvistos para los diodos. TRANSISTORES BIPOLARES (BJT) Aunque, como est dicho, la disposicin real de los elementos de un transistor BJT es otra, la figura que sigue (fig 14.5)nos resultar til para estudiar sus propiedades y comportamiento. Adoptaremos algunas convenciones para lo que sigue: 1)Vb - Vc = Vbc =- Vcb ; Vc - Ve= Vce=- Vec ; etc. 2)Todaslascorrientesqueentranalcomponenteson positivas. Entonces, podemos escribir: Vbc+Vce+Veb=0 e Ib+Ic +Ie =0 de acuerdo con las leyes de Kirchhoff. CONFIGURACIN BASE COMN Laconexindeuntransistorsiempreinvolucradoscircuitos(osub-circuitos),dondeunodeloselectrodos perteneceaambos.Astendremosconexinenbasecomn,emisorcomnocolectorcomn.Porejemplo, cuando el transistor se conecta de la forma que se muestra en la fig 14.8, se dice que est en base comn. Adems, si observamos las diferencias de potencial entre las tres zonas semiconductoras, veremos que la unin emisor-base est polarizada en directo, (lado p a mayor potencial que lado n), mientras que la otra se encuentra Fig.14.5 ESCUELA POLITECNICA NACIONAL DISPOSITIVOS ELECTRONICOS INGENIERO CARLOS NOVILLOPgina 6 en inversa. Este valor relativo de los potenciales define la regin de trabajo; en este caso se dice que el transistor estoperandoenlareginactiva(vermsadelante)yesunabuenasituacinparaestudiarlasbasesdesu funcionamiento. Analicemos la fig 14.6.a parte superior. Comencemos por el extremo izquierdo, semiconductorn, emisor. All, enelcontactoconelcircuitoexteriorencontramosunpotencialnegativoque,comoenundiodo,est inyectandoelectronesquesonimpulsadosporelcampoelctricohacialauninemisor-base,mientrasen sentido contrario la juntura est siendo atravesada por los portadores mayoritarios de la base, semiconductorp,o sea huecos. Aqu hay que tener en cuenta que esta unin es muy asimtrica, con lo que significamos que el emisor est muy fuertementedopado,tieneuncomportamientoqueseasemejaaldeunconductormetlicoylacorrientees transportadamayoritariamenteporloselectrones.Esdecirqueelfenmenodeinyeccindeportadores minoritariosaambosladosdelauninesmuyimportantedelladodelabaseycasiinexistentedelladodel emisor. Loselectronesinyectados alabase, debido al bajo dopadoy a lapequeadistancia hasta laotraunin, llegan hastalamismasinrecombinarse,enunaproporcindelordendel99%.Cuandoalcanzanestaposicin,son impulsados por el campo elctrico hacia el colector, donde, como portadores libresmayoritarios, son extrados hacia el circuito exterior por el contacto a potencial elevado del colector. El1%restantedeelectrones,serecombinaenlabaseconloshuecosysalehaciaelcircuitoexteriorporel terminal correspondiente. Elgrficodebandasdeenerga(fig14.6,parteinferior)nosdaunavisincomplementariadelproceso. Recordemosaqunuestraconvencingrfica(enlaqueloselectrones"ruedan"cuestaabajodelacurvade potencial)queimplicatomarelpotencialelctricocambiadodesigno.Entoncesloqueserepresentaen ordenadas es - V y su perfil coincide con el del lmite inferior de la energa de la banda de conduccin y con el superior de la banda de valencia. Enlafig14.6.asemuestraelestadoantesdeconectareltransistoralcircuito.ElsaltodepotencialV0 corresponde al potencial de contacto de la uninp - n. Para simplificar se lo ha representado del mismo valor para las dos uniones, cosa que generalmente no es cierta, habida cuenta de la diferencia de dopado entre emisor y colector. Podemos imaginar los electrones de la banda de conduccin, impedidos de salvar eldesnivel entre nyp y a los huecos "atrapados" en la campana de la regin p. A la derecha (fig.14.6.b) se muestra como la polarizacin del transistor

modifica esta situacin, disminuyendo la barrera de potencial en Vbe del lado del emisor y aumentndola en Vcb del lado del colector. Se comprende que ladisminucindelabarreradepotencialentreemisorybasepermitirquemayorcantidaddeelectronesy huecos atraviesen la unin correspondiente y que los electrones que difunden en la base sern impulsados por el potencial del colector, una vez que alcancen esa unin. Vamos a analizar con ms detalle qu pasa en cada regin del transistor. Comenzando desde la izquierda, en la zonadelemisor,elcampoelctricoaplicadosobreunazonamuyconductoradeterminaquelacadade potencial sea casi nula, similarmente a lo que ocurre en un buen conductor metlico (recurdese que dijimos que esteSCmuydopadotienecaractersticassimilaresaunmetal)yquelazonaseaelctricamenteneutra.Aqu valeplenamentela ley deOhm, es decir hay proporcionalidaddirecta entrelatensin aplicada y laintensidad que circula. El panorama cambia en la unin de emisor. Como se vio en la fig. 14.6, los portadores de carga2 encuentran una barreradepotencialqueslopodrnsalvarlosportadoresconenergatrmicasuficiente.Estclaroquela barreradepotencialdisminuyeconlatensindepolarizacinaplicadayconelloaumentalafraccinde portadores con energa suficiente paraatravesar la unin.

ESCUELA POLITECNICA NACIONAL DISPOSITIVOS ELECTRONICOS INGENIERO CARLOS NOVILLOPgina 7 En la zona de base, del lado del emisor estn llegando los electrones libres, portadores minoritarios para ese SC, que son inyectados aumentando considerablemente su concentracin. En el otro extremo, unin de colector, la concentracincaeprcticamentea0,puesencuentranungradientedepotencialquelosimpulsahaciaelotro lado de la unin. Entonces lo que determina la movilidad de esos portadores es el fenmeno de difusin (Ley de Fick)siendolafuerzaimpulsora3,elgradientedeconcentracinentreambasuniones.Estasituacinse representa en la fig.14.7. Dentrodelaunindecolector,elcampoelctricomantienelacorriente,peroaqunopodemosdecirquese cumplelaleydeOhm,puesnohayproporcionalidadentretensinycorriente.Elfactorlimitanteesla concentracin de portadores, todos los que llegan son transportados hacia el colector. De los procesos que acabamos de describir se concluye que,para un transistor en la regin activa: Esto puede expresarse matemticamente, por la relacin: Ic = a . Ie dondearepresentalafraccindeportadoresmayoritariosdelemisorqueatraviesanlabasepordifusin,sin recombinarse.Estaexpresinessloaproximada,puesnoseconsideranenellalosaportesalacorriente debidosalosminoritariosdelcolectorqueatraviesanlauninbase-colector,incrementandolacorrientede base.Tampocosetieneencuentaquearealmentevaraconlatensinentrebaseycolector,debidoala variacin en el ancho de la zona de deplexin, que correlativamente modifica el ancho de la base. Debemosrecordaraququeporreginactiva,queremossignificarunrgimendetrabajodeltransistor caracterizadoporlapolarizacinendirectadelajunturaemisor-baseypolarizacininversaentrebasey colector. En las prximas pginas veremos con ms detalle qu significa esto. Veamos una aplicacin basada en esta propiedad del transistor en esta configuracin. En el circuito que se muestra en la fig. 14.8, igualmente configurado en base comn, hemos agregado una seal de corriente alterna superpuesta a la tensin continua del circuito del emisor y de amplitud pequea, comparada con sta. Analicemos qu sucede con la tensin sobre la resistencia del colector Rc. Puesto que En un instante posterior Vee se habr incrementado, pongamos en un valor d, y la nueva tensin sobre Rc ser: Y la variacin de la tensin sobre Rc Como a tiene un valor muy prximo a 1, podemos escribir Oseaqueeligiendounvalordelaresistenciadelcircuitodecolectormselevadoqueeldelaresistenciade emisor(odeentrada)podemosobtenerunaamplificacindelatensin.Lasealalasalida,tomadasobrela resistencia, copiar la forma de la de entrada pero amplificndola.Una caracterstica habitualmente deseable en un circuito amplificador de tensin es que la impedancia (resistencia) de entrada sea elevada, condicin que no cumple el circuito visto, por lo que no es muy utilizado. Sin embargo, presenta la ventaja de que la corriente de salida es prcticamente independiente de la resistencia de carga. Una condicin que debe cumplirse para que las

ebe ee cRcRV V RV) ( = oebe eeecRccRV VIRVI= = = o oebe ee cRcRV V RV) ( + =o oo o = A = ecRcRcRRV V V1o ~ AecRRVESCUELA POLITECNICA NACIONAL DISPOSITIVOS ELECTRONICOS INGENIERO CARLOS NOVILLOPgina 8 cosas ocurran tal como se han descripto, es que la polarizacin de las uniones del transistor se mantengan en su estado original, esto es, en directa la de emisore inversa la de colector, lo que sucede si la seal alterna es lo suficientementepequea.Encasocontrario,eltransistorpasaaoperarfueradelareginactivaysus caractersticas cambian, como veremos a continuacin. REGIONES DE TRABAJO Hemosmencionado ms arriba que el valor relativo de los potenciales aplicados a los terminales del transistor define lo que se conoce como "regin de trabajo". En el ejemplo considerado hasta ahora, donde la unin emisor - base se polarizaba en directo y la base - colector en inversa, se conoce como regin activa y es especialmente til en circuitos analgicos donde el transistor funciona como un amplificador. En la tabla siguiente (fig.14.9) se muestran las otras posibilidades: Reginde trabajo Polarizacin unin emisor/base Polarizacin unin base/colector ACTIVA oNORMAL Directa Inversa INVERSA Inversa Directa SATURACIN Directa Directa CORTE Inversa Inversa Para un transistor p - n - p,4 puede representarse: La regin inversa implica la inversin de "roles" de emisor y colector y, aunque no es de uso frecuente, puede ofrecerventajasenalgunasaplicaciones.Lasregionesdecorteysaturacinsondeusohabitualencircuitos digitalesdondeel transistor funcionabsicamentecomo un interruptor. Paraestudiar el pasajedeunas aotras regionesutilizaremosacontinuacinotraconfiguracin,ladeemisorcomn,quepresentaimportantes aplicaciones en electrnica digital, aunque la descripcin que haremos puede aplicarse perfectamente al circuito anterior. CONFIGURACIN EMISOR COMN

