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Conducción subumbral

Fuga de subumbral en un nFET

La corriente de conducción subumbral o fuga subumbral o corriente de drenaje subumbral es la corriente entre la fuente y el drenaje de un MOSFET cuando el transistor está en la región subumbral, o región de inversión débil , es decir, para voltajes de compuerta a fuente por debajo del voltaje umbral . [1]

La cantidad de conducción subumbral en un transistor está determinada por su voltaje umbral , que es el voltaje de compuerta mínimo requerido para cambiar el dispositivo entre estados encendido y apagado . Sin embargo, como la corriente de drenaje en un dispositivo MOS varía exponencialmente con el voltaje de compuerta, la conducción no se vuelve inmediatamente cero cuando se alcanza el voltaje umbral. Más bien, continúa mostrando un comportamiento exponencial con respecto al voltaje de compuerta subumbral. Cuando se grafica contra el voltaje de compuerta aplicado, esta corriente de drenaje subumbral exhibe una pendiente logarítmica lineal , que se define como la pendiente subumbral . La pendiente subumbral se utiliza como una figura de mérito para la eficiencia de conmutación de un transistor. [2]

En los circuitos digitales, la conducción por debajo del umbral se considera generalmente como una fuga parásita en un estado en el que, idealmente, no habría conducción. En los circuitos analógicos de micropotencia , por otro lado, la inversión débil es una región operativa eficiente y el subumbral es un modo transistor útil en torno al cual se diseñan las funciones del circuito. [3]

Históricamente, en los circuitos CMOS, el voltaje de umbral ha sido insignificante en comparación con el rango completo de voltaje de compuerta entre los voltajes de tierra y de suministro, lo que permitió voltajes de compuerta significativamente por debajo del umbral en el estado apagado . A medida que los voltajes de compuerta se redujeron con el tamaño del transistor , el espacio para que el voltaje de compuerta oscilara por debajo del voltaje de umbral se redujo drásticamente, y la conducción subumbral se convirtió en una parte significativa de la fuga en estado apagado de un transistor. [4] [5] Para una generación de tecnología con voltaje umbral de 0,2 V, la conducción subumbral, junto con otros modos de fuga, puede representar el 50% del consumo total de energía. [6] [7]

Electrónica de subumbral

Algunos dispositivos aprovechan la conducción por debajo del umbral para procesar datos sin encenderse o apagarse por completo. Incluso en los transistores estándar se produce una pequeña fuga de corriente incluso cuando están técnicamente apagados. Algunos dispositivos por debajo del umbral han podido funcionar con entre el 1 y el 0,1 por ciento de la potencia de los chips estándar. [8]

Estas operaciones de menor potencia permiten que algunos dispositivos funcionen con las pequeñas cantidades de energía que se pueden recuperar sin una fuente de alimentación adjunta, como un monitor de ECG portátil que puede funcionar completamente con el calor corporal. [8]

Véase también

Referencias

  1. ^ Tsividis, Yannis (1999). Operación y modelado del transistor MOS (2 ed.). Nueva York: McGraw-Hill . pag. 99.ISBN​ 0-07-065523-5.
  2. ^ Física de dispositivos semiconductores , SM Sze. Nueva York: Wiley, 3.ª ed., con Kwok K. Ng, 2007, capítulo 6.2.4, pág. 315, ISBN 978-0-471-14323-9 . 
  3. ^ Vittoz, Eric A. (1996). "Los fundamentos del diseño analógico de micropotencia". En Toumazou, Chris; Battersby, Nicholas C.; Porta, Sonia (eds.). Tutoriales de circuitos y sistemas . John Wiley and Sons . págs. 365–372. ISBN 978-0-7803-1170-1.
  4. ^ Soudris, Dimitrios; Piguet, Christian; Goutis, Costas, eds. (2002). Diseño de circuitos CMOS para bajo consumo. Springer. ISBN 1-4020-7234-1.
  5. ^ Reynders, Nele; Dehaene, Wim (2015). Escrito en Heverlee, Bélgica. Diseño de circuitos digitales energéticamente eficientes a voltaje ultrabajo . Circuitos analógicos y procesamiento de señales (ACSP) (1.ª ed.). Cham, Suiza: Springer International Publishing AG Suiza . doi :10.1007/978-3-319-16136-5. ISBN. 978-3-319-16135-8. ISSN  1872-082X. LCCN  2015935431.
  6. ^ Roy, Kaushik; Yeo, Kiat Seng (2004). Subsistemas VLSI de bajo voltaje y bajo consumo. McGraw-Hill Professional . Fig. 2.1, pág. 44. ISBN 0-07-143786-X.
  7. ^ l-Hashimi, Bashir M. A, ed. (2006). Sistema en un chip: electrónica de próxima generación. Institución de Ingeniería y Tecnología. p. 429. ISBN 0-86341-552-0.
  8. ^ ab Jacobs, Suzanne (30 de julio de 2014). "Un chip sensor sin batería para la Internet de las cosas" . Consultado el 1 de mayo de 2018 .

Lectura adicional