Semicondutores e Mosfets

MOSFE

Ts

Não concordo com o acordo ortográfico

6/22/16 Por : Luís Timóteo 2

BJT: Transistores bipolares de junção (Bipolar Junction Transistor)

FET: Transistores de efeito de campo (Field Effect Transistor).

JFET: Transistores de efeito de campo de junção (Junction Field

Effect Transistor).

MESFET: Transistores de efeito de campo de metal semiconductor. (MEtal Semiconductor Field Effect Transistor).

MOSFET: Transistores de efeito de campo de

metal-óxido-semiconductor. Metal Oxide Semiconductor Field Effect

Transistor.

BJTs

FETs

Símbolos de Transistores

Transistor, bipolar, NPN Transistor, bipolar, PNP Transistor, JFET, Canal-N

Transistor, JFET, Canal-P

Transistor, MOSFET, Canal-N, Modo Deplexão

Transistor, MOSFET, Canal-N, Modo Enriquecimento Transistor, MOSFET, Canal-P, Modo Deplexão

Enriquecimento Deplexão Enriquecimento Deplexão

_{MOSFETS de Enriquecimento e de Deplexão –}

Transistores de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor MOSFET

_{O Transistor MOSFET - É o mais importante componente}

semicondutor fabricado actualmente. O MOSFET, que em grande parte substituiu o JFET, teve um efeito mais profundo sobre o desenvolvimento da electrónica, foi inventado por Dawon Kahng e Martin Atalla, em 1960.

_{Em 2009 foram fabricados cerca de 8 milhões de transistores MOSFET}

para cada pessoa no mundo; esse número dobrou em 2012.

_{Possuem elevada capacidade de integração, isto é, é possível}

fabrica-los nas menores dimensões alcançáveis pela tecnologia empregada.

_{São componentes de simples operação e possuem muitas das}

características eléctricas desejáveis para um transistor, especialmente para aplicações digitais.

_{MOSFET: Transistor de Efeito de Campo de Metal-Óxido-Semicondutor}

(do inglês, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor);

_{São transistores formados pela associação entre um condutor, um}

isolante óxido e semicondutores tipo p e n (um deles fortemente dopado).

_{Assim como o JFET, o seu princípio de funcionamento baseia-se no}

controlo do canal pela condução entre os terminais fonte (S) e dreno (D) através da porta de controlo (G).

–

_MOSFETs



_{Canal N}



_{Canal P}



_{Tipo Enriquecimento (E-MOSFET).}



_{Tipo Deplexão (D-MOSFET).}

_{De acordo com o tipo de canal, os MOSFETs podem ser classificadas}

como:



_{Tipo Enriquecimento (E-MOSFET).}

Canal

N

Canal P

_{MOSFETS de Enriquecimento e de Deplexão –}

Comparação de símbolos e canais

G D S

Tipo

Enriquecimento

Tipo

Deplexão

Tipo

Enriquecimento

Tipo

Deplexão

p n n p n n G S D S G D E-MOSFET

Enriquecimento (n) D-MOSFET_{Deplexão (n)}

D G substrato p S nMOS-FET de Enriquecimento D G substrato n S pMOS-FET de Enriquecimento

_{Formado por uma placa de metal e um semicondutor, separados por}

uma zona de óxido de semicondutor - por exemplo SiO₂ - de uns 100 nm de espessura. Possui quatro eléctrodos:

_{Porta, (Gate em inglês), simbolizada com G; que se conecta á placa} metálica.

_{Fonte (Source) e Dreno (Drain), ambos simétricos, que se integram no} substrato.

_{Substrato (Body), geralmente conectado electricamente com a fonte.}

D G substrato p S nMOS-FET de Deplexão D G substrato n S pMOS-FET de Deplexão Metal Óxido Semiconductor Metal

MOSFETS de Enriquecimento e de Deplexão – Comparação de símbolos e canais

_{MOSFET de Enriquecimento}  _{E-MOSFET -}

Simbologia

 _{A distinção entre os terminais do canal continua a ser feita pela}

conexão do substrato (SS) a um dos terminais, que passa a ser denominado o terminal fonte (S).

 _{Em dispositivos discretos, a dissipação térmica continua a ser feita}

através do terminal de Dreno (D). G D S Substrato G D/S S/D Substrato SS G D S G D S Substrato G D/S S/D Substrato SS G D S Canal n _{Canal p}

_{O MOSFET tem 3 ou 4 terminais: G, D, S e B (de 'bulk' ou substrato) mas o B} está normalmente ligado à fonte (Source) S. Caso tenha dissipador, é ligado ao

Drain (Dreno)

_{O MOSFET de enriquecimento é fabricado sobre um substrato tipo p,}

onde são criadas duas regiões fortemente dopadas tipo n (Fonte – S e Dreno – D). Uma fina camada de dióxido de silício (isolante) é crescida sobre a superfície do substrato, cobrindo a área entre as regiões da Fonte e Dreno. São feitos contactos de metal para as regiões da Fonte, Dreno, Porta e Corpo.