Fig.14.9 Veb Vbc ActivaSaturacin InversaCorte Fig.14.10 ESCUELA POLITECNICA NACIONAL DISPOSITIVOS ELECTRONICOS INGENIERO CARLOS NOVILLOPgina 9 Lomscomnenaplicacionesdigitalesdelostransistoreseslaconfiguracinenemisorcomncomose muestra en la fig.14.11. Elcircuitodeentradaesbsicamenteigualalqueyavimos,peroeneldesalidaencontramosprofundas diferencias. En efecto, ste ahora incluye, adems de batera y resistencia, las dos unionesp - n presentes en el dispositivo.Estclaro,observandolasconexionesdebaseyemisor,queesauninestpolarizada endirecto,ya que el emisor se encuentraconectado directamente al borne negativo de Vbb, mientras que la base lo hace con el positivo, a travs de Rb. Podemos escribir: Vbe =Vbb-Ib . Rb y Vce=Vcc-Ic . Rc base del transistor pnp y los emisores n+ del BJT npn. As vemos que tanto los transistores npn como los pnp se fabrican segn las mismas secuencias del proceso. Todo lo que se necesitan para el pnp son ventanas adicionales en las mascaras. El transistor lateral pnp tiene un valor de F considerablemente menor que el del npn. Esto es debidoaqueelemisordetipopnopuedeinyectarportadoresminoritariosenlabasetiponconlamisma eficaciaquelohaceelemisor tipon+ enlabasetipo pdeunBJT npn.Adems lamayorreadelabaseyel hechodequealgunosdeloshuecosinyectadosmigrenhaciaelsustratohacequedisminuyaelnumerode huecos que llegan al colector. Por tanto los transistores pnp laterales se emplean en circuitos con poca corriente de colector. El transistor pnp vertical se emplea donde se requieran mayores corrientes y potencias. En la figura 3.4estarepresentadoestedispositivoyenellasevequetambinpuede fabricarse simultneamenteyconlos mismos procesos empleados para los transistores npn. Los dos pasos simultneos son: (1) la fabricacin de las regionespdeemisor del transistor pnp y las bases de losnpn. y (2) lafabricacin delaregin n+ debasedel sustrato pnp y los emisores de los transistores npn. En esta configuracin, las corrientes de entrada y salida estn relacionadas por la expresin: Ic =b .Ib donde b es el llamado factor de ganancia de corriente, y que a travs de laLey de Kirchhoff, puede vincularse con a: b=a/1- a b es el parmetro que indica el multmetro, cuando se prueba el transistor conectndolo en la posicin hfe. Veamos cmo est polarizada la unin colector / base. Debe cumplirse: Vbc+Vce+Veb=0 En nuestro caso Veb < 0 (la base est a un potencial mayor que el emisor) siendo el valor aproximadamente -0,7 V si es un transistor de silicio. En el caso en que la unin de colector se encuentre tambin polarizada en directa, Vbc >0conaproximadamenteel mismovalor absoluto y, entonces, Vce~0. La presenciadeunabaja tensin entre los terminales de colector y emisor est indicando que el transistor est conduciendo, ya que toda latensindelafuente,Vcc,estcayendoenlaresistenciaRc,loque,asuvezimplica,quelaintensidadde corriente Ic es la mxima posible, y justifica el nombre (saturacin) que recibe esta condicin. En otras palabras, la condicin de saturacin se alcanzar cuando la Ib (o sea Vbb) sea suficientemente elevada y aqu ya no existe la proporcionalidad entre Ic e Ib, caracterstica de la regin activa. En la "jerga" digital se dice estado encendido (on)oalto (high). base del transistor pnp y los emisores n+ del BJT npn. As vemos que tanto los transistores npn como los pnp se fabrican segn las mismas secuencias del proceso. Todo lo que se necesitan para el pnp son ventanas adicionales en las mascaras. El transistor lateral pnp tiene un valor de F considerablemente menor que el del npn. Esto es ESCUELA POLITECNICA NACIONAL DISPOSITIVOS ELECTRONICOS INGENIERO CARLOS NOVILLOPgina 10 debidoaqueelemisordetipopnopuedeinyectarportadoresminoritariosenlabasetiponconlamisma eficaciaquelohaceelemisor tipon+ enlabasetipo pdeunBJT npn.Adems lamayorreadelabaseyel hechodequealgunosdeloshuecosinyectadosmigrenhaciaelsustratohacequedisminuyaelnumerode huecos que llegan al colector. Por tanto los transistores pnp laterales se emplean en circuitos con poca corriente de colector. El transistor pnp vertical se emplea donde se requieran mayores corrientes y potencias. En la figura 3.4estarepresentadoestedispositivoyenellasevequetambinpuede fabricarse simultneamenteyconlos mismos procesos empleados para los transistores npn. Los dos pasos simultneos son: (1) la fabricacin de las regionespdeemisor del transistor pnp y las bases de losnpn. y (2) lafabricacin delaregin n+ debasedel sustrato pnp y los emisores de los transistores npn. Porelotroextremo,cuandoVbbnopolarizaendirectalaunindeemisor(valormuybajoodepolaridad opuesta),eltransistorentraenlaregindecorte.Laresistenciaylatensinentrelosterminalesemisor-colectorsonelevadas,ynohayconduccin.Encircuitosdigitalesestasituacinseconocecomoestado apagado (off) o bajo (low) . Tomando a la corriente de base como parmetro, se pueden determinar las curvas caractersticas de salida, esto es la variacin de la corriente de colector en funcin de los valores de Vce, para conexin en emisor comn, que tienen un aspecto como el que se ilustra en la figura 14.12. Enlareginactiva,IcescasiindependientedeVce,loquepuedeinterpretarseapartirdeconsideraraesta tensin como: Vce=Vcb+Vbe ydadoqueVbepermanececonstanteparacadavalordeIb,yavimosqueenlareginactivalacorrientede colector no depende de la diferencia de potencial establecida entre base y colector. Aunque no se aprecie en el grficoanterior,(por laausenciadeescalas)hayquetenerencuentaqueIbes muchomenorqueIc,comose explicaba ms arriba, lo que justifica el uso de esta configuracin, en circuitos analgicos como un amplificador de corriente. Al mismo tiempo amplifica la tensin, lo que da lugar a una amplificacin de potencia. Como se ha sealado, en los circuitos digitales los transistores se polarizan de forma que trabajen conmutando entrelaregindecorteyladesaturacin.LaconmutacinselograatravsdecambiarIb,oseaVbe,y pequeoscambiosenesteparmetro,desencadenan,entonces,importantesvariacionesenelestadode funcionamiento del transistor. Aquinteresaconocerelcomportamientodeltransistorantepulsosdetensinaplicadosalosterminalesque controlanlapolarizacindelaunindeemisor.Entranaqulasconsideracionesquehicimosrespectodel "tiempodeconmutacin",dependientedelainyeccindeportadoresminoritarios,comovimosalestudiarla unin p - n . Por supuesto, lo que interesa es que este tiempo sea lo menor posible, lo que se consigue introduciendo, durante el proceso de fabricacin del transistor, lo que se conoce como "centros de recombinacin" en la regin de base. TRANSISTORES UNIPOLARES O DE EFECTO CAMPO (FET) Hayaquuncambiodenomenclaturarespectodelostransistoresbipolares.Loscontactossellamanahora:fuente,puertaydrenador,perosecomprendela analogaconloanterior.Podemosdescribirsu principiodefuncionamientoconsiderandoquela resistenciadeun conductor es funcin desu seccin y delaconcentracindeportadoresdisponibles.Enlos JFETelreadelaseccinconductoravaraconel voltajeaplicadoyenlosMOSFET,(oMOS)ambos parmetrosson sensiblesala seal deentrada, que se aplica en el terminal llamado puerta. LostransistoresMOSocupanhoyunimportantsImo lugar enloscircuitosdigitales, por lo quecentraremos nuestraatencinenellos.Presentanimportantes Fig.14.13 ESCUELA POLITECNICA NACIONAL DISPOSITIVOS ELECTRONICOS INGENIERO CARLOS NOVILLOPgina 11 ventajas, en comparacin con los dispositivos bipolares: por un lado permiten mayores densidades de bits en los chips de circuito integrado, son ms fciles de fabricar y adems, los transistores MOS son dispositivos de alta impedancia,loquellevaaunadisipacindepotenciamsbaja.Suprincipaldesventajaessuvelocidadde operacin relativamente lenta. Consideremos un transistor MOS de canal n como el representado en la fig.14.13. El contacto del substrato, que originauncuarto terminal,estnormalmenteconectadoalafuente,oaunpotencial fijo.Laaplicacindeun voltajepositivoalapuertanopuedeprovocarlaaparicindeunacorrientepueslacapadexidoesun excelenteaislante,peroelcampoelctricoestablecido,socasionaunaredistribucindelosportadores presentesenelsemiconductor(p).CuandolatensinentrepuertaysustratosuperaunvalorumbralVT,se observa una inversin en el carcter del semiconductor ubicado justo debajo de lapuerta. La migracin de los portadoresprovocaquelaconcentracindelosportadoresminoritarios (electrones) supere a la de los mayoritarios (huecos)formndose as un canal conductor n que une las islas, fuertemente dopadas,n* de fuente y drenador. Estecanalestlimitadoporsupartesuperiorporlasuperficiedelxidode silicio, constituyentede la estructurade la puerta, mientras que en las otras direccionesestrodeadoporlazonadeagotamiento,creadadebidoala polarizacin inversa establecida en la unin p-n entre canal y sustrato. Como se dijo antes, la conductividad de este canal aumenta con el voltaje aplicado. Si en estas condiciones, se aplica una tensin positiva entre el drenador y la fuente,circulaunacorriente,talcomosemuestraenlafigura.Estetipode transistor es el llamado "de enriquecimiento"; en el tipo "de agotamiento", el canal ya existe sin necesidad de aplicar tensin a la puerta. Lo que hace sta es eliminarlo. Obsrvese que el circuito representado en la figura 14.13 y que se reproduce en fig.14.14, pero empleando la simbologa adoptada, puede ser descripto,haciendounaanalogaconlostransistoresBJT,comoconfiguracinen"fuentecomn". Estudiaremospuntualmenteestadisposicin,enMOSdeenriquecimiento,pueseslamscomnencircuitos digitales.REGIONES DE TRABAJO En forma similar a lo que ocurreen los BJT, podemos distinguir entre distintos regmenes de funcionamiento. 1)Corte. Si la tensin de puerta no alcanza al valor VT, no hay conduccin entre fuente y sumidero. Situacin anloga a la estudiada con los bipolares. 2)hmica o lineal.Si Vds es pequea:

