TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO DE PORTA ISOLADA

(1)

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 1 1

DELET - EE - UFRGS Circuitos Eletrônicos I

ENG 04077

- MOSFET -

Prof. Dr. Hamilton Klimach

Dispositivos Eletrônicos Elementares

ATIVOS (amplificação)

PASSIVOS (relação IxV)

Transistor de Junção Bipolar

BJT

Transistor de Efeito de Campo

FET

NPN PNP

de Junção JFET

de Porta Isolada MOSFET

Canal N Canal P

Lineares

Não-Lineares

Não-reativo: R Reativos: L, C Diodos Termistores Varistores DISPOSITIVOS

ELETRÔNICOS

(2)

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 3

Capacitor MOS

• Capacitor usual

• metal-isolante-metal

metal

metal isolante

metal

semicondutor dopado óxido

• Capacitor MOS

• metal-óxido-semicondutor

Capacitor MOS polarizado

• Capacitor usual

• metal-isolante-metal

• E : campo elétrico

• Capacitor MOS

• metal-óxido-semicondutor

• E : campo elétrico

metal

metal isolante Vc

E

metal

óxido Vc

semicondutor dopado - p E

(3)

Capacitor MOS polarizado

• Capacitor usual

• metal-isolante-metal

• E : campo elétrico

• C = Qt/Vc

• Capacitor MOS

• metal-óxido-semicondutor

• E : campo elétrico

• Ceq= Qt/Vc = (Qi+Qd)/Vc

metal

metal isolante Vc

+ + + + + + + + + + + + + + +

– – – – – – – – – – – – – – – +Qt

–Qt E

metal

óxido Vc

+ + + + + + + + + + + + + + + +Qt

semicondutor dopado - p – – – – – – – – – – – – – – – –Qi –Ө –Ө –Ө –Ө –Ө –Ө –Ө –Qd

E

região depletada

Capacitor MOS polarizado

• Campo elétrico E no semicondutor:

– afasta cargas livres positivas (lacunas) – atrai cargas livres negativas (elétrons)

• Cada lacuna afastada deixa para trás um átomo dopante com carga negativa a descoberto (carga fixa, que não se move). O total de cargas fixas a descoberto resulta na carga de depleção ‘Qd’

• Mesmo o semicondutor estando dopado P, com excesso de lacunas livres, existem elétrons livres gerados termicamente pelo rompimento das ligações covalentes do Si. O total de elétrons livres atraídos resulta na carga de inversão ‘Qi’

• Ceq= Qt/Vc = (Qi+Qd)/Vc

metal

óxido Vc

+ + + + + + + + + + + + + + + +Qt

semicondutor dopado - p – – – – – – – – – – – – – – – –Qi –Ө –Ө –Ө –Ө –Ө –Ө –Ө –Qd

E

região depletada

• Concentração de dopantes: 10

¹⁵

~10

¹⁸

at/cm

³

• Concentração de portadores térmicos:

cerca de 10

¹⁰

elétrons-lacunas/cm

³

@

(4)

Tipicamente:

• L = 0,065 até 10 mm,

• W = 0,1 atéo 100 mm

• Espessura da camada de óxido (t

_ox

) é na faixa de 2 a 50 nm.

MOSFET: estrutura física

• NMOS → substrato tipo P

• Dispositivo simétrico

• Dispositivo de 4 terminais

– Porta, Dreno, Fonte e Substrato (gate, drain, source e Bulk)

MOSFET: estrutura física

(5)

MOSFET: estrutura física

MOSFET: Finfet

(6)

MOSFET: Finfet

TERMINAIS G: porta (gate) S: fonte (source) D: dreno (drain) B: substrato (bulk)

Simbologia e terminais do MOSFET

Símbolos NMOS

Símbolos PMOS

(7)

•as regiões de dreno e fonte (tipo N) formam junções (diodos) com a região de substrato (tipo P)

•envolvendo cada uma das junções surgem zonas de depleção (elétrons livres da região N atravessam a interface e preenchem as lacunas livres da região P, fazendo com que não sobrem cargas livres nessa região)