Semiconductor Tipo-p

n

n

Source (S) Gate (G) Drain (D)

Metal

Área do canal

_{MOSFET Enriquecimento – O canal não existe e tem de ser criado}

-> VT> 0

MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n)  _Estrutura

n+ n+ n+ Canal n+ L Metal Gate(G) Source(S) Drain (D) Substrato tipo –P (Corpo) Óxido (SiO2) D G S Óxido (SiO2) Metal W L Região Drain Canal Substra to tipo –P (Corp o) Região Source

 _{Estrutura física de um transistor MOSFET canal N enriquecimento:}

 _{Dimensões típicas L = 0.1 a 3} _{m, W = 0.2 a 100} _{m, e a espessura do}

óxido (T_ox) é na ordem de 2 a 50nm.

_{L = 0.1 to 3} _m _{W = 0.2 to 100} _m T_ox= 2 to 50 nm

MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n)  _Estrutura

G

S

D

D

S

G

Semiconductor

Símbolo

MOSFET de

enriquecimento

(acumulação) de canal N.

+

 _{Consideremos um MOSFET canal n, tipo Enriquecimento (ou}

intensificação), com o substrato (SS) conectado á fonte (S), polarizado por uma tensão V_DS (entre D e S) e outra V_GS (entre G e S).

+

_n+

n

 _{Como não existe um canal condutor entre as regiões dos terminais S}

e D, o que prevalece são duas junções pn inversamente polarizadas.

 _{A resistência entre D e S é da ordem de 10}12 _Ω.

 _{A corrente no canal é desprezível (da ordem de pA}

a nA).

_{Criação do Canal entre Dreno} (D) e Fonte (S) + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

Região de deplexão do substrato

- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - - - Ov

MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas _{Análise para VGS = 0V e} VDS ≈ 0V

+

_{Criação do Canal entre Dreno} (D) e Fonte (S)

n+

n+

 _{Etapa # 1: A tensão positiva VGS, é aplicada ao terminal de Porta (G),}

causando um acumular de cargas positivas ao longo do eléctrodo de metal.

_{Etapa # 2: Este “acumular“ de cargas positivas, faz com que as lacunas}

livres do substrato p, por debaixo do eléctrodo da Porta (G), sejam repelidas da região.

V_GS +  Ov

MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas _{Análise para VGS}  _{0V e} VDS ≈ 0V

+

V_GS +

n+

n+

_{Criação do Canal entre Dreno} (D) e Fonte (S)

_{Etapa # 3: Como resultado desta "migração“, aparecem cargas}

negativas, antes neutralizadas pelas lacunas livres.

_{Etapa # 4: A tensão positiva da Porta (G) também atrai electrões das}

regiões n + do Dreno-Fonte, para o canal.

 Ov

MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas _{Análise para VGS}  _{0V e} VDS ≈ 0V

+

V_GS +

n+

n+

_{Criação do Canal entre Dreno} (D) e Fonte (S)

_{Etapa # 5: Logo que atingido um número suficiente “destes” electrões,}

é criada uma região – n,…. entre o Dreno (D) e a Fonte (S)…

_{Etapa # 6: Este canal}

recém formado, fornece um caminho para a corrente fluir entre o Drene e a Fonte.

Este canal induzido, também é conhecido por camada de inversão

 Ov

O valor de V_GS mínimo para a formação de canal é chamado de tensão de

limiar (Threshold) e é representada por V_T. Para um MOSFET canal n, V_T é positivo e tipicamente está dentro da faixa de 1 a 3 V.

MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas _{Análise para VGS}  _{0V e} VDS ≈ 0V

6/22/16 Por : Luís Timóteo 18

 Voltagem limiar (V_T) – é o

menor valor de v_GS necessário para formar um canal condutor entre o Dreno (D) e a Fonte (S).

 _{Tipicamente entre 0.3 e}

0.6V_dc.

 _{Efeito de Campo-E – Quando}

uma tensão positiva v_GS é aplicada, desenvolve-se um campo eléctrico entre o eléctrodo da Porta (G) e o canal –n induzido - sendo a condutividade deste canal afectada pela intensidade deste campo.

 A camada de óxido SiO₂ actua

como dieléctrico  _{Overdrive voltage/Efectiva} (V_OV) – é a diferença entre a v_GS aplicada e V_t.  Capacitância do óxido (C_ox) – é a capacitância da placa paralela do condensador por unidade de área da Porta(G) (F/m2_).

É positiva para MOSFETs Tipo-n, e negativa para os

do tipo -p

_{Criação do Canal entre Dreno} (D) e Fonte (S) T GS OV

V

V

V





t

C







t

_{Análise para VGS} _{VT e VDS ≈} 0V_{ MOSFET com V}

GS> VT e com uma pequena tensão

V_DS aplicada.