Vgd = Vgs Vds ~V gs esdecir lacada de tensinentre lapuertay el drenador (Vgd) es aproximadamente igual a la cada de tensin entrelapuertaylafuente(Vgs),odichodeotraforma,elcampoelctricocercadeldrenadores aproximadamenteigualalcampocercadelafuente.Tenemosportantounnmeroparecidodeelectrones atradosenlosextremosdedrenadoryfuente,yelcanalesaproximadamenteigualenamboslados,es uniforme. En estas condiciones la relacin entre Vds e Id es lineal como en un conductor hmico. 3)Saturacin.SimanteniendoVgsconstante,aumentamosprogresivamenteVds,latensinentrepuertay drenador disminuye y aumenta la diferencia de potencial entre la isla n+ de drenador y el substrato, conectado a masa.Estosignificaquelaregindeagotamientoenlauninn+-penlascercanasdeldrenadoraumentasu espesor. Pero lo mismo sucede entre el canal n y el sustrato, en tanta mayor medida cuanto ms cerca se est del drenador (puesal haber circulacin decorrientehay unacadadepotencial a lo largo delcanal). O seaque el canaldisminuyeprogresivamentesuanchoamedidaquenosacercamosaldrenador.Enlafigura14.15se intenta mostrar esta situacin. Para cierto valor de Vds, el canal reduce su ancho a 0 justo donde alcanza a la isla n+. 4) 5) Este punto se conoce como de estrangulamiento. Un posterior aumento de Vds ya no provocar un aumento de Id. Se dice que el transistor est saturado y que Vds > Vds,sat. Fig.14.15 Fig.14.14 ESCUELA POLITECNICA NACIONAL DISPOSITIVOS ELECTRONICOS INGENIERO CARLOS NOVILLOPgina 12 El grfico Id vs. Vds, de la fig.14.16, con la tensin de puerta Vgs como parmetro, ilustra lo anterior. Puertas Lgicas Yaquelosdiodosactancomopuertasdepasodetensiones,sinla posibilidaddegenerar nuevosvalores detensin, no es posiblerealizar con elloslaoperacindenegacin.Conlostransistores,encambio,estose implementa perfectamente. TECNOLOGA BIPOLAR LapuertanotmsantiguaeslaconformadaconunBJTconfiguradoenemisorcomn,yaqueunatensin aplicada en la base puede hacer pasar al transistor de corte a saturacin, llevando a 0 la tensin entre emisor y colector, tal como se muestra a continuacin. De la ecuacin: Vce=Vcc-Ic . Rc que habamos establecido, podemos escribir,reordenando : quenoesotracosaquelaecuacindelarectaqueapareceatravesandoelprimercuadrantedelgrficoenla fig.14.17.a,yquecorrespondealcircuitodelafig.14.17.b.Conocidacomolarectadecargadeltransistor, (anloga a la que utilizamos con los diodos) determina, para unos dados valores de Vcc y Rc,-caractersticos decadacircuito-, losvalores Ic por losquepasala operacin del transistor al variar Vce. Porotro lado, por cada puntodel plano Vce; Ic, pasaunacurvacaracterstica correspondiente aun valor deIb. Entonces, en un circuito dado, para un determinado valor de Ib, el valor de Vce (y de Ic), est determinado por la interseccin de la lnea de carga con la curva caracterstica correspondiente. Como Ib, por su parte, est determinada por Vbb y Rb,secomprendequeutilizandoVbbcomosealdeentrada,puedeconseguirsecambiarlosvaloresdeVce (seal de salida) entre V1 "on" y V2 "off". Lavelocidaddeconmutacindepende,comohemosvistoalestudiarlaspropiedadesdelajuntura,dela concentracindeportadoresminoritariosinyectados,enestecasoalabase.Enlasituacindecortedicha concentracin es prcticamente nula, correspondiendo a la ausencia de corrientes de colector y base; al pasar a modo activo se crea una concentracin de portadores minoritarios, cuya distribucin a lo largo de la base vara linealmente,desdeun valor mximo ensuunin conel emisor (quees quininyectadichosportadores) hasta anularse prcticamente en la de colector. (ver figura 14.7). Analcensecuidadosamentelasdiferenciasenlosnombresdelasregionesde trabajo entre los BJT y los FET. Corte es la misma cosa para ambos. hmicaen los FETesequivalenteasaturacinenBJTysaturacinenFETsecorrespondecon activa de los bipolares. Fig.14.16 Alaausenciadeentrada,Vbb=0(yentoncesIb=0),lecorrespondesalida"on", mientrasqueaunvalorpositivodeVbb,lecorrespondesalida"off".Tenemosas implementada la puerta NOT. ESCUELA POLITECNICA NACIONAL DISPOSITIVOS ELECTRONICOS INGENIERO CARLOS NOVILLOPgina 13 A travs de los valores de Rb y Rc se determinan las condiciones de operacin del circuito, condiciones que son unasolucindecompromisoentrelavelocidaddeconmutacinylapotenciadisipada.ValoresaltosdeRb impidenqueeltransistorentreenunestadodesaturacinprofunda,conloqueseganaenvelocidad.Cuanto menoresRc,porotrolado,menoreslaconstantedetiempoasociadaalacapacidaddelajunturayla conmutacin es ms rpida aunque con mayor consumo. UnasolucinalternativaeslaincorporacindediodosSchotkyenparaleloconlauninbase-colector.Este diodoconducea0,25V,ademsdeconmutarmuyrpidamente.Deestamanera,eltransistornoentraen saturacin profunda, ganndose en velocidad, aunque a costa del consumo y perjudicando la inmunidad al ruido. Hay variantes circuitales que optimizan el rendimiento de estas puertas rpidas. Hayotradisposicincontransistoresbipolaresqueproporcionabuenavelocidadde respuesta.SelaconocecomodeacoplamientodeemisoroECL(porEmisorCoupled Logic),queseilustraenlafig.14.18ysugranvelocidadprovienedequelos transistores no entran en saturacin. Igual que en el caso anterior, esto viene unido con un gran consumo. Como ventaja adicional permite la conmutacin a altas frecuencias. Si Vi = 0, (o en realidad menor que Vr), T1 est en corte, T2 conduce y Vo tiene un valor bajo. Por el contrario una seal mayor que Vr, ocasiona el corte de T2 y Vo se hace igual a Vcc. Ladisipacindepotenciaenunapuertalgica,ser,comoencualquiercircuitode corrientecontinua,elproductodelatensindealimentacinporlaintensidadde corriente. Esta ltima vara entre un estado alto y uno bajo, a los que podemos considerar igualmente frecuentes, por lo que se considera a Ic como el promedio entre ambos valores. La disipacin de potencia media se define como: Pd= Vcc x Ic TECNOLOGA UNIPOLAR Latecnologabipolar(DTL,TTL,ECL)hasidoreemplazadaenbuenamedidaporlaMOS.Parala configuracindepuertaslgicasinteresanlosFETenquelatensindepuertaesdelmismosignoqueladel drenador(referidasambasalafuente):osealosNMOSdeenriquecimiento.Semuestranacontinuacin( fig.14.19) circuitos bsicos de puertas implementados con esta tecnologa. Unaventajadeestaspuertaseslamuyaltaimpedanciadeentrada,conloquelaintensidaddeentradaes prcticamentenula,porloquedisminuyemuchosuconsumoenrgimenesttico.Sinembargo,esfuncin creciente de la frecuencia. Elbajo consumo facilita la integracin en densidades elevadas, (valor tpico actual, cercade5000puertasenun mm2) sin problemas dedisipacin de calor. En el objetivo dereducir tamaos, la tecnologa MOS permite tambin reemplazar las resistencias por los propios FET, con un considerable ahorro de superficie. Adems se requieren menos pasos en el proceso de fabricacin. LafabricacindecircuitosintegradosagrandeescalaseexplicaatravsdeunprocedimientoVLSI(porsus siglaseningls)consilicioestndar.Sepresentanlascaractersticasdelosdispositivosdisponiblesen tecnologasdelafabricacinCMOSyBiCMOS,dondeseanalizarnlosaspectosdediseodeloscircuitos integrados que son distintos a los del diseo de circuitos discretos. Por consiguiente, entender las caractersticas deldispositivoesesencialaldisearbuenosVLSIalamedidaocircuitosintegradosparaaplicaciones especficas. Este mtodo considera solo tecnologas que se basan en el silicio; ya que es el material ms popular, gracias a que posee una amplia variedad de compromisos costo desempeo. Desarrollos recientes en tecnologas deSiGeysilicio,sometidoaesfuerzo,reforzarnanmslaposicindelosprocesosdefabricacinquese basan en este elemento en la industria microelectrnica en los aos venideros. Laconfiguracinemisorcomneslabasedelosdistintoscircuitoscontecnologabipolarenlosque generalmentesebuscalimitar,oanimpedir,lasaturacinparaconseguirmenorestiemposdetransicin.La