•como a concentração de dopantes das regiões de dreno e fonte é muito maior que a do substrato, a região de depleção para dentro de dreno e fonte é muito pequena

Sem potenciais aplicados (V

GS

= 0)

Funcionamento

•o potencial V

_GS

aplicado entre porta e substrato atrai elétrons livres e afasta lacunas livres da interface óxido-substrato: surge uma região de depleção entre a interface e o substrato, ligando as regiões de depleção das junções

Pequeno potencial aplicado (V

GS

< V

t

)

Funcionamento - depleção

(8)

•se o potencial V

GS

aumentar, a concentração de elétrons livres aumenta na interface óx-subs

•quando a concentração de elétrons livres for maior que a de lacunas fixas (dopantes) ocorre a condição de INVERSÃO

•em inversão há o surgimento de um

“canal” de material tipo N induzido entre dreno e fonte

•o valor de V

_GS

em que ocorre a inversão é chamado de potencial de threshold (V

t

)

Aumento do potencial aplicado (V

GS

> V

t

): condição de inversão

Funcionamento - inversão

portadores i

canal canal

volume Q m

  1 

• v

GS

> V

_t

• v

DS

pequeno (v

_DS

< v

_GS

– V

t’

)

• Dispositivo funciona como um resistor controlado por v

_GS

• A condutância do canal é proporcional a v

_GS

– V

t’

• A corrente i

D

é proporcional a (v

_GS

– V

t

) v

_DS

Operação do Canal Induzido na Região Ôhmica

Funcionamento – região ôhmica

portadores i

canal canal

volume Q m

  1 

(9)

Região ôhmica – i _D x v _DS

Resistor linear controlado por v_GS

Condição: v_DS deve ser mantido pequeno (v_DS<< v_GS – V_t )

• Aumentando v

_DS

:o nível de inversão varia ao longo do canal, como resultado da diferença de potencial entre a posição no canal e o terminal de porta

• O canal assume uma forma gradual.

• A resistência do canal aumenta com o aumento de v

DS

.

•o comportamento i

_D

x v

DS

passa a ser não-linear

(v

GS

é mantido constante em um valor tal que v

GS

– v

DS

> V

t

))

Dependência de R

_canal

em V

_DS

Região ôhmica – canal gradual

(10)

Dependência de R

_canal

em V

_DS

Região ôhmica – canal gradual

Saturação do canal:

• Redução da condutividade local em função de v

_DS

• Quando v

_DS

= v

_GS

– V

_t

, o canal “descola-se” do dreno (pinch- off)

• Aumento v

_DS

acima de v

_GS

– V

_t

tem pouco efeito na forma do canal (corrente passa a ser independente de v

_GS

)

Saturação do canal

(11)

Curva completa i

_D

x v

_DS

: saturação do canal

Saturação - i _D x v _DS

v

GS

> V

t

CMOS: implementação de transistores NMOS e PMOS em um mesmo substrato através da

implementação de um “poço”

Tecnologia Complementary-MOS

(12)

MOSFET Modelos

23

ENG04077 – Eletrônica I

k’n (W/L) = 1.0 mA/V².

NMOS: curva completa i

_D

x v

_DS

Modelo Analítico Simples

  _ ^

   



^' ²

2 1

DS DS t GS n

D

V V V V

L k W I

t GS

DS

V V

V  

Triodo:

 

²

'

2 1

t GS n

D

V V

L k W

I  

t GS

DS

V V

V  

Saturação:

ox n

n

C

k

^'

 m

(13)

Vt = 1 V, k’_n W/L = 1.0 mA/V²

NMOS: curva i

_D

x v

_GS

em saturação

NMOS em Saturação

 

²

'

2 1

t GS n

D

V V

L k W

I  

t GS

DS

V V

V  

Saturação:

Transistor NMOS

Modelo para grandes sinais em saturação

Modelo para Grandes Sinais

(14)

Transistor NMOS

Níveis relativos de tensão entre os terminais

Tensões nos Terminais

Aumentando v

DS

além de v

DSsat

causa o distanciamento do ponto de pinch-off em relação ao dreno, reduzindo o comprimento efetivo do canal por ΔL.→ pequena variação de i

_D

com v

DS

.