_{A profundidade do canal é uniforme e o dispositivo actua como}

uma resistência.

I_S=I_D I_D

_{A condutância do canal é proporcional à tensão efectiva, ou tensão da}

Gate em excesso, (V_GS - V_T).

_{A corrente de Dreno (D),}

é proporcional à (V_GS - V_T) e V_DS.

MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas

I_D

n+

n+

V

V

_{Análise para VGS} _{VT e VDS ≈} 0V

Corrente de Dreno I_D, sob pequena tensão V_DS

 Para V_DS pequeno o canal comporta-se como uma resistência

variável. I_{D mA} V_DS V_GS<V_T V_GS=V_T+1V V_GS=V_T+2V V_GS=V_T+3V

n+ n+ S G D i_S= i_D i_G= 0 i_D Substrato tipo –P (Corpo) B

Mantendo-se V_GS constante, com um valor maior que VT e

aumentando-se V_DS, observa-se que o canal induzido sofre um estreitamento e a sua resistência aumenta correspondentemente.

 _{Uma vez estabelecido o canal de}

condução (V_GS ≥ V_T), a elevação da

tensão V_DS irá provocar o

estreitamento do canal na direcção da região do Dreno, (Pinched-off).

 _{O canal induzido adquire uma forma afunilada.}

 _{O Canal aumenta a resistência com o aumento de}

VDS.

 _{A Corrente de Dreno é controlada por ambas as duas}

tensões (VDS/VGS).

 Com tensões V_DS pequenas (<<V_GS), o canal é

uniforme.

_{Análise para aumento} de VDS

G

S D

 _{Uma vez que a profundidade do canal induzido depende directamente}

da quantidade de cargas negativas acumuladas abaixo do dieléctrico, que por sua vez depende da ddp entre a Gate e o canal, deduz-se que:

V_DS  V_GS - V_T

V_DS = 0  I_D=0

 Quanto maior for V_DS, menor será essa ddp e;

 _{Mais estreito o canal se tornará próximo ao dreno.}

 Quando V_GD = V_T ou V_GS - V_DS = V_T , o canal fecha-se, “pinched off”.

– A camada de inversão desaparece junto ao Dreno (D).

– Mas a corrente de Dreno I_D, não desaparece, fica constante (similar ao JFET)…!

_{Análise para aumento} de VDS

n+ n+ S G D B Substrato tipo –P (Corpo) Óxido (SiO2) Canal tipo n induzido Zona de Deplexão no Substrato +++++++++++++ V_GS ---+ n+ n+ S G D B Substrato tipo –P (Corpo) Óxido (SiO2) L Zona de Deplexão no Substrato V_GS V_GS < V_T V_GS < V_T V_VGS > T V_GS > V_T V_DS  0 _{Sintetizando o} Funcionamento V_DS  0

n+ n+ i_S= i_D i_G= 0 i_D Substrato tipo –P (Corpo) S G D B n+ n+ i_S= i_D i_G= 0 i_D Substrato tipo –P (Corpo) S G D B n+ n+ i_S= i_D i_G= 0 i_D S G D B Substrato tipo –P (Corpo) _{Sintetizando o} Funcionamento V_DS  V_(pequeno) V_DS  V_(pequeno) V_DS > V_GS– V_T V_DS > V_GS– V_T

S G D n+ n+ S G D n+ n+ V_DS = V_GS–V_T V_DS = V_GS–V_T

_{O canal induzido ou “camada de}

Inversão” estreita-se no lado do Dreno (D).

Análise para VGS  V_T e VDS  0V – Saturação

(Pinch-off) V_DS > V_GS–V_T V_DS > V_GS–V_T L L V_D V_DSat

À medida que V_DS aumenta acima V_GS-V_T

 V_DSAT, o comprimento da região estreita (pinch-off), L aumenta:

 A Tensão "extra" (V_DS - V_Dsat) é dissipada na

distância L.

 _{A queda de tensão na resistência do canal induzido,}

permanece V_dsat.

A corrente de Dreno, I

satura.

Nota: Os electrões são arrastados para o Dreno pelo campo-E, quando entram

região de pinch-off.

_{Regiões de operação do MOSFET}

 _{A operação de um MOSFET pode assim, ocorrer em três diferentes}

regiões, dependendo das tensões aplicadas sobre os seus terminais. Para o transistor NMOS os modos são:

REGIÃO DE CORTE: quando VGS < VT

_VGS é a tensão entre a Porta (Gate) e a Fonte (Source) e VT é a tensão

de threshold (limiar) de condução do dispositivo. Nesta região o transistor permanece desligado e não há condução entre o Dreno (Drain) e a Fonte (Source).