entradaeslabasedeltransistorylasalidasetomaenelcolector.delxidodesilicio,constituyentedela estructuradela puerta,mientras que enlas otras direcciones est rodeadopor la zonadeagotamiento, creada Fig.14.18 ECL ESCUELA POLITECNICA NACIONAL DISPOSITIVOS ELECTRONICOS INGENIERO CARLOS NOVILLOPgina 14 debidoalapolarizacininversaestablecidaenlauninp-nentrecanalysustrato.Comosedijoantes,la conductividad de este canal aumenta con el voltaje aplicado. Una desventaja es que la capacidad puerta-canal limita su velocidad de trabajo y otra es que la capa aislante de la puerta resulta muy vulnerable a descargas estticas, lo que complica su manipulacin. Los FET han aportado an otra tecnologa a los CI, la MOS Complementaria o CMOS. Aqu la combinacin de dosMOS,unodecanalnyelotrop,permiteconfiguraruninversordecaractersticasmuyatractivas.Se muestra una celda bsica en la fig 14.20 Si Vin es alta (= Vcc), T1 no conduce y s lo hace T2 (con la condicin de que Vinsuperelatensinumbral),conlocuallatensinalasalidaeslade masa. Pero si Vin = 0, hay una tensin negativa entre la puerta y el sustrato deT1,(PMOS)yentoncesesT1elqueconduceyseapagaT2.Entonces Vout = Vcc. Obsrvesequeencualquieradelosdosestadosnohayconsumode corriente, pues los MOS estn en serie y cuando uno conduce el otro no lo hace.Oseaquesuconsumoestticoesnulo.Encambio,durantela conmutacin se produce un consumo no despreciable, debido a la capacidad asociadaalconjuntopuerta-canal.Consecuentementeelconsumodelas puertasbasadasenestatecnologa,aumentafuertementeconlafrecuencia del reloj.RESUMEN Lainvencindeltransistor,alpermitirelreemplazodelasvlvulastermoinicaspordispositivosms eficientes,seguros,pequeosybaratostuvoenormesconsecuenciastecnolgicasyeconmicas.La miniaturizacinesunodeloscomponentesclavesdelaindustriadelossemiconductores,puesequipos electrnicos ms pequeos posibilitan el desarrollo de equipos ms eficientes. Los transistores bipolares (BJT) consisten bsicamente en dos unionesp-n muy prximas, construidas sobre el mismo cristal y que dan origen a tres zonas distintas que reciben los nombres de emisor, base y colector. Segn cul de los terminales resulta compartido entre el circuito de entrada y el de salida, se habla de configuracin en emisor comn, base comno colector comn. La polarizacin de las uniones determina la regin de trabajo del transistor. La regin activa es de uso comn en amplificacin, mientras que las de corte y saturacin son tpicas de usos digitales. Las propiedades de amplificacin se basan fundamentalmente en el efecto transistor, segn el cual, la intensidad de corriente en el colector est definida, en gran medida, por la intensidad de corriente en la base.Paralosusosdigitales,sehacepasarelestadodeltransistor,configuradoenemisorcomn,decortea saturacin, a travs de seales de tensin que entran por la base. Haytransistoresunipolares(FET)dedistintostiposylosmsimportantesparacircuitosintegradossonlos MOSFETdeenriquecimiento.Consistenbsicamenteendosislasdesemiconductornimplantadasenun sustratop,separadasporunapequeadistancia.Sobrestaysincontactoelctricoseencuentraunazona metlicaodepolisilicio conductor. Los terminales sellamanaqufuente,puertaydrenadory suprincipio de funcionamiento se basa en el control que se puede ejercer sobre la corriente que circula entre fuente y drenador, atravsdelatensinaplicadaalapuerta.CuandoestatensinsuperaunvalorumbralVT,elMOSpasadel estado de corte al de conductividad hmica y posteriormente al de saturacin. Estos nombres de las regiones de trabajo no tienen exactamente el mismo significado que en los BJT. Ya que la puerta est aislada elctricamente, no circula corriente a travs de ella y esto trae aparejado un consumo significativamente menor. La importancia de estos transistores radica principalmente en la posibilidad de conseguir elevadas densidades de integracin y enlamayorsencillezdelasoperacionesdefabricacin.Presentancomodesventajaprincipalunamenor velocidad de operacin. Lostransistoresaportanalaspuertaslgicaslafuncinnegacin,yconellolaposibilidaddeimplementar cualquier funcin lgica. Fig.14.20 ESCUELA POLITECNICA NACIONAL DISPOSITIVOS ELECTRONICOS INGENIERO CARLOS NOVILLOPgina 15 Laconfiguracinemisorcomneslabasedelosdistintoscircuitoscontecnologabipolarenlosque generalmentesebuscalimitar,oanimpedir,lasaturacinparaconseguirmenorestiemposdetransicin.La entrada es la base del transistor y la salida se toma en el colector. Similarmente, en la tecnologa unipolar, se utiliza la configuracin en fuente comn, con la puerta como entrada yeldrenadorcomosalida.OtravariantemuyimportanteconFETseslatecnologaMOScomplementaria (CMOS), en la cual un NMOS y un PMOS estn conectados compartiendo el drenador y la puerta. En ninguno de los dos estados digitales, esta puerta est conduciendo, aunque s lo hace durante la transicin. FABRICACION DE TRANSISTORES BIPOLARES La fabricacindecircuitos integrados es un procesocomplejo y enel queintervienen numerosasetapas. Cada fabricantede circuitosintegrados tienesuspropiastcnicasqueguardancomosecretodeempresa,aunquelas tcnicas son parecidas. Losdispositivosintegradospuedensertanto analgicos como digitales,aunquetodostienencomobaseun material semiconductor, normalmente el silicio. Tecnologa de Fabricacin LafabricacindecircuitosintegradosagrandeescalaseexplicaatravsdeunprocedimientoVLSI(porsus siglaseningls)consilicioestndar.Sepresentanlascaractersticasdelosdispositivosdisponiblesen tecnologasdelafabricacinCMOSyBiCMOS,dondeseanalizarnlosaspectosdediseodeloscircuitos integrados que son distintos a los del diseo de circuitos discretos. Por consiguiente, entender las caractersticas deldispositivoesesencialaldisearbuenosVLSIalamedidaocircuitosintegradosparaaplicaciones especficas. Este mtodo considera solo tecnologas que se basan en el silicio; ya que es el material ms popular, gracias a que posee una amplia variedad de compromisos costo desempeo. Desarrollos recientes en tecnologas deSiGeysilicio,sometidoaesfuerzo,reforzarnanmslaposicindelosprocesosdefabricacinquese basan en este elemento en la industria microelectrnica en los aos venideros. El silicio es un elemento abundante que existe naturalmente en forma de arena. Puede ser refinado por medio de tcnicasbienestablecidasdepurificacinycrecimientodecristales.El silicio tambinexhibepropiedades fsicasapropiadasparalafabricacindedispositivosactivosconbuenascaractersticaselctricas,ademses fcildeoxidarparaformarunexcelenteaislanteSiO2(vidrio).Estexidonativoestilparaconstruir condensadoresyMOSFET.Tambinsirvecomobarreradeproteccincontraladifusindeimpurezas indeseableshaciaelmineraladyacentedesiliciodealtapureza.Estapropiedaddeproteccindeloxidode silicio permite que sus propiedades elctricas sean fciles de modificar en reas predefinidas. Por consiguiente, sepuedenconstruirelementosactivosypasivosenlamismapiezamaterial(osustrato).Entonceslos componentes pueden interconectarse con capas de metal (similares a las que se utilizan en las tarjetas de circuito impreso) para formar el llamado circuito integrado monoltico, que es en esencia una pieza nica de metal. Pasos Generales de Fabricacin de un Circuito Integrado formado por Silicio como componente activo Lospasosdefabricacin bsicase pueden realizar muchasveces,endiferentescombinaciones y endiferentes condiciones de procedimiento durante un turno de fabricacin completo. Preparacin de la oblea ElmaterialinicialparaloscircuitosintegradosmodernoseselSiliciodemuyaltapureza,dondeadquierela forma de un cilindro slido de color gris acero de 10 a 30 cm de dimetro y puede ser de 1m a 2m de longitud (Figura 1). Este cristal se rebana para producir obleas circulares de 400um a 600um de espesor, (1um es igual a 1x10-6 metros). Despus, se alisa la pieza hasta obtener un acabado de espejo, a partir de tcnicas de pulimento qumicasymecnicas.Laspropiedadeselctricasymecnicasdelaobleadependendelaorientacindelos planos cristalinos, concentracin e impurezas existentes. Para lograr tener mayor resistividad, se necesita alterar laspropiedadeselctricas del Silicio apartir deun proceso conocido como dopaje.Unaobleade silicio tipo n excesivamenteimpurificado(bajaresistividad)seradesignadacomomaterialn+,mientrasqueunaregin levemente impurificada se designara n-. Oxidacin ESCUELA POLITECNICA NACIONAL DISPOSITIVOS ELECTRONICOS INGENIERO CARLOS NOVILLOPgina 16 Se refiere al proceso qumico de reaccin del Silicio con el Oxgeno para formar Bixido de Silicio (SiO2). Para acelerardichareaccinsenecesitandehornosultralimpiosespecialesdealtatemperatura.ElOxgenoquese utilizaenlareaccinseintroducecomoungasdealtapureza(procesodeoxidacinseca)ocomovapor (oxidacinhmeda).LaOxidacinhmedatieneunamayortasadecrecimiento,aunquelaoxidacinseca producemejorescaractersticaselctricas.Suconstantedielctricaes3.9yselepuedeutilizarparafabricar excelentescondensadores.ElBixidodedeSilicioesunapelculadelgada,transparenteysusuperficiees altamentereflejante.Si seiluminacon luz blancauna oblea oxidadalainterferencia constructivay