En esta ocasión aprenderemos cómo hacer el plano de layout de un transistor.
Introducción
Recordemos que el símbolo simplificado del transistor MOSFET, tiene 3 terminales, tal como se muestra en las siguientes figuras: |
| Diagrama simplificado, de 3 terminales, del transistor MOSFET de canal N. |
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| Diagrama simplificado, de 3 terminales, del transistor MOSFET de canal P. |
Estas 3 terminales son: Drain (D), Gate (G) y Source (S). Para representar esta estructura en un layout, se necesitarán 3 capas distintas: Active, Select y Poly.
Transistor MOSFET de canal N
Empezaremos analizando el transistor MOSFET de canal N y, posteriormente, veremos sus analogías con el transistor de canal P.
Zonas de Difusión
Empezando por las terminales de source (S) y drain (D), se necesitará que se forme un material conocido como difusión. Para el caso del transistor MOSFET de canal N (o simplemente NMOS), esta es una región de la oblea, dopada para obtener un material n+ (material con alta concentración de donadores). Esta región se identifica en el plano mediante la intersección de las capas Active y Select, tal como se muestra en la siguiente figura:
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| La intersección de las capas SELECT y ACTIVE forma la capa de difusión, que constituye las terminales de Source y Drain de los transistores. |
Para el caso del transistor NMOS, el select en cuestión será N Select, ya que queremos que la región de difusión se contamine con material n+ .La capa de Select, deberá ser, siempre, más grande que la capa de Active, para asegurar que todo el Active se transforme en Difusión, aún cuando existan errores de posicionado en alguna de las capas al momento de la fabricación. Es decir, el Select deberá tener un margen dentro del cual el Active pueda quedar desplazado. Este margen será de 2λ. Tal como se muestra en la siguiente figura:
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| La capa de SELECT debe ser, siempre, 2λ más grande que la capa de ACTIVE. |
Compuerta y Canal
La compuerta (gate) del transistor, se forma físicamente con una película de silicio policristalino, que se representa con la capa Poly. Debajo de esta capa existe el óxido de compuerta, que se forma con dióxido de Silicio (SiO2) que se forma mediante crecimiento térmico. El óxido no se dibuja, ya que se localiza bajo la compuerta.
El canal es la región donde el Poly y la Difusión se traslapan. La longitud (L) del canal es el ancho horizontal de la intersección del Poly y la Difusión. El ancho del canal (W) es la altura vertical de la intersección del Poly con la Difusión, tal como se muestra en la siguiente figura:
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| Formación del canal del transistor NMOS, al traslapar DIFUSIÓN y POLY. El ancho del canal lo determina la altura de la DIFUSIÓN y el ancho del canal lo determina el ancho del POLY. |
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| Estructura final de un transistor MOSFET de canal N, con sus regiones de Drain, Source y Gate. |
Ejemplo
Supongamos que deseamos dibujar el plano de un transistor NMOS que tenga dimensiones de canal:
L=2λ
W=10λ.
Como dijimos que W está determinado por la altura de la difusión, que se forma con el Active, entonces este deberá tener una altura de 10λ y un ancho de, al menos, 11λ (esta dimensión se justificará más adelante cuando veamos los conectores a metal).
Para la L del canal, como dijimos, la define el ancho del Poly, así que el ancho de nuestra capa de Poly deberá ser de 2λ. Como el Poly debe sobresalir, al menos, 2λ por encima y debajo del Active, entonces su altura total será la del Active+2λ (arriba)+2λ (abajo)= Altura Active +4λ, dando una altura total de 14λ.
Finalmente, el N Select deberá tener un alto total, igual al del Active+2λ (arriba)+2λ (abajo)= Altura Active +4λ, que podemos ver que es la altura mínima del Poly. Y el ancho del N Select será igual al del Active+2λ (izquierda)+2λ (derecha)= Ancho Active +4λ.
El resultado es semejante al de la siguiente figura:
Transistor MOSFET de canal P
L=2λ
W=10λ.
Como dijimos que W está determinado por la altura de la difusión, que se forma con el Active, entonces este deberá tener una altura de 10λ y un ancho de, al menos, 11λ (esta dimensión se justificará más adelante cuando veamos los conectores a metal).
Para la L del canal, como dijimos, la define el ancho del Poly, así que el ancho de nuestra capa de Poly deberá ser de 2λ. Como el Poly debe sobresalir, al menos, 2λ por encima y debajo del Active, entonces su altura total será la del Active+2λ (arriba)+2λ (abajo)= Altura Active +4λ, dando una altura total de 14λ.
Finalmente, el N Select deberá tener un alto total, igual al del Active+2λ (arriba)+2λ (abajo)= Altura Active +4λ, que podemos ver que es la altura mínima del Poly. Y el ancho del N Select será igual al del Active+2λ (izquierda)+2λ (derecha)= Ancho Active +4λ.
El resultado es semejante al de la siguiente figura:
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| Layout de un transistor NMOS, con un canal de 10 lambda de alto por 2 de ancho. |
Transistor MOSFET de canal P
La diferencia en el dibujo de plano de layout entre un transistor NMOS y un PMOS, es el tipo de Select y que el transistor PMOS debe estar situado dentro de una capa, que se conoce como NWELL,
que es un pozo de material tipo n+.
Para el transistor PMOS se usará la capa de P Select en lugar de N Select, que tiene las mismas reglas de diseño que la capa de N Select. Es decir que debe sobresalir del Active, al menos 2λ por cada lado, tal como se muestra en la siguiente figura:
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| Transistor MOSFET de canal P, rodeado de una capa de P Select. |
La diferencia final entre los transistores de canal N y P, como ya se mencionó, es que el PMOS está rodeado de una capa adicional de NWELL, que debe ser, al menos, 6λ más grande que la capa de P Select, en todas direcciones, tal como se muestra en la figura a continuación:
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| Transistor PMOS, rodeado de una capa de NWELL. |