T GS

V

V



I



0

n+

n+

V

_V

 _{Com zero volts aplicados á Porta}

(G), existem dois diodos back-to-back em série entre Dreno (D) e Fonte(S).

 _{"Eles" evitam a condução de corrente do Dreno para a Fonte, quando é}

aplicada uma voltagem VDS, produzindo resistência muito alta (1012_ohms)

REGIÃO DE TRIODO (ou região linear): Quando V_GS > V_T e V_DS < V_GS – V_T

_{Onde V}DS é a tensão entre Dreno (D) e Fonte (S). O transistor é ligado, e

o canal que é criado permite o fluxo de corrente entre o Dreno e a Fonte. O MOSFET opera como uma resistência, controlada pela tensão da porta (G). OV n T GS n D DS DS V L W k V V L W k I V r ' 1 ) ( ' 1 _   

_{A corrente de Dreno é controlada}

não só por V_DS mas também por V_GS.

_{A profundidade do canal muda de}

uniforme a forma afunilada no lado do Dreno.

_{A corrente do dreno para a fonte é:}







V



2

V

V

V

L

W

2

C

I











_{Regiões de operação do MOSFET}

n+

n+

V_GSV_T VGDVT

I_S=I_D I_D VDSVGS-VT

_{REGIÃO DE SATURAÇÃO:}

_{Canal estreita-se junto ao Dreno} _{IDS independente de VDS.}

_{Dispositivo satura.}

_{Similar a uma fonte de corrente.}

I_DS

 Se V_DS > V_GS - V_T, então V_GD < V_T, e o canal fica estrangulado

(pinched-off), pois a camada de inversão, não atinge a Drain (D).

 _{Neste caso, a condução é provocada pelo mecanismo de dispersão de}

electrões sob a influência da tensão positiva da Drain (D).

 _{Como os electrões são negativos deixam o canal, e são acelerados em}

direção á Drain(D).

 _{A Tensão através do canal estrangulado tende a permanecer fixa em}

(V_GS - V_T), e a corrente do canal permanece constante com o aumento da VDS.

_{Regiões de operação do MOSFET}

REGIÃO DE SATURAÇÃO: quando V_GS > V_T e V_DS > V_GS – V_T

 _{A corrente de Dreno(D) é agora relativamente independente da tensão}

de Dreno V_DS e é controlada somente pela tensão da porta (V_GS) de tal forma que:





V

V

L

W

2

C

I











K

I

V

V





+

-

+

-

 _{o valor da corrente deixa de aumentar, assumindo um valor constante – Zona} de Saturação. O MOSFET tem comportamento de fonte de corrente.

_{Regiões de operação do MOSFET}

Análise para VGS  V_T e VDS  0V – Saturação (Pinch-off) G S Pinched-off D channel L L-L

+

-

+

-

 _{Os electrões passam através da zona limitada (Pinched-off) em}

alta velocidade, e a fluxo constante, assim como um jacto de água por um orifício apertado…

Descrição matemática do comportamento de um MOSFET -n

_{Aprendemos muito sobre MOSFETs de enriquecimento,}

mas ainda não estabelecemos uma relação matemática entre iD, VGS, ou VDS. Como podemos determinar os valores numéricos correctos para tensões e correntes de um MOSFET num determinado momento?

_{A descrição matemática do comportamento do MOSFET de}

enriquecimento é relativamente simples! Nós realmente precisamos de nos preocupar com apenas 3 equações.

_{Especificamente, nós expressarmos a corrente de Dreno iD, em função}

de VGS e VDS, para cada um dos três modos de funcionamento do MOSFET (Corte, Tríodo, e Saturação).

_{Além disso, precisamos definir matematicamente os limites entre cada}

_{Mas, primeiro, precisamos examinar alguns parâmetros físicos}

fundamentais, que definem o dispositivo MOSFET. Estes parâmetros incluem:

Descrição matemática do comportamento de um MOSFET



_{k ′}



_W/L



_k′

depende da tecnologia de processo usado para fabricar um circuito integrado. Portanto, todos os transistores dum determinado substrato, irão tipicamente ter o mesmo valor deste parâmetro.

_{W/L - é simplesmente a proporção da largura (W) e do comprimento (L)}

do canal. Este é o parâmetro do dispositivo do MOSFET, que pode ser alterado e modificado pelo designer do circuito, para satisfazer as especificações dum circuito ou de um transistor.

_{Nós também podemos combiná-las para formar um parâmetro único do}

MOSFET, o Parâmetro

K:

 

V

A

L

W

k

2

1

K

'

_

...













_{Agora podemos descrever}

matematicamente o comportamento de um MOSFET de enriquecimento. Vamos fazer um modo de cada vez.