destructiva har que ciertos colores se reflejen y con base en el color de la superficie de la oblea se puede deducir el espesor de la capa de xido. Difusin Es el proceso mediante el cual los tomos se mueven de una regin de alta concentracin a una de baja a travs del cristal semiconductor. En el proceso de manufactura la difusin es un mtodo mediante el cual se introducen tomos de impurezas en el Silicio para cambiar su resistividad; por lo tanto, para acelerar el proceso de difusin de impurezas se realiza a altas temperaturas (1000 a 1200 C), esto para obtener el perfil de dopaje deseado. Las impurezasmscomunes utilizadas como contaminantes son el Boro (tipo p), el Fsforo (tipo n) y el Arsnico (tipo n). Si la concentracin de la impureza es excesivamente fuerte, la capa difundida tambin puede utilizarse como conductor. Implantacin de iones Es otro mtodo que se utiliza para introducir tomos de impurezas en el cristal semiconductor. Un implantador de iones produce iones del contaminante deseado, los acelera mediante un campo elctrico y les permite chocar contralasuperficiedelsemiconductor.Lacantidaddeionesqueseimplantanpuedecontrolarsealvariarla corrientedelhaz(flujo deiones).Esteprocesoseutilizanormalmentecuandoelcontrolprecisodelperfil del dopaje es esencial para la operacin del dispositivo. Deposicin por medio de vapor qumico Esunprocesomedianteelcualgasesovaporessehacenreaccionarqumicamente,locualconduceala formacindeslidosenun sustrato. Laspropiedades delacapa dexido quese depositapor medio devapor qumiconosontanbuenascomolasdeunxidotrmicamenteformado,peroessuficienteparaqueacte como aislantetrmico.Laventajadeunacapadepositadaporvaporqumicoesqueelxidosedepositacon rapidez y a una baja temperatura (menos de 500C). Metalizacin Supropsitoesinterconectarlosdiversoscomponentes(transistores,condensadores,etc.)paraformarel circuitointegradoquesedesea,implicaladeposicininicialdeunmetalsobrelasuperficiedelSilicio.El espesordelapelculadelmetalpuedesercontroladoporladuracindeladeposicinelectrnica,que normalmente es de 1 a 2 minutos. Fotolitografa Estatcnicaesutilizadaparadefinirlageometradelasuperficiedelosdiversoscomponentesdeuncircuito integrado.Paralograrlafotolitografa,primeramentesedeberecubrirlaobleaconunacapafotosensible llamadasustanciafotoendureciblequeutilizaunatcnicallamadadegiro;despusdeestoseutilizaruna placa fotogrfica con patrones dibujados para exponer de forma selectiva la capa fotosensible a la iluminacin ultravioleta.Lasreasopuestasseablandarnypodrnserremovidasconunqumico,ydeestamanera, producir con precisin geometras de superficies muy finas. La capa fotosensible puede utilizarse para proteger pordebajolosmaterialescontraelataquequmicoenhmedoocontraelataquequmicodeionesreactivos. Este requerimiento impone restricciones mecnicas y pticas muy crticas en el equipo de fotolitografa. Empacado Una oblea de Silicio puede contener varios cientos de circuitos o chips terminados, cada chip puede contener de 10 a 108 o ms transistores en un rea rectangular, tpicamente entre 1 mm y 10 mm por lado. Despus de haber probadoloscircuitoselctricamenteseseparanunosdeotros(rebanndolos)ylosbuenos(pastillas)se ESCUELA POLITECNICA NACIONAL DISPOSITIVOS ELECTRONICOS INGENIERO CARLOS NOVILLOPgina 17 montanencpsulas(soportes).Normalmenteseutilizanalambresdeoroparaconectarlasterminalesdel paquete al patrn de metalizacin en la pastilla; por ltimo, se sella el paquete con plstico o resina epxica al vacio o en una atmsfera inerte. Componentes Electrnicos ms usados en el diseo de circuitos: MOSFET Se prefiere el MOSFET canal n al MOSFET canal p. La movilidad de la superficie de electrones del dispositivo de canal n es de dos a cuatro veces ms alta a la de los huecos. Este transistor ofrece una corriente ms alta y una resistencia baja; as como una transconductancia ms alta. Su diseo se caracteriza por su voltaje de umbral ysustamaosdedispositivos,engeneral,losMOSFET(tiponop)sediseanparaquetenganvoltajesde umbraldemagnitudsimilarparaunprocesoparticular;porlotanto,loscircuitosMOSFETsonmuchoms flexibles en su diseo. Resistencias Las regiones de distinta difusin tienen diferente resistencia. El pozo n en general se utiliza para resistencias de valor medio, mientras que las difusiones n+ y p+ son tiles para resistencias de valor bajo. Cuando se disea un valorrealdeunaresistenciasehaceatravsdelcambiodelalongitudyelanchodelas regionesdifundidas. Todas las resistencias difundidas estn autoaisladas por las uniones pn polarizadas a la inversa. Sin embargo una desventajaesqueestnacompaadasporunasustancialcapacitanciaparsitadeuninqueloshacenomuy tiles en el uso de frecuencias altas. Adems, es posible que exista una variacin en el valor real de la resistencia cuando se aumenta el voltaje debido a un efecto llamado JFET. Para obtener un valor ms exacto, se recomienda que se fabrique con una capa de polisilicio que se coloca encima del grueso campo de xido. Capacitores Existen 2 tipos de estructura de condensador en los procesos CMOS, condensadores MOS y de interpolietileno. LacapacitanciadecompuertaMOSesbsicamentelacapacitanciadecompuertaafuentedeun MOSFET, la cualdependedelreadedichacompuerta;estecondensadorexhibeunagrandependenciadelvoltaje,para eliminar este problema, se requiere un implante n+ adicional para formar la placa inferior de los condensadores. EstosdoscondensadoresMOSestnfsicamenteencontactoconelsustrato,loqueproduceunagran capacitanciaparsitaenlauninpnenlaplacainferior.Elcondensadorinterpoliexhibecaractersticascasi idealesperoaexpensasdelaincluirunasegundacapadepolisilicioenelprocesoCMOS,dondelosefectos parsitossemantienenalmnimo.Paralos2tiposdecondensadoresanteriormente(interpoliyMOS),los valores de capacitancia pueden controlarse hasta un margen de error de 1%. Esta propiedad es extremadamente til para disear circuitos CMOS anlogos de precisin. Transistor pnp lateral Cuando se utilizan este tipo de dispositivos electrnico, el pozo n sirve como regin de base n con difusiones p+ como emisor y colector. La separacin de entre las dos difusiones determina el ancho de la base. Como el perfil de dopaje no est perfeccionado para las uniones base-colector, y como el ancho de la base est limitado por la resolucin de fotolitogrfica mnima, el desempeo de este dispositivo no es muy bueno. Resistores de base p y de base estrecha La difusin en la base p se puede utilizar para formar un resistor de base p directo. Como la regin de la base es, por lo general, de un nivel de dopaje relativamente bajo y con una profundidad de unin moderada, es adecuada para resistores de valor medio. Si se requiere un resistor de valor grande, se puede utilizar el de base estrecha; ya que exhiben malos coeficientes de tolerancia y temperatura pero una coincidencia relativamente buena. Procesos que pueden intervenir en la fabricacin de circuitos integrados -Crecimiento epitaxial -Oxidacin en semiconductores -Implantacin inica -Difusin en estado slido -Deposicin en semiconductores -Litografa ESCUELA POLITECNICA NACIONAL DISPOSITIVOS ELECTRONICOS INGENIERO CARLOS NOVILLOPgina 18 Fabricacin De Un Transistor Enlasiguientefigurasemuestradetalladamenteelprocesodefabricacindeun transistorMOS (MOSFET). No es la nica forma de hacerlo, pero es un proceso tpico: 1. Se parte de la oblea de material semiconductor. 2. Se hace crecer una capa de xido (zona rayada) que servir como aislante. 3. Se deposita un dielctrico como el nitruro (capa roja) que servir como mscara, tambin se poda usar simplemente el xido anterior como mscara, depende del grosor y de los procesos siguientes. 4. Se deposita una capa de resina sensible a la radiacin (capa negra), tpicamente a la radiacin luminosa. Se hace incidir la luz para cambiar las caractersticas de la resina en algunas de sus partes. Para ello sirven de ayuda las mscaras hechas antes con herramientas CAD. 5. Mediante procesos de atacado algunas zonas de la resina son eliminadas y otras permanecen. 6. Se vuelve a atacar, esta vez el nitruro. Este paso se poda haber hecho junto al anterior. 7. Implantacin inica a travs del xido. 8. Se crean las zonas que aislarn el dispositivo de otros que pueda haber cerca (zonas azules). 9. Se crece ms xido, con lo que ste empuja las zonas creadas antes hacia el interior de la oblea para conseguir un mejor aislamiento. 10. Eliminacin del nitruro y parte del xido. 11. Se hace crecer una fina capa de xido de alta calidad que servir de xido de puerta al transistor. 12. Deposicin de una capa de polisilicio (capa verde oscuro) mediante procesos fotolitogrficos anlogos a los vistos en los puntos 1 al 5. Este polisilicio ser el contacto de puerta del transistor. 13. Atacado del xido para crear ventanas donde se crearn las zonas del drenador y surtidor. El polisilicio anterior servir de mscara al xido de puerta para no ser eliminado. 14. Implantacin inica con dopantes que sirven para definir el drenador y el surtidor. El polisilicio vuelve a hacer de mscara para proteger la zona del canal. 