eng04447 - mosfet - chasqueweb.ufrgs.brhklimach/slides/e077_5_mosfet.pdf · rompimento das...

1

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 1 1

DELET - EE - UFRGS

Circuitos Eletrônicos I

ENG 04077

TRANSISTOR DE EFEITO DE

CAMPO DE PORTA ISOLADA

- MOSFET -

Prof. Dr. Hamilton Klimach

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 2

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

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 4

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

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 5

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

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 6

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: 1015~1018

at/cm3

• Concentração de portadores térmicos:

cerca de 1010 elétrons-lacunas/cm3 @

300K=27ºC

4

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 7

Tipicamente:

• L = 0,065 até 10 mm,

• W = 0,1 atéo 100 mm

• Espessura da camada de óxido (tox) 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)

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 8

MOSFET: estrutura física

5

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 9

MOSFET: estrutura física

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 10

MOSFET: Finfet

6

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 11

MOSFET: Finfet

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 12

TERMINAIS

G: porta (gate)

S: fonte (source)

D: dreno (drain)

B: substrato (bulk)

Simbologia e terminais do MOSFET

Símbolos NMOS

Símbolos PMOS

7

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 13

•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 (VGS = 0)

Funcionamento

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 14

•o potencial VGS 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 (VGS < Vt)

Funcionamento - depleção

8

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 15

•se o potencial VGS 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 VGS em que ocorre a

inversão é chamado de potencial de

threshold (Vt)

Aumento do potencial aplicado (VGS > Vt): condição de inversão

Funcionamento - inversão

portadoresi

canal

canalvolume

Qm

1

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 16

• vGS > Vt

• vDS pequeno (vDS < vGS – Vt’ )

• Dispositivo funciona como

um resistor controlado por vGS

• A condutância do canal é

proporcional a vGS – Vt’

• A corrente iD é proporcional a

(vGS – Vt) vDS

Operação do Canal Induzido na Região Ôhmica

Funcionamento – região ôhmica

portadoresi

canal

canalvolume

Qm

1

9

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 17

Região ôhmica – iD x v

DS

Resistor linear controlado por vGS

Condição: vDS deve ser mantido pequeno (vDS << vGS – Vt )

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 18

• Aumentando vDS: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 vDS.

•o comportamento iD x vDS passa a ser

não-linear

(vGS é mantido constante em um valor

tal que vGS – vDS > Vt ))

Dependência de Rcanal em VDS

Região ôhmica – canal gradual

10

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 19

Dependência de Rcanal em VDS

Região ôhmica – canal gradual

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 20

Saturação do canal:

• Redução da condutividade local em função de vDS

• Quando vDS = vGS – Vt, o canal “descola-se” do dreno (pinch-

off)

• Aumento vDS acima de vGS – Vt tem pouco efeito na forma

do canal (corrente passa a ser independente de vGS )

Saturação do canal

11

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 21

Curva completa iD x vDS : saturação do canal

Saturação - iD x v

DS

vGS > Vt

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 22

CMOS: implementação de transistores NMOS e

PMOS em um mesmo substrato através da

implementação de um “poço”

Tecnologia Complementary-MOS

12

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 23

MOSFET

Modelos

23

ENG04077 – Eletrônica I

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 24

k’n (W/L) = 1.0 mA/V2.

NMOS: curva completa iD x vDS

Modelo Analítico Simples

2'

2

1DSDStGSnD VVVV

L

WkI

tGSDS VVV Triodo:

2'

2

1tGSnD VV

L

WkI

tGSDS VVV Saturação:

oxnn Ck m'

13

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 25

Vt = 1 V, k’n W/L = 1.0 mA/V2

NMOS: curva iD x vGS em saturação

NMOS em Saturação

2'

2

1tGSnD VV

L

WkI

tGSDS VVV Saturação:

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 26

Transistor NMOS

Modelo para grandes sinais em saturação

Modelo para Grandes Sinais

14

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 27

Transistor NMOS

Níveis relativos de tensão entre os terminais

Tensões nos Terminais

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 28

Aumentando vDS além de vDSsat causa o distanciamento do ponto

de pinch-off em relação ao dreno, reduzindo o comprimento efetivo

do canal por ΔL.→ pequena variação de iD com vDS .