Descrição matemática do comportamento de um MOSFET : Modos

_{Corte (Cutoff)}

_{Esta relação é muito simples, se o MOSFET está na corte, a corrente de}

Dreno iD, é simplesmente de zero!

i

=0



(CUTOFF mode)

_{Quando no modo de tríodo, a corrente de Dreno é dependente tanto}

VGS como de VDS:





_







_

_















V

2

1

V

V

V

L

W

k'

i









V

V

V

V

2

K







(TRIODE mode)

_{Esta equação é válida para ambos os transistores NMOS e PMOS, (se}

estiverem no modo TRÍODO). Recorde-se que para os dispositivos PMOS, os valores de VGS e VDS são negativos, mas notar que isso dará resultado(correcto) de um valor positivo de iD.

Descrição matemática do comportamento de um MOSFET : Modos

_{Saturação (Saturation)}

_{Quando estiver no modo de saturação, a corrente de Dreno do MOSFET}

é (aproximadamente), dependente unicamente de VGS:









V

V

K

V

V

L

W

k'

2

1

i

_



















(Saturation mode)

_{Assim, vemos que a corrente de Dreno iD, na}

saturação ,é proporcional ao excesso de tensão da Gate ao quadrado!

_{Esta equação é igualmente válida para os dois tipos de}

transistores NMOS e PMOS (se estiverem no modo de saturação).

_{OK, então agora sabemos a expressão para a corrente de Dreno iD, em}

cada um dos três Modos de funcionamento de um MOSFET, mas como saberemos em que modo está o MOSFET?

Descrição matemática do comportamento de um MOSFET : Limites dos Modos

_{Temos que determinar os limites matemáticos de cada modo. Tal como}

antes, vamos fazer um modo de cada vez!

_{Corte (Cutoff)}

_{Um MOSFET está no corte quando nenhum canal foi induzido. Assim,}

para um dispositivo NMOS de enriquecimento:

Se V_GS-V_T 0, então o NMOS está no CORTE

_{Similarmente, para um dispositivo PMOS de enriquecimento temos:}

Se V_GS-V_T 0, então o PMOS está no CORTE

_{Tríodo (Triode)}

_{Para o modo tríodo, sabemos que temos um canal induzido (ou seja,}

Descrição matemática do comportamento de um MOSFET : Limites dos Modos

_{Tríodo (Triode) (Cont)}

Se V_DS  V_GS-V_T, então o NMOS está "pinched off" Se V_DS  V_GS-V_T, então o PMOS está "pinched off"

_{Além disso, sabemos que quando em modo tríodo, a}

tensão VDS não é suficientemente grande para NMOS, ou suficientemente pequena (isto é, suficientemente negativa) para o PMOS, para estrangular (pinch off) o canal induzido.

_{Mas quão grande é que VDS precisa de ser, para}

“estrangular” um canal NMOS? Como podemos determinar se o estrangulamento ocorreu?

_{A resposta a essa pergunta é surpreendentemente simples. O canal}

induzido de um dispositivo NMOS está “estrangulado” se a tensão VDS é maior do que o excesso de voltagem da Gate!

Descrição matemática do comportamento de um MOSFET : Limites dos Modos

_{Tríodo (Triode) (Cont)}

_{Estas condições, significam que um canal NMOS não está}

estrangulado se:

V_DS  V_GS-V_T

_{E consequentemente, um canal PMOS não está}

estrangulado se:

V_DS V_GS-V_T _{Assim, podemos dizer que um dispositivo NMOS está no modo de}

TRIODO:

Se V_GS-V_T  0 , e V_DS <V_GS-V_T , então o NMOS está no

modo TRIODO

_{Similarmente para um dispositivo PMOS:}

Se V_GS-V_T  0 , e V_DS V_GS-V_T , então o PMOS está no modo

TRIODO

_{Saturação (Saturation)}

_{Lembremo-nos de que no de modo de Saturação, um canal está}

induzido, e que esse

canal está “estrangulado” ( pinched off). _{Assim, podemos afirmar que para um NMOS:}

Se V_GS-V_T  0 , e V_DS V_GS-V_T , então o NMOS está no modo

Descrição matemática do comportamento de um MOSFET : Limites dos Modos

_{Saturação (Saturation) (Cont)} _{E para um dispositivo PMOS:}

Se V_GS-V_T  0 , e V_DS  V_GS-V_T , então o PMOS está no modo

SATURAÇÂO

_{Podemos agora construir uma expressão completa (contínua) relativas á}

corrente de Dreno iD, para tensões VDS e VGS.

Se

Se

Se

e

e

Descrição matemática do comportamento de um MOSFET : Limites dos Modos

_{Podemos agora construir uma expressão completa (contínua) relativas á}

corrente de Dreno iD, para tensões VDS e VGS.