15. Vemos en verde claro las zonas de drenador y surtidor. 16. Se deposita una capa de aislante (zona gris). 17. Mediante procesos fotolitogrficos como los vistos antes se ataca parte del xido. 18. Se deposita una capa metlica que servir para conectar el dispositivo a otros. 19. Se ataca de la forma ya conocida el metal (capa azul oscuro) para dejar nicamente los contactos. El contacto de puerta no se muestra en la figura porque es posterior al plano que se muestra. Una vez que se disean los transistores se hace el juego de mscaras delasmetalizacionesqueeslaformadeconectarlostransistores paraformarestructurasmscomplicadas,comopuertaslgicas. Enlasiguientefigurasepuedevereljuegodemscarasdeuna Puerta OR de dos entradas. El diseo es CMOS. Layout de una puerta OR con el programa LASI. Laslneasazulesrayadassonmetalizaciones.Laslneas rojas espolisilicio.Laszonasamarilloyverdeconpuntosson zonas P+ y N+ respectivamente. Las lneas azules sin relleno delimitan zonas N. Junto a cada transistor se especifican las dimensiones de su canal. El diseo cumple las reglas CN20. La ltima fase en la fabricacin es encapsularlo en el chip y soldar los pines. Un Nuevo Paso Adelante En La Tecnologa De Fabricacin De Transistores De Intel Marca El Mayor Cambio En Procesadores Para Pc En Los ltimos 40 Aos Intelfabricalosprimerosprototiposdeprocesadoresconlosdiminutoseinnovadorestransistoresde45 nanmetros, acelerando de esta forma la era de la informtica multi ncleo ESCUELA POLITECNICA NACIONAL DISPOSITIVOS ELECTRONICOS INGENIERO CARLOS NOVILLOPgina 19 Madrid, 29deenero de2007En uno delosmayores avancesen el diseo fundamental de transistores, Intel Corporationhaanunciadohoylautilizacindedosnuevoseincreblesmaterialesparalaconstruccindelas paredes de aislamiento y la conexin de puerta de sus transistores en 45 nanmetros (nm). Cientos de millones deestostransistoresmicroscpicosointerruptoresseincluirnenlaprximageneracindefamiliasde procesadores multi ncleo Intel Core 2 Duo, Intel Core 2 Quad y Xeon. La compaa tambin ha indicado que cuenta con cinco productos en fase inicial listos y funcionando los primeros de los quince procesadores en 45 nanmetros planeados por Intel. Estainnovacinentransistorespermitiralacompaacontinuarofreciendovelocidadesdeprocesamiento asombrosasenservidores,equiposporttilesydesobremesa,mientrassereducenlasprdidasdeenerga elctricadelostransistores,loquepermitereducireldiseodelchipydelequipoinformtico,sutamao, consumo elctrico, ruido y costes. Adems, este anuncio asegura la Ley de Moore, un axioma de la industria de alta tecnologa en el que se plantea que el nmero de transistores en un chip se duplica cada dos aos,algo que toma fuerza para la prxima dcada. LapercepcindeIntelesquehaampliadosuliderazgoenmsdeunaofrentealrestodelmercadode semiconductoresconelanunciodelosprocesadoresde45nanmetrosylaprximageneracindeproductos basada en esta tecnologa de nombre cdigo Penryn. Las primeras versiones, que estarn centradas en cinco segmentosdemercadoinformticodiferentes,estntrabajandoconsistemasoperativoscomoWindows* Vista*, Mac OS X*, Windows* XP y Linux, as como diferentes aplicaciones. La compaa mantiene sus planes de produccin de 45 nanmetros para la segunda mitad de este ao. Los transistores de Intel incorporan el nuevo material dielectrico High-K y un Nuevo metal de puertaInteleselprimero enimplantar unainnovadoracombinacin denuevosmateriales quereducendrsticamente lasfugaseincrementanelrendimientodesutecnologadeprocesamientode45nanmetros.Lacompaa utilizar un nuevo material con una propiedad denominada high-k, para dielctrico de puerta del transistor, y una nueva combinacin de materiales metlicos para el electrodo de puerta del transistor. Laimplementacindematerialesmetlicosyhigh-kmarcaelcambiomsgrandeenlatecnologade transistoresdesdelapresentacindelostransistoresMOSdepuentedepolisilicioafinalesdelosaos60 comenta Gordon Moore, co-fundador de Intel. Lostransistoressoninterruptoresdiminutosqueprocesanlosunosycerosdelmundodigital.Lapuertadeja pasar o no la corriente en el transistor y el dielctrico de puerta es un aislante inferior que separa la puerta del canal por el que fluye la corriente. La combinacin de la conexin de puerta metlica y el nuevo dielctrico de puertahigh-kpermitetransistorescon corrienteselctricas de fugamuy bajasy ofrece un alto rendimiento sin igual. Debidoaquecadavezmsymstransistoressonencapsuladosenunanicapiezadesilicio,elmercado continaanalizandolas actualessoluciones para lareduccin decorrientesdefuga, indicaMark Bohr, Socio SeniordeIntel.Mientras,nuestrosingenierosydiseadoreshanalcanzadounlogromuyimportanteque aseguraelliderazgodeIntelenproductoseinnovacin.Nuestraimplementacindetransistoresdepuerta metlica y el innovador material high-k para nuestra tecnologa de fabricacin de 45 nanmetros ayudar a Intel a proporcionar productos multi ncleo ms eficientes y rpidos sobre los que construir el xito de las familias de procesadores Intel Core 2 y Xeon, y extender la Ley de Moore durante la prxima dcada. Entrminosdecomparacin,aproximadamentecercade400transistoresde45nanmetrosdeIntelpodran caber en la superficie de un solo glbulo rojo de sangre humana. Hace una dcada, la tecnologa de fabricacin msinnovadoraeralade250nanmetros,loquesignificabaquelasdimensionesdeltransistoreran aproximadamente 5,5 veces superior en tamao y 30 veces el rea de la tecnologa anunciada hoy por Intel. ComoelnmerodetransistoresporchipsedoblaaproximadamentecadadosaosdeacuerdoconlaLeyde Moore,Intelescapazdeinnovareintegrar,aadiendomsfuncionalidadesyncleosdeprocesamiento informtico, incrementando el rendimiento y reduciendo los costes de fabricacin y el coste por transistor. Para manteneresteritmodeinnovacin,lostransistoresdebencontinuarreduciendosutamaoanms.Sin embargo,elusodelosactualesmaterialesylacapacidaddereduccindelostransistoresestnllegandoa lmites bsicos, debido al incremento en la potencia o el calor que desarrollan, as como temas como el tamao ESCUELA POLITECNICA NACIONAL DISPOSITIVOS ELECTRONICOS INGENIERO CARLOS NOVILLOPgina 20 que est alcanzando lmites atmicos. Como resultado, la implantacin de nuevos materiales es necesaria para el futuro de la Ley de Moore y la rentabilidad en la era de la informacin. La puerta metlica y High-k la receta para la tecnologa de fabricacin de 45nmEl dixido de silicio es el material que ha sido utilizado para fabricar el dielctrico de puerta del transistor desde hacemsde40aos,debidoasufacilidadparaserprocesadoylacapacidadparaproporcionarmejoras constantes en el rendimiento del transistor, ya que cada vez se ha fabricado ms fino. Intel ha reducido con gran xitoeldielctricodepuertadedixido desilicioamenosde1,2nanmetrosdegrosorloquesignificaun totaldecincocapasatmicasenlosanterioresprocesosdefabricacinde65nmdelacompaa,perola continuareduccinhadadocomoresultadounincrementoenlascorrientesdefugaatravsdeldielctricoo aislante de puerta, lo que ha dado como resultado un calentamiento innecesario y un malgasto de energa. Lafugadeelectricidadatravsdelapuertadeltransistorasociadoconelcadavezmsfinodielctricode puerta de dixido de silicio es reconocido por el mercado como uno de los retos tcnicos ms importantes a los quehacefrentelaLeydeMoore.Conelfinderesolverestetematancrtico,Intelreemplazeldixidode silicio con una capa ms gruesa de un material high-k basado en hafnium en el dielctrico de puerta, reduciendo la fuga hasta diez veces comparado con el dixido de silicio utilizado durante ms de cuatro dcadas. Debido a que el dielctrico de puerta basado en high-k no es compatible con el electrodo de puerta de silicio de hoyenda,lasegundapartedelarecetadematerialdeltransistorde45nmhasidoeldesarrollodenuevos materialesparaunapuertademetal.DebidoaquelosmetalesespecficosqueIntelutilizasemantienenen secreto,lacompaautilizarunacombinacindediferentesmaterialesmetlicosparaloselectrodosdela puerta del transistor. Lacombinacindeldielctricodepuertahigh-kconlapuertametlicaparalatecnologadefabricacinde 45nm de Intel proporciona ms de un 20% de incremento en la conduccin de la corriente, o lo que es lo mismo unrendimientodeltransistormuchomsalto.Porotrolado,sereducelacorrientedefugaenmsdecinco veces, mejorndose la eficiencia energtica del transistor. El proceso tecnolgico de 45nm de Intel tambin mejora la densidad de transistores en cerca de dos veces frente a la anterior generacin, permitiendo a la compaa bien incrementar el nmero total de transistores o bien hacer que los procesadores sean ms pequeos. Debido a que los transistores de 45nm sonms pequeos que los de anteriores generaciones, consumen menos energa al dejar y no dejar pasar la corriente, por lo que se reduce de formaactivaelconsumoelctricoenlaconexinydesconexinenun30%aproximadamente.Intelutilizar cablesdecobreconundielctricolow-kparasusinterconexionesen45nmconelfindeincrementarel rendimientoyreducirelconsumodeenerga.Todoelloutilizartambininnovadorasreglasdediseoy tcnicas de enmascarado para ampliar la utilizacin de la tcnica de litografa seca