Efeito de modulação do comprimento efetivo do canal em função de v _DS , em saturação

Condutância de Saída

(15)

• O parâmetro VA depende da tecnologia de processo.

• VA é proporcional ao comprimento do canal L.

• Quanto maior o L maior a impedância de saída.

V_A: tensão de Early

DQ DQ

A

o I I

r V



 1



Dependência de i

_D

com v

_DS

: o efeito Early

Condutância de Saída

NMOS: modelo para grandes sinais em saturação, incluindo o efeito Early

Condutância de Saída

(16)

PMOS: símbolos e polarização

Transistor PMOS

PMOS: níveis relativos de tensão entre os terminais

Transistor PMOS

(17)

Resumo

NMOS

PMOS

MOSFET

Circuitos Digitais

ENG04077 – Eletrônica I

(18)

Lógica CMOS – modelo

+ VGS

_

+ VSG

_

Lógica CMOS – estrutura

(19)

Lógica CMOS – inversor CMOS

Nível lógico “1” na entrada Nível lógico “0” na entrada

Tensão intermediária na entrada

PMOS – ON NMOS – OFF

PMOS – OFF NMOS – ON

Lógica CMOS – portas NAND e NOR

NAND

NOR

(20)

Lógica CMOS – função qualquer

Função Qualquer

 

S Y

B A C

S







S



Lógica CMOS – ‘ou’ exclusivo XOR

(21)

MOSFET Polarização

41

ENG04077 – Eletrônica I

Modelos Grandes Sinais

NMOS

PMOS

(22)

SS D S

GS

R I V

V  

 

²

'

2 1

t GS n

D

V V

L k W

I  

ox n

n

C

k

^'

 m

t GS

DS

V V

V  

  _ ^

   



^' ²

2 1

DS DS

t GS n

D

V V V V

L k W I

t GS

DS

V V

V  



D S



D

SS DD

DS

V V R R I

V    

Região de Saturação:

Região de Triodo:

SS D S

GS

R I V

V  

Polarização

t GS

OVD

V V

V  

Tensão de Overdrive

 

²

'

2 1

t GS n

D

V V

L k W

I  

Região de Saturação:

GS DS

V

V  V

_DS

 V

_GS

 V

_t

DD D

GS

RI V

V  

Autopolarização

O transistor está sempre em

Saturação!

(23)

1

2 GS

GS

V

V  I

_D₂

 I

_D₁

Desde que ambos estejam saturados!

Espelho de corrente

Necessita transistores IDÊNTICOS!!!

A corrente de dreno de Q2 é resultado da corrente de dreno de Q1.

Espelho de corrente

Q 1 e Q 4 autopolarizados:

Espelho de corrente:

 

REF

REF D

DD D GS

tp GS p

D

I I I I I

I I V

RI V

V L V

k W I



 

 











5 4 3 2

1 1

1 2 1

1 ' 1

1 2

1

(24)

DD

GS

V

V 

D D DD

DS

V R I

V  

  _ ^

   



^' ²

2 1

DS DS

t GS n

D

V V V V

L k W I

t GS

DS

V V

V  

Região de Triodo:

V V

_DS

 0 , 1

Supondo: 1 ;

^'

1 mA / V

²

L

k W V

V

_t



_n



DD GS

V V 

Polarização na região de triodo

Dados:

Calcular I

_D

e R

_{D .}

Estime r

_ds

.

Estabilidade de ponto Q

 

²

'

2 1

t GS n

D

V V

L k W

I  

(V

T1

; k

n1

)

(V

T2

; k

n2

)

(25)

Estabilidade de ponto Q

DD G G

G G

GS

V

R R V R V

2 1

2

 



ΔI

_D

Estabilidade de ponto Q

GS G D D S G GS

DD G G

G G

R V I V

I R V V

R V R V R

 







 

2 1

2

(26)

Estabilidade de ponto Q

Polarização do PMOS

Projetar o circuito para:

Saturação I D = 0,5 mA V D = 3V

Considerando:

Vt = -1V

Kp´(W/L) = 1 mA/V

²

(27)

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I

Polarização de MOSFETs

t D

GS V

W k

I

V L 

 

2 2 2

2  ₁  ²

1 ' 1

2 1

t GS n

D V V

L k W

I  

t GS

DS

V V

V  

2

1 DD GS

DS

O

V V V

v   

Região de Saturação:

Polarização de MOSFETs

 



2



²

' 2 2

2

2 1 '

1 1

1

2 2 1

2 2

t GS n

D t GS n

D R D DD

R D D

V V k

I L

W

V V k

I L

W

I V V R

I I I

 





Divisão de tensão:

(28)

Polarização de MOSFETs

 



₃



²

' 3 3

3

2 2 '

2 2

2

2 1 '

1 1

1

3 2 1

2 2 2

t GS n

D t GS n

D

GS GS GS DD

D D D

V V k

I L

W

V V k

I L

W

V V k

I L

W

V V V V

I I I

 





Divisão de tensão:

Polarização de MOSFETs

 

4 2

2 2 '

2 2

2 4 1

2 1 '

1 1

1 2 1

2 2

V V V

V V k

I L

W V V

V V k

I L

W I I

DD SG

tp GS p

D GS

tn GS n

D D D





 



 



Divisão de tensão:

(29)

Polarização de MOSFETs

EXERCÍCIOS

Polarização de MOSFETs

EXERCÍCIOS

(30)

Polarização de MOSFETs

EXERCÍCIOS

Polarização de MOSFETs

EXERCÍCIOS

(31)

O MOSFET como Amplificador

61

ENG04077 – Eletrônica I

Amplificador Básico

Amplificador Fonte Comum Topologia Básica

Representação Gráfica da Reta de Carga Determinação da Curva de Transferência

saturado v

f i

i R V v v

GS D

D D DD DS O













)

(

(32)

Curva de Transferência

Determinação da Curva de Transferência

A curva de transferência mostra a operação como amplificador, com o MOST polarizado no

Ponto Q.

Reta de Carga

Influência da Reta de Carga na Excursão de Sinal

Ponto Q

1

não deixa espaço suficiente para excursão positiva do sinal, muito

próximo de V

DD

Ponto Q

2

não deixa espaço suficiente para

excursão negativa do

sinal, muito próximo

da região de Triodo.

(33)

Exercício para casa!

• Considere o amplificador Fonte Comum – FC ao lado cujo transistor possui o seguintes características:

– k’

_n

(W/L) = 1mA/V

²

– V

t

= 1V

– R

D

= 18kΩ – V

_DD

= 10V

• Aplicar o processo de análise descrito anteriormente nesse circuito:

– Para cada valor de v

_I

, calcula-se v

_O

– Tendo um conjunto de pares (v

_I

; v

O

),

traça-se a curva v

I

x v

O

Pequenos Sinais

Circuito conceitual para estudo do modelo de pequenos sinais

Fonte de Polarização

Fonte de Sinal

(34)

Pequenos Sinais

Aplicação de um sinal de entrada de 150 mVpp

Pequenos Sinais

 

²

'

2 1

t GS n

D

V V

L k W

I  

 

 



 





 

 









 

t GS

D D n

GS D m

OV n t GS n

m

GS D m

V V

I L I k W

V g I

L V k W V L V

k W g

V g I

2 2

^'

' '

V

_OV

– Tensão de overdrive

(35)

Pequenos Sinais

Resposta de saída do amplificador Fonte Comum

Tensões instantâneas v

_GS

e v

_D

no circuito abaixo.

Pequenos Sinais

(36)

Modelo para Pequenos Sinais

Modelo Simplificado Modelo Extendido

Considerando o efeito de modulação do comprimento do canal (EARLY) que é

modelado por r

_o

= |V

_A

| /I

_D

Análise de um Amplificador MOS

• Considere o amplificador Fonte Comum – FC ao lado cujo transistor possui o seguintes características:

– k’

_n

(W/L) = 0,25 mA/V

²

– V

_t

= 1,5 V

– V

A

= 50 V – R

_D

= 18kΩ – V

_DD