_{Para um dispositivo PMOS:}

Se

Se

Se

e

Descrição matemática do comportamento de um MOSFET : Limites dos Modos

_{Vamos agora ver como estas expressões aparecem quando as}

representamos graficamente. Especificamente, para o um dispositivo NMOS, vamos representar a corrente iD em função de diferentes valores de V_DS e V_GS:

V_DS V_GS-V_T

Região Tríodo Região SaturaçãoVDS VGS-VT

V_DS = V_GS - V_T

_{Análise da corrente ID}

 corrente Dreno I_D, saturada e apenas controlada pelos V_GS V_DSsat=V_GS-V_T V_DS V_GS-V_T Triodo V_DS  V_GS-V_T Saturação V_GSV_T

A corrente satura, porque o canal estreita muito (pinch-off), junto ao Dreno, e VDS deixa de afectar o canal .

Quase um linha a direito, com a inclinação proporcional a (VGS-VT).

_{A linha dobra-se porque}

a resistência do canal aumenta com VDS.

_{Na região}

subliminar, a corrente de Dreno tem uma relação exponencial com VGS. _{VGS cria o} canal. _{Aumentando VGS} irá aumentar a condutância do canal. _{Na região de} saturação apenas VGS controla a corrente de Dreno.

Quando VDS aumenta a tensão VGD diminui até se tornar inferior a VT. O canal fecha-se do lado do Dreno (pinch-off), e o valor da corrente deixa de aumentar, assumindo um valor constante – Zona de Saturação.

_{Curva Característica}

_{Um MOSFET de}

enriquecimento de canal n com V_GS e V_DS aplicada e com as indicações normais de fluxo de corrente indicada.

As características I_D-V_DS de um dispositivo com K‘n (W / L) = 1,0 mA/V2..

ID IS=ID I_G=0 DS T GS n 2 DS DS T GS n D

V

V

V

L

W

k

V

2

1

V

V

V

L

W

k

I

'

(

)



'

(



)









_

_



V_GS= 4 V

V_GS= 6 V

V_GS= 5 V

V_GS=2V= V_TP

Na ausência de canal para V_GS = 0 não há corrente I_D. É necessário um valor mínimo de voltagem limiar V_TP positiva de V_GS para que se forme o canal.

Aumentando V_GS aumenta o valor da corrente de saturação.

V_GS= 7 V 2 ) ( _{GS T} Sat D K V V I  

_{Curva de transferência e curvas características de Dreno}

típicas de um nMOS.

_{Curvas Característica}

MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas

5 3 7 I_D (mA) V_GS (V) 1 2 4 6 8 0 5 3 7 1 2 4 6 8 10 9 10 V_DS I_D (mA) 0 5 3 7 1 2 4 6 8 9 V_T

_{Curvas Características : O valor de K}

MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET

 _{Se os valores VGS(on) e ID(on) tiverem sido fornecidos, eles podem ser}

utilizados como o segundo ponto conhecido da curva, restando apenas determinar outros dois.

 _Sugestão:

 _{3° ponto: arbitrar VGS entre VT e}

VGS(on).

 _{4° ponto: arbitrar VGS > VGS(on).}

 _{Caso se conheça os parâmetros construtivos do MOS ao invés de um}

ponto específico da curva, sugere-se arbitrar os pontos para VGS=2VT, VGS=3VT, e VGS=4VT._{ID (mA)} V_GS (V) ID=0 mA) VT I_D(on) VGS(on) I_D1 V_GS1 V_GS2 I_D2 2 T GS D k V V

I  (  )  Curva de transferência de um nMOS tipo

enriquecimento esboçada a partir de um ponto conhecido da curva.















L

W

k'

2

1

K

k'





C

_{Polarização :}

MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET

 _{As curvas de transferência de um MOSFET tipo Deplexão e tipo}

Enriquecimento são bastante distintas entre si.

V_GS(Th) 5 3 7 I_D (mA) V_GS (V) 1 2 4 6 8 0 5 3 7 1 2 4 6 8 10 9 9 ID(on) V_GS(on)

 _{A polarização fixa continua existindo, sendo seu método de resolução}

idêntico ao do tipo Deplexão.

5 3 7 I_D (mA) V_GS (V) 1 2 4 6 8 V_T 0 _{Curvas Características}

_{Curva de transferência e curvas características de Dreno}

típicas de um nMOS.

_{Análise da}

Capacidade

 _{Quaisquer dois condutores separados por um isolante têm}

capacitância

 _{A capacitância Gate/Canal é muito}

importante_{Criam as cargas do canal, necessárias para a sua operação.}

_{Source (S) e Drain (D) têm capacitância para o corpo (SS).}

_{Através de diodos (junções) com polarização inversa.}

_{A chamada capacitância de difusão porque está associada com}

a difusão Source/ Drain.