de 193 nanmetros a la hora defabricarsusprocesadoresde45nm, debido a sus ventajas en rentabilidad y la altacapacidad de fabricacin que ofrece. La familia Penryn ofrece ms rendimiento de forma ms eficienteLa familia de procesadores Penryn es un derivado de la microarquitectura Intel Core y supone un paso ms all enlarpidavelocidaddeIntelalahoradeproporcionarunanuevatecnologadefabricacinyunanueva microarquitectura enaos alternos.La combinacin delos procesostecnolgicos de45nm lderesdeIntel, las capacidades de fabricacin a gran volumen y el liderazgo en el diseo de microarquitecturas han permitido a la compaa desarrollar ya los primeros procesadores Penryn de 45nm. Lacompaacuentaconmsde15productosbasadosen45nmendesarrolloparasegmentosdesobremesa, porttiles, estaciones de trabajo y empresariales. Con ms de 400 millones de transistores para procesadores de doblencleoymsde800millonesparalosdecuatroncleos,lafamiliadeprocesadoresPenrynde45nm incluyen las funcionalidades de una nueva microarquitectura para un mayor rendimiento y capacidades para la gestindelaenerga,ascomovelocidadesdencleomsaltasyhasta12megabytesdecach.Lafamilia Penrynademsofreceaproximadamente50nuevas instruccionesIntelSSE4queamplanlascapacidadesyel rendimiento para aplicaciones informticas multimedia y de alto rendimiento. Intel,elldermundialeninnovacindesilicio,desarrollatecnologas,productoseiniciativasparamejorar continuamentelaformadetrabajoydevidadelaspersonas.Paramsinformacin,visitela direccin www.intel.eso www.intel.es/pressroom ESCUELA POLITECNICA NACIONAL DISPOSITIVOS ELECTRONICOS INGENIERO CARLOS NOVILLOPgina 21 Intel, Core, Xeon y el logo deIntel son marcas o marcas registradas por Intel Corporation o sus filiales en los Estados Unidos y otros pases. DescribiremoslafabricacindelBJTplanarparacircuitosmonolticosmediantelosprocesostratados.Para seguir la secuencia de fabricacin nos concentraremos en la construccin de dos transistores npn en la fuente de corriente. Tambin analizaremos la fabricacin de resistencias. Fabricacin de Transistores Una vez preparada la oblea, el sustrato tipo p, se crece una capa epitaxial tipo n, tal como se ve en la Figura 1. Esta capaformalas regiones de colector de los transistores. Seguidamente sedepositaunacapa deoxido para cubrirlasuperficie.Ahoradebenaislarseentreslasregionesdeambostransistores.Paraelloseformantres ventanas en el SiO2 mediante fotolitografa y corrosin. Se difunde una regin p+ en la capa epitaxial expuesta hasta que alcance el sustrato. Este proceso establece una isla aislada alrededor de cada transistor como se ve en la figura 3.1. El aislamiento elctrico se consigue conectando el sustrato a la tensin ms negativa del circuito. Conestosegarantizaquelauninpnentreloscolectoresyelsustratopermanezcacondolarizacininversa. Una vez completada la difusin de aislamiento se recubre nuevamente la oblea con una capa de SiO2. Con una nueva mascara se forman las ventanas en las que se difunden las bases de tipo p como se ve en la figura 3.1(d), quedandodefinidaslasregionesdelasbasesenlavistadelafigura3.1(e).SerecreceunacapadeSiO2 para cubrir la oblea despus de la difusin de la base. Con una tercera mascara y un proceso de corrosin se elimina el SiO2 como preparacin para la difusin superficial de emisor figura 3.1(f). Obsrvese que tambin se difunde una regin n+ en la regin de colector de cada transistor. Aqu se hace el contacto en el aluminio del colector, y la zona n+ contribuye a formar un buen contacto hmico. Despus de la difusin de colector se crece otra capa deSiO2 sobrelasuperficiedelaoblea.Elultimopasodelprocesoeslamentalizacin.Lacapadeoxidose grabaconunacuartamascaraparadescubrir laobleaalldondesedeseen loscontactos. Pararecubrir todala superficiesevaporizaaluminio,cuyossobrantesseeliminanqumicamenteconuna6a mascaradejandolos contactosylasconexionesdeseadas.Enlaseccintransversaldelafigura3.1(g)yenlavistasuperiordela figura 3.1(h) puede verse el resultado de esta secuencia. La figura 3.1(g) es idntica a la figura 3.1(a) para Q1 y Q2. Las dimensiones sealadas en la figura 3.1 son las tpicas empleadas en la fabricacin comercial de BJT de pequeageometra.Alconstruirseambostransistoressimultneamenteyfsicamenteprximos,sus caractersticaselctricassonprcticamenteidnticas.Parafabricartransistoresconpropiedadeselctricas distintas,normalmentesemodificalageometradeldispositivo.EnparticularparaobtenerBJTdemayor corrienteporaumentodeIES,seaumentalasuperficiedelemisor,conloquetodoeldispositivoqueda aumentado.Empricamenteseacostumbraalimitara10:1larelacinentrelassuperficiesdeemisorde transistores muy prximos entre s, y ello debido a las limitaciones del proceso de difusin. En la fabricacin de circuitos integrados comerciales corrientemente se emplea la implantacin de iones en las zonas de emisor y de base.Estasregionessonmuytenuesypuederegularsemejorsuespesormediantelaimplantacin.Adems como la implantacin se realiza a menor temperatura que la difusin se minimiza el inconveniente de la difusin lateral de base y emisor. Figura N 3.1(a) Fabricacin de un TR npn: Crecimiento Epitaxial tipo n y Oxidacin LafabricacindecircuitosintegradosagrandeescalaseexplicaatravsdeunprocedimientoVLSI(porsus siglaseningls)consilicioestndar.Sepresentanlascaractersticasdelosdispositivosdisponiblesen tecnologasdelafabricacinCMOSyBiCMOS,dondeseanalizarnlosaspectosdediseodeloscircuitos integrados que son distintos a los del diseo de circuitos discretos. Por consiguiente, entender las caractersticas deldispositivoesesencialaldisearbuenosVLSIalamedidaocircuitosintegradosparaaplicaciones especficas. Este mtodo considera solo tecnologas que se basan en el silicio; ya que es el material ms popular, gracias a que posee una amplia variedad de compromisos costo desempeo. Desarrollos recientes en tecnologas deSiGeysilicio,sometidoaesfuerzo,reforzarnanmslaposicindelosprocesosdefabricacinquese basan en este elemento en la industria microelectrnica en los aos venideros. El silicio es un elemento abundante que existe naturalmente en forma de arena. Puede ser refinado por medio de tcnicasbienestablecidasdepurificacinycrecimientodecristales.El silicio tambinexhibepropiedades fsicasapropiadasparalafabricacindedispositivosactivosconbuenascaractersticaselctricas,ademses ESCUELA POLITECNICA NACIONAL DISPOSITIVOS ELECTRONICOS INGENIERO CARLOS NOVILLOPgina 22 fcildeoxidarparaformarunexcelenteaislanteSiO2(vidrio).Estexidonativoestilparaconstruir condensadoresyMOSFET.Tambinsirvecomobarreradeproteccincontraladifusindeimpurezas indeseableshaciaelmineraladyacentedesiliciodealtapureza.Estapropiedaddeproteccindeloxidode silicio permite que sus propiedades elctricas sean fciles de modificar en reas predefinidas. Por consiguiente El dixido de silicio es el material que ha sido utilizado para fabricar el dielctrico de puerta del transistor desde hacemsde40aos,debidoasufacilidadparaserprocesadoylacapacidadparaproporcionarmejoras constantes en el rendimiento del transistor, ya que cada vez se ha fabricado ms fino. Intel ha reducido con gran xitoeldielctricodepuertadedixido desilicioamenosde1,2nanmetrosdegrosorloquesignificaun totaldecincocapasatmicasenlosanterioresprocesosdefabricacinde65nmdelacompaa,perola continuareduccinhadadocomoresultadounincrementoenlascorrientesdefugaatravsdeldielctricoo aislante de puerta, lo que ha dado como resultado un calentamiento innecesario y un malgasto de energa. Figura N 3.1(d) Fabricacin de un TR npn: Difusin de la Base contactos y las conexiones deseadas. En la seccin transversal de la figura 3.1(g) y en la vista superior de la figura 3.1(h) puede verse el resultado de esta secuencia. La figura 3.1(g) es idntica a la figura 3.1(a) para Q1 y Q2. Las dimensiones sealadas en la figura 3.1 son las tpicas empleadas en la fabricacin comercial de BJT de pequea geometra. Al construirse ambos transistores simultneamente y fsicamente prximos, sus caractersticas elctricas son prcticamente idnticas. Para fabricar transistores con propiedades elctricas distintas, normalmente se modifica la geometra del dispositivo. En particular para obtener BJT de mayor corriente por aumento de IES, se aumenta la superficie del emisor, con lo que todo el dispositivo queda aumentado. Empricamente se acostumbra a limitar a 10:1 la relacin Figura N 3.1(e) Fabricacin de un TR npn: Vista Superior Despus de la Difusin de Base Estainnovacinentransistorespermitiralacompaacontinuar ofreciendovelocidadesdeprocesamientoasombrosasenservidores, equiposporttilesydesobremesa,mientrassereducenlasprdidasde energaelctricadelostransistores,loquepermitereducireldiseodelchipydelequipoinformtico,su tamao,consumoelctrico,ruidoycostes.Adems,esteanuncioaseguralaLeydeMoore,unaxiomadela industriadealtatecnologaenelqueseplanteaqueelnmerodetransistoresenunchipseduplicacadados aos, algo que toma fuerza para la prxima dcada. LapercepcindeIntelesquehaampliadosuliderazgoenmsdeunaofrentealrestodelmercadode semiconductoresconelanunciodelosprocesadoresde45nanmetrosylaprximageneracindeproductos