2017 1 Eletrônica MOS 1 Estrutura e Operação

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ELETRÔNICA ANALÓGICA:

MOSFET – Estrutura do Dispositivo e Operação Física

Notas de Aula – Engenharia de Controle e Automação

Prof. Thiago Morais Parreiras Referência:

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CONTEÚDO

• Transistor de Efeito de Campo (FET) tipo metal-óxido-semicondutor (MOS):

MOSFET

• Estrutura do dispositivo e operação

• Características de Tensão e Corrente

• MOSFET em Circuitos c.c.

• Aplicação em projeto de amplificadores

• Modelo e operação para pequenos sinais

• Configurações básicas de amplificadores

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MOSFET: INTRODUÇÃO

• Os dois principais dispositivos semicondutores de três terminais são o TBJ (já estudado) e o MOSFET;

• Embora cada um deles ofereça características e áreas de aplicação únicas, o MOSFET se tornou o dispositivo

eletrônico mais amplamente utilizado, em especial em circuitos integrados (CIs);

• Comparado ao TBJ, o MOSFET pode ser bem menor e possui um processo de manufatura simples. Além de consumir

pouca energia na operação;

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MOSFET: ESTRUTURA DO DISPOSITIVO

• O MOSFET do tipo enriquecimento é o tipo de transistor de efeito de campo mais utilizado.

• A camada dióxido de Silício (SiO₂), um

excelente isolante, tem espessura típica de 1 a 10 nm.

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• O MOSFET também é conhecido como

IGFET (insulated-gate FET);

• A isolação do terminal de porta (G) faz com que o consumo de corrente seja muito baixo (da ordem de 10-15 _A);

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• 2 junções pn;

• Em operação normal, ambas as junções são reversamente

polarizadas;

• A corrente irá fluir na região do canal, a de largura L e

profundidade W;

• Dispositivo simétrico!

Típico:

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MOSFET: OPERAÇÃO SEM TENSÃO DE PORTA

• 2 diodos em oposição são formados pela

estrutura do dispositivo;

• Eles previnem a

circulação de corrente do dreno para a fonte quando uma tensão v_DS é aplicada;

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MOSFET: CRIANDO UM CANAL DE CIRCULAÇÃO DE CORRENTE

1.Inicialmente, a tensão positiva na porta repele as lacunas da região do

substrato sob a porta; 2.Essas lacunas deixam para trás uma região

depletada de portadores; 3.Essa região de depleção fica repleta de ligações

covalentes de cargas

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4. A tensão positiva de porta também atrai

elétrons livres das regiões n+ _{para dentro do canal;}

5. Quando um número

suficiente de elétrons livres se acumulam próximo a

superfície do substrato sob a porta, uma região

induzida do tipo n é criado

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6. Agora, se uma tensão é aplicada entre o dreno e a fonte, a corrente flui

através dessa região

induzida, carregada pelos

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• Essa região induzida do tipo n constitui, portanto, um canal

para circulação de corrente entre dreno e fonte;

• Por isso, o MOSFET estudado é chamado de MOSFET canal n

ou transistor NMOS;

• Um MOSFET canal n é formado em um substrato do tipo p;

• O canal é criado pela inversão da superfície do substrato do tipo p para o tipo n: o canal induzido é chamado também de

camada de inversão.

• V_t = tensão de limiar é o valor de v_GS para o qual um número suficiente de elétrons móveis se acumulam no canal.

𝑽_𝒕 ≠ 𝑽_𝑻

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• A porta e o corpo do MOSFET formam um capacitor de placas paralelas;

• O eletrodo da porta acumula cargas positivas;

• A carga positiva é formada pelos elétrons no canal;

• Um campo elétrico aparece na direção vertical e controla a

quantidade de cargas no canal;

• Logo ele determina a

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• Tensão através do capacitor de placas paralelas deve

exceder V_t;

• Quando v_DS é nula a tensão em cada ponto ao longo do canal é nula, e a tensão

através do óxido é uniforme e igual a v_GS;

• O excesso de v_GS em relação a V_t é denominado tensão efetiva (v_OV) e determina a

carga no canal. 𝒗_𝑮𝑺 − 𝑽_𝒕 ≡ 𝒗_𝑶𝑽

𝑄 = 𝐶_𝑂𝑋 ∙ 𝑊 ∙ 𝐿 ∙ 𝑣_𝑂𝑉

- Amplitude da carga no canal:

Capacitância do óxido

𝐶_𝑂𝑋 = 𝜖_𝑡𝑂𝑋

𝑂𝑋 [𝐹/𝑚 2_]

Permissividade do óxido

Espessura do óxido 𝜖_𝑂𝑋 = 3,9 ∙ 𝜖₀

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MOSFET: APLICANDO UM PEQUENO VALOR DE v_DS

• A tensão v_DS promove a circulação de corrente entre dreno e fonte;

• Como v_DS é pequeno, podemos continuar a assumir que a tensão entre a porta e cada

ponto ao longo do canal é aproximadamente

constante e igual a v_GS. 𝑣𝐷𝑆~50 𝑚𝑉

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𝑄 = 𝐶_𝑂𝑋 ∙ 𝑊 ∙ 𝐿 ∙ 𝑣_𝑂𝑉 𝑄

𝐿 = 𝐶𝑂𝑋 ∙ 𝑊 ∙ 𝑣𝑂𝑉

Campo Elétrico através do comprimento do canal:

𝑣_𝑛 = 𝜇_𝑛 ∙ 𝐸 = 𝜇_𝑛 ∙ 𝑣_𝐿𝐷𝑆

O qual faz com que os elétrons do canal se movam por deriva

em direção ao dreno.