_{Fios de interconexão também têm capacitância distribuída.} MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas

P

G

S D

_{Análise da Capacidade: Capacitância da}

Gate

Transistores de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor MOSFET MOSFET de Enriquecimento – Características - canal n

n+

n+

W

L

t

SiO₂ óxido da Gate

(Bom isolante  _ox=3.9₀) Cpermicron tem valor típico de

2fF/m

C_gs = _oxWL/t_ox = C_oxWL = C_permicronW

_{Carga do canal - Q do Canal= CV} _{C = Cg =}



ox =



V = Vgc - V_T = (V_GS – V_DS/2) - V_T

Gate – óxido – Canal

DS DS T GS DS V V V 2 V L W Cox t Qcanal I    (   / )  (VGS VT VDS / 2)VDS L W Cox    _C ox=







_{Análise da Capacidade: Resposta}

Dinâmica

Transistores de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor MOSFET

MOSFET de Enriquecimento –

Características - canal n

 _{A resposta dinâmica (velocidade de}

comutação), de um circuito MOS é muito dependente de capacitâncias parasitas associadas ao circuito.

_{Região de Corte (off Region)}

 V_GSV_T; Quando um dispositivo MOS está desligado (off), apenas C_GB

(devido à

combinação série do óxido da Gate e a capacitância da camada de deplexão) é diferente de zero.

 _{Usar ferramentas para a extração de valores}

mais precisos a partir de layouts reais. Considere as capacitâncias vistas durante as diferentes regiões de operação.

 _{Use uma aproximação simples para}

estimativas rápidas de capacitâncias.

C_GB = C_ox = A/t_ox, onde A é a área da Gate, e  =₀_SiO2

₀ é a permissividade do espaço vazio (8.854x104 _{F/m), e}  ₌

_{Análise da Capacidade: Resposta}

Dinâmica

Transistores de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor MOSFET

MOSFET de Enriquecimento –

Características - canal n

_{Região Linear (Linear Region)}

 _{A região de Deplexão existe, formando}

dieléctrico da capacitância de Deplexão, C_dep, em série com C_ox.

_{Assim que o dipositivo entra em}

condução, C_GB é reduzida a 0.

_{A capacitância da Gate, é agora uma}

função da respectiva tensão .

_{Região de Saturação (Saturated Region)}

_{Região sob a Gate está fortemente invertida, e a região do canal junto á}

Source: Mlynik and Leblebici EPFL web-based course

_{Análise da Capacidade: Resposta}

Dinâmica

Transistores de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor MOSFET

MOSFET de Enriquecimento –

Características - canal n

_{Região Linear (Linear Region)}

Cut-off Saturated Linear C_GB C_GS C_GD V_T VT+VDS

_{Análise da}

capacidade

Transistores de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor MOSFET MOSFET de Enriquecimento – Características - canal n S G D

L

_{Análise da}

capacidade

Transistores de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor MOSFET MOSFET de Enriquecimento – Características - canal n S G D

L

_{O Aumento de VDS afecta a região}

 _{Para determinar a corrente que fluirá no canal sob estas condições}

considere um elemento diferencial do canal, de área W.y(x) e espessura dx. y(x) dx tox

L

W

dx

dQ

E

I







dx

x

dV

E





(

)

_{Onde Q é a carga negativa}

(electrões livres) induzida no substrato pelo potencial

positivo da Gate(G).

 _{Matematicamente, o}

campo eléctrico é dado por:

_{Análise da capacidade e o fluxo de}

corrente

MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas

Análise para VGS  V_T e VDS  0V – Saturação

_{Análise da capacidade e o fluxo de}

corrente

MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas

Análise para VGS  V_T e VDS  0V – Saturação

(Pinch-off)

_{Aplicando, a Equação da corrente assume a forma:}

dx

x

dV

dx

dQ

I

_

(

)















 _{A partir do momento em que VGS atinge o valor limiar (VT), a carga}

negativa induzida no substrato torna-se proporcional à diferença entre essa tensão e a do canal, logo:



(

)



)

(

V

V

V

x

t

dx

W

CdV

x

dQ













 _Sendo



posição x do canal, cujo valor varia entre 0 (em x=0) e VDS (em x=L).

0

V

x L

VDS

Potencial da placa inferior (canal n)

Potencial da placa superior (Gate)

I_D

V_DS I_D

V_DS

Dependência de L e t_ox

 _{Comprimento pequeno da Gate e espessura do óxido, baixam a}

resistência do canal, o que irá aumentar a corrente de Drain I_D. I_D V_GS V_T Curto Comprido I_D V_GS V_T Fina Grossa

t

corrente

MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas

Análise para VGS  V_T e VDS  0V – Saturação

I_D

V_DS

_{Efeito de}

W

W

 _{Quando a largura da Gate aumenta, a corrente aumenta devido a uma}

diminuição na resistência. No entanto, a capacitância da Gate também aumenta, assim, limitando a velocidade do circuito. Um aumento na W pode ser visto como dois dispositivos em paralelo.