basada en esta tecnologa de nombre cdigo Penryn. Las primeras versiones, que estarn centradas en cinco segmentosdemercadoinformticodiferentes,estntrabajandoconsistemasoperativoscomoWindows* Vista*, Mac OS X*, Windows* XP y Linux, as como diferentes aplicaciones. La compaa mantiene sus planes de produccin de 45 nanmetros para la segunda mitad de este ao. Los transistores de Intel incorporan el nuevo material dielectrico High-K y un Nuevo metal de puertaInteleselprimero enimplantar unainnovadoracombinacin denuevosmateriales quereducendrsticamente lasfugaseincrementanelrendimientodesutecnologadeprocesamientode45nanmetros.Lacompaa utilizar un nuevo material con una propiedad denominada high-k, para dielctrico de puerta del transistor, y una nueva combinacin de materiales metlicos para el electrodo de puerta del transistor. En estaltimafigura se puede observar que la capadeSiO2 se supone transparentepara que seanvisibles las regiones de base, emisor y colector. Las dimensiones sealadas son las normales en los circuitos integrados CI comerciales modernos. Capa Enterrada La fabricacin del BJT indicada en la figura 3.1 casi siempre se modifica aadiendo un nuevo paso al proceso comoenlafigura3.2. Las dosregiones n+conocidas como capaenterrada,entrelascapas n y p sedepositan ESCUELA POLITECNICA NACIONAL DISPOSITIVOS ELECTRONICOS INGENIERO CARLOS NOVILLOPgina 23 antesdelcrecimientoepitaxial.Recurdesequeconelsmbolon+sedesignaunareginnconmayor concentracin de dopado que otra designada simplemente como de tipo n. Lautilizacindelasregionesn+cumpledosfunciones:(1)mejoralaformacindelacapaepitaxial;(2)la mayor densidad de electrones en la capa n+ reduce la resistencia en serie entre la unin de colector y el terminal del propio colector. base del transistor pnp y los emisores n+ del BJT npn. As vemos que tanto los transistores npn como los pnp se fabrican segn las mismas secuencias del proceso. Todo lo que se necesitan para el pnp son ventanas adicionales en las mascaras. El transistor lateral pnp tiene un valor de F considerablemente menor que el del npn. Esto es debidoaqueelemisordetipopnopuedeinyectarportadoresminoritariosenlabasetiponconlamisma eficaciaquelohaceelemisor tipon+ enlabasetipo pdeunBJT npn.Adems lamayorreadelabaseyel hechodequealgunosdeloshuecosinyectadosmigrenhaciaelsustratohacequedisminuyaelnumerode huecos que llegan al colector. Por tanto los transistores pnp laterales se emplean en circuitos con poca corriente de colector. El transistor pnp vertical se emplea donde se requieran mayores corrientes y potencias. En la figura 3.4 esta representado este dispositivo y en ella se vequetambinpuedefabricarse simultneamenteyconlosmismosprocesos empleadosparalostransistoresnpn.Losdos pasossimultneosson:(1)lafabricacindelas regionespdeemisordeltransistorpnpylas bases de los npn. y (2) la fabricacin de la regin n+ de base del sustrato pnp y los emisores de los transistores npn. Fabricacin del TR pnp Figura N 3.3 Seccin Transversal de un Transistor Lateral pnp Lasresistenciasdecolectorselogranutilizandounpardetransistorespnpenconfiguracindefuentede corriente. Las dos clases de tales transistores mas corrientemente empleados son el pnp lateral y el pnp vertical. En la figura 3.2 puede apreciarse que la base, el colector y la regin aislada forman un transistor pnp parsito. El terminolateralserefierealhechodequelostreselementosestnubicadosenunplanohorizontal contrariamentealplanoverticaldelostransistoresnpn.Anlogamenteundispositivopnpverticalparsitose formaporlabaseyelcolectordeltransistornpnyelsustratodeltipop.Estasobservacionesconducenala fabricacindelostiposdetransistorespnpempleadosencircuitosintegrados.Elpnplateral,cuyaseccin transversaleseldelafigura3.3seformaimplantandolasregionestipopdeemisorydecolectoralmismo tiempoquesefabricanlasbasesdedispositivosnpn.Asimismoseformansimultneamenteelcontacton+ de base del transistor pnp y los emisores n+ del BJT npn. As vemos que tanto los transistores npn como los pnp se fabrican segn las mismas secuencias del proceso. Todo lo que se necesitan para el pnp son ventanas adicionales en las mascaras. El transistor lateral pnp tiene un valor de F considerablemente menor que el del npn. Estoes debidoaqueelemisordetipopnopuedeinyectarportadoresminoritariosenlabasetiponconlamisma eficaciaquelohaceelemisor tipon+ enlabasetipo pdeunBJT npn.Adems lamayorreadelabaseyel hechodequealgunosdeloshuecosinyectadosmigrenhaciaelsustratohacequedisminuyaelnumerode huecos que llegan al colector. Por tanto los transistores pnp laterales se emplean en circuitos con poca corriente de colector. El transistor pnp vertical se emplea donde se requieran mayores corrientes y potencias. En la figura 3.4estarepresentadoestedispositivoyenellasevequetambinpuede fabricarse simultneamenteyconlos mismos procesos empleados para los transistores npn. Los dos pasos simultneos son: (1) la fabricacin de las regionespdeemisor del transistor pnp y las bases de losnpn. y (2) lafabricacin delaregin n+ debasedel sustrato pnp y los emisores de los transistores npn.Elsustratodebeconectarsealatensinmsnegativadelcircuito.Portantountransistorpnpverticalsolose puede utilizar si su colector esta a una tensin negativa fijada. A esta configuracin se le denomina seguidor de emisor y ser comentada mas adelante. ESCUELA POLITECNICA NACIONAL DISPOSITIVOS ELECTRONICOS INGENIERO CARLOS NOVILLOPgina 24 Transistor ParsitoCuando se usa el transistor bsico como diodo aparece un transistor parsito cuyo colector es el sustrato, la capa epitaxial es la base y la base tipo p es el emisor. En la figura 3.5(a) se muestra el circuito equivalente de este transistor parsito. Aunque su estructura hace que sea un dispositivo muy ineficaz. Figura N 3.4 Seccin Transversal de un Transistor Vertical Sustrato pnp Figura N 3.5 (a)Circuitos Equivalente y Estructura de un Transistor pnp Parsito; con herramientas CAD. 5. Mediante procesos de atacado algunas zonas de la resina son eliminadas y otras permanecen. 6. Se vuelve a atacar, esta vez el nitruro. Este paso se poda haber hecho junto al anterior. 7. Implantacin inica a travs del xido. 8. Se crean las zonas que aislarn el dispositivo de otros que pueda haber cerca (zonas azules). 9. Se crece ms xido, con lo que ste empuja las zonas creadas antes hacia el interior de la oblea para conseguir un mejor aislamiento. 10. Eliminacin del nitruro y parte del xido. 11. Se hace crecer una fina capa de xido de alta calidad que servir de xido de puerta al transistor. 12. Deposicin de una capa de polisilicio (capa verde oscuro) mediante procesos fotolitogrficos anlogos a los vistos en los puntos 1 al 5. Este polisilicio ser el contacto de puerta del transistor. 13. Atacado del xido para crear ventanas donde se crearn las zonas del drenador y surtidor. El polisilicio anterior servir de mscara al xido de puerta para no ser eliminado. 14. Implantacin inica con dopantes que sirven para definir el drenador y el surtidor. El polisilicio vuelve a hacer de mscara para proteger la zona del canal. 15. Vemos en verde claro las zonas de drenador y surtidor. 16. Se deposita una capa de aislante (zona gris). 17. Mediante procesos fotolitogrficos como los vistos antes se ataca parte del xido. 18. Se deposita una capa metlica que servir para conectar el dispositivo a otros. 19. Se ataca de la forma ya conocida el metal (capa azul oscuro) para dejar nicamente los contactos. El contacto de puerta no se muestra en la figura porque es posterior al plano que se muestra. Sin embargo, la corrientetotal a travs de la base, y que es registrada como corriente de colector, est limitada a VCC/RC. Esta limitacin de corriente, a pesar del aumento de polarizacin de base, se establece en virtud que ensaturacinlajunturadecolectorestdirectamentepolarizada.Enconsecuenciahayunainyeccinde electrones, que podemos llamar inversa, desde el colector hacia la base, que corresponde a la grfica inversa (I) en la figura 19c. (b) Capacitor tipo Juntura Tiempo de conmutacin de Transistores Bipolares En asignaturas anteriores, se han definido las caractersticas estticas de los estados de conduccin y corte de los transistoresbipolares.Paraaplicacionesdepotencia,esindispensableelperfectoconocimientodelas caractersticas dinmicas de las transiciones tanto de conduccin a corte como a la inversa. El objetivo de esta seccin es definir todos los tiempos involucrados en la conmutacin de transistores bipolares depotencia,determinarlosparmetrosdelosquedependenparapoderasoptimizarlos,yfinalmenteextraer conclusiones sobre las ventajas y desventajas de su utilizacin en aplicaciones de potencia. Definicin de los Tiempos de Conmutacin VitV2V1ViVccRBRCESCUELA POLITECNICA NACIONAL DISPOSITIVOS ELECTRONICOS INGENIERO CARLOS NOVILLOPgina 25 Elcircuitodelafigura17representauntransistorenconfiguracinemisorcomnqueseutilizacomollave mediante la aplicacin de la excitacin Vi. Sealqueconmutaentrelosniveles detensinV2yV1,provocando respectivamenteelcorteylasaturaci