Velocidade de deriva dos elétrons:

𝐸 = 𝑣_𝐿𝐷𝑆

Mobilidade dos elétrons na superfície do canal: parâmetro físico que depende da tecnologia

do processo de fabricação.

𝑖_𝐷 = 𝑣_𝑛 ∙ 𝑄_𝐿

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Condutância do canal:

𝑖_𝐷 = 𝜇_𝑛 ∙ 𝐶_𝑂𝑋 ∙ 𝑊_{𝐿 ∙ 𝑣}_𝑂𝑉 ∙ 𝑣_𝐷𝑆

𝑔_𝐷𝑆 = 𝑘_𝑛′ ∙ 𝑊_{𝐿 ∙ 𝑣}_𝑂𝑉 = 𝑘_𝑛 ∙ 𝑣_𝑂𝑉 [𝑆]

- Transcondutância de processo (k’_n): é

determinado pelo processo utilizado na fabricação do MOSFET;

- Transcondutância do MOSFET (k_n): depende também da razão W/L, a qual é escolhida pelo

projetista do dispositivo para dar a desejada característica de tensão por corrente.

𝑘_𝑛′ = 𝜇_𝑛 ∙ 𝐶_𝑂𝑋

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𝑟_𝐷𝑆 = _𝑔1

𝐷𝑆

= 1

𝜇_𝑛 ∙ 𝐶_𝑂𝑋 ∙ 𝑊_{𝐿 ∙ 𝑣}_𝑂𝑉 [Ω]

𝑣_𝐺𝑆 − 𝑉_𝑡 ≡ 𝑣_𝑂𝑉

Para pequenos valores de v_DS o MOSFET se comporta

como um resistor linear.

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MOSFET: OPERAÇÃO COM O AUMENTO DE v_DS

• A tensão v_DS aparece como

uma queda de tensão

através do comprimento do canal;

• Na região da fonte:

• Na região do dreno:

𝑣_𝐺𝑆 > 𝑉_𝑡

𝑣_𝐺𝑆 = 𝑉_𝑡 + 𝑣_𝑂𝑉

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• Como a profundidade do canal depende da tensão entre esse e a porta e essa agora não é uniforme,

também não é a

profundidade do canal.

• À medida que v_DS aumenta, o canal se torna mais

estreito e sua resistência também aumenta.

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Quase uma linha reta com inclinação

proporcional a v_OV.

Curva entorta porque a resistência do canal

aumenta com v_DS.

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• A carga no canal mais

estreito é proporcional a área de seção transversal do canal, a qual é

proporcional a:

1

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Se torna:

𝑖_𝐷 = 𝑘_𝑛′ ∙ 𝑊_{𝐿 ∙ 𝑣}_𝑂𝑉 ∙ 𝑣_𝐷𝑆

𝑖_𝐷 = 𝑘_𝑛′ ∙ 𝑊_{𝐿 ∙ 𝑉}_𝑂𝑉 − 1_{2 ∙ 𝑣}_𝐷𝑆 ∙ 𝑣_𝐷𝑆

𝑖_𝐷 = 𝑘_𝑛′ ∙ 𝑊_{𝐿 ∙ 𝑉}_𝑂𝑉 ∙ 𝑣_𝐷𝑆 − 1_{2 ∙ 𝑣}_𝐷𝑆2

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MOSFET: ESTRANGULAMENTO DE CANAL E SATURAÇÃO DE CORRENTE

Se , temos:

- Canal estrangulado no dreno;

- Aumento adicional de v_DS não tem efeito no perfil do canal nem na carga;

- A corrente permanece

constante

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MOSFET: ESTRANGULAMENTO DE CANAL E SATURAÇÃO DE CORRENTE

Se , temos:

Estamos então na região de saturação!

𝑣_𝐷𝑆 = 𝑉_𝑂𝑉

𝑖_𝐷 = 𝑘_𝑛′ ∙ 𝑊_{𝐿 ∙ 𝑉}_𝑂𝑉 ∙ 𝑣_𝐷𝑆 − 1_{2 ∙ 𝑣}_𝐷𝑆2

𝑖_𝐷 = 1_{2 ∙ 𝑘}_𝑛′ ∙ 𝑊_{𝐿 ∙ 𝑣}_𝑂𝑉2

Cuidado: Saturação no MOSFET significa algo

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Quase uma linha reta com inclinação

proporcional a v_OV.

Curva entorta porque a resistência do canal

aumenta com v_DS. _{A corrente satura porque}

o canal estrangula no final do dreno e v_DS não mais afeta o canal.

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MOSFET: MOSFET CANAL P

PMOS

𝑣_𝐺𝑆 ≤ 𝑉_𝑡𝑝

𝑣_𝐺𝑆 ≥ 𝑉_𝑡𝑝

𝑘_𝑝′ = 𝜇_𝑝 ∙ 𝐶_𝑂𝑋

𝑘_𝑝 = 𝑘_𝑝′ ∙ 𝑊_𝐿

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MOSFET: MOS COMPLEMENTAR OU CMOS