I_D

V_GS

V_Th

W W

_{Análise da capacidade e o fluxo de}

corrente

MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas Análise para VGS  V_T e VDS  0V – Saturação

_{Análise da capacidade e o fluxo de}

corrente

MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas

Análise para VGS  V_T e VDS  0V – Saturação

(Pinch-off)  Aplicando, temos I_D:





dx

dV

x

V

V

V

W

C

I









(

)

dada por: _ox

ox ox

t

C





 _{Passando dx para o outro lado da equação, podemos integrar ambos}

os lados como:



(

)



(

)

x

dV

x

V

V

V

W

C

Idx













 _{Aplicando as integrações obtemos:}













_

_



2

V

V

V

V

L

W

C

I



(

)

_{Análise da capacidade e o fluxo de}

corrente

MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas

Análise para VGS  V_T e VDS  0V – Saturação

(Pinch-off)_{ Se a tensão no canal for elevada até que VDS = VGS - VT, a ddp na} extremidade do canal cairá ao valor mínimo necessário (VT), para manter a existência do canal, e a corrente ID não crescerá mais, mesmo que se aumente VDS.

 _{O valor de VDS para o qual a corrente através do canal satura é}

identificado como VDSsat, onde:

T GS

DSsat

V

V

V





 _{Na saturação (VDS = VDSsat), a corrente ID torna-se:}

2 T GS ox n D

V

V

L

W

C

2

1

I





(



)

 _{Resistência controlada por}

voltagem

G

S D

 _{O canal de inversão de um MOSFET pode ser visto como uma}

resistência. Uma vez que a densidade de cargas no interior do canal depende da tensão da Gate, esta resistência é também dependente da voltagem.

G

 _{Como a tensão da Gate a decrescer, a saída cai porque a resistência}

de canal aumenta.

REGIÃO DE TRIODO (ou região linear): Quando V_GS > V_T e V_DS < V_GS – V_T

MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas _{Variação do potencial do}

D G S x dpp: =V_G  V_G =V_G - V_D I_D

 _{Uma vez que há uma resistência de canal entre o Dreno(D) e a}

Fonte(S), e o Dreno está mais polarizado do que a Fonte, o potencial do canal aumenta da Fonte para o Dreno, e o potencial entre a Porta (G) e o canal, diminuirá da Fonte para o Dreno.

V(x) x L V_G x L V_D - V_G

 _{Resistência controlada por}

voltagem

REGIÃO DE TRIODO (ou região linear): Quando V_GS > V_T e V_DS < V_GS – V_T

MOSFET de enriquecimento-  E- MOSFET (n) - Caracteristicas _{Variação do potencial do}

 Embora a Equação de I_D na saturação descreva a corrente I_D como um

valor independente do aumento de V_DS, em dispositivos reais, observa-se um ligeiro aumento dessa corrente em função de V_DS.

 _{Para refletir esse aumento da corrente a equação pode ser adequada}

incluindo-se o fator (1+V_DSe):



 



V

V

1

V

L

W

C

2

1

I

















 Onde V_DSe é a tensão que excede à tensão de saturação do canal para o

V_GS adoptado, isto é:

V



V



V

_{Modulação de Canal (}



 O aumento de V_DS faz diminuir a largura efectiva do canal (L),

resultando num aumento da corrente no Dreno.

N N

P G

S D

L

 _Tipicamente,  _{varia entre 5x10}-3 _e

3x10-2 V-1.

I_D

V_DS

I_D

 _{O parâmetro de modulação do comprimento do canal (}_{) é definido}

como o inverso da Tensão Early (V_A).

A

V

1







Tensão de Early V_A.

 Fisicamente, a Tensão Early (V_A) é directamente proporcional ao

comprimento do canal (L).

 Graficamente, corresponde ao ponto de intersecção com o eixo V_DS das

projecções das curvas das correntes de Dreno na região de saturação.

 / 1  A V ) ( mA ID DS V 0 2.0V V V_GS  _T  1.5V V V_GS  _T  0 r 1 Inclinação 1.0V V V_GS  _T  0.5V V V_GS  _T  Triodo Saturação _{Modulação de Canal (}



) ( mA ID DS V 0 Ruptura Corte  / 1  A V 2.0V V V_GS  _T  1.5V V V_GS  _T  0 r 1 Inclinação  1.0V V V_GS  _T  0.5V V V_GS  _T  0V V V_GS  _T  Triodo Saturação

 _{Corrente de Dreno ID, é modificada pela}

modulação do comprimento do canal.

)

＋

（

)

（

'

V

V

1

V

L

W

k

I









 _{Os transistores MOS não se comportam como uma fonte de corrente}

ideal, devido à modulação de comprimento de canal. _{A resistência de saída é finita:}

D A D const V DS D o

I

V

λI

1

ΔV

Δi

r



