Efeito de modulação do comprimento efetivo do canal

em função de vDS , em saturação

Condutância de Saída

15

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 29

• 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.

VA: tensão de Early

DQDQ

Ao

II

Vr

1

Dependência de iD com vDS: o efeito Early

Condutância de Saída

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 30

NMOS: modelo para grandes sinais em saturação,

incluindo o efeito Early

Condutância de Saída

16

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 31

PMOS: símbolos e polarização

Transistor PMOS

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 32

PMOS: níveis relativos de tensão entre os terminais

Transistor PMOS

17

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 33

Resumo

NMOS

PMOS

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 34

MOSFET

Circuitos Digitais

34

ENG04077 – Eletrônica I

18

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 35

Lógica CMOS – modelo

+

VGS

_

+

VSG

_

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 36

Lógica CMOS – estrutura

19

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 37

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

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 38

Lógica CMOS – portas NAND e NOR

NAND NOR

20

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 39

Lógica CMOS – função qualquer

Função Qualquer

SY

BACS

S

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 40

Lógica CMOS – ‘ou’ exclusivo XOR

21

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 41

MOSFET

Polarização

41

ENG04077 – Eletrônica I

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 42

Modelos Grandes Sinais

NMOS

PMOS

22

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 43

SSDSGS VIRV

2'

2

1tGSnD VV

L

WkI

oxnn Ck m'

tGSDS VVV

2'

2

1DSDStGSnD VVVV

L

WkI

tGSDS VVV

DSDSSDDDS IRRVVV

Região de Saturação:

Região de Triodo:

SSDSGS VIRV

Polarização

tGSOVD VVV

Tensão de Overdrive

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 44

2'

2

1tGSnD VV

L

WkI

Região de Saturação:

GSDS VV tGSDS VVV

DDDGS VRIV

Autopolarização

O transistor está sempre em

Saturação!

23

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 45

12 GSGS VV 12 DD II

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.

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 46

Espelho de corrente

Q1 e Q4 autopolarizados: Espelho de corrente:

REF

REFD

DDDGS

tpGSpD

IIIII

II

VRIV

VVL

WkI

5432

1

11

2

1

1

1'

12

1

24

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 47

DDGS VV

DDDDDS IRVV

2'

2

1DSDStGSnD VVVV

L

WkI

tGSDS VVV

Região de Triodo:

VVDS 1,0

Supondo: 2' /1;1 VmAL

WkVV nt

DDGS VV

Polarização na região de triodo

Dados:

Calcular ID e RD . Estime rds.

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 48

Estabilidade de ponto Q

2'

2

1tGSnD VV

L

WkI

(VT1; kn1 )

(VT2; kn2 )

25

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 49

Estabilidade de ponto Q

DD

GG

GGGS V

RR

RVV

21

2

ΔID

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 50

Estabilidade de ponto Q

S

GSGDDSGGS

DD

GG

GG

R

VVIIRVV

VRR

RV

21

2

26

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 51

Estabilidade de ponto Q

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 52

Polarização do PMOS

Projetar o circuito para:

Saturação

ID = 0,5 mA

VD = 3V

Considerando:

Vt = -1V

Kp´(W/L) = 1 mA/V2

27

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I

Polarização de MOSFETs

tD

GS VWk

ILV

2

22

2

21

1

1'

2

1tGSnD VV

L

WkI

tGSDS VVV

21 GSDDDSO VVVv

Região de Saturação:

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I

Polarização de MOSFETs

22

'

2

2

2

2

1

'

1

1

1

2

21

2

2

tGSn

D

tGSn

D

RDDD

RDD

VVk

I

L

W

VVk

I

L

W

IVVR

III

Divisão de tensão:

28

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I

Polarização de MOSFETs

23

'

3

3

3

2

2

'

2

2

2

2

1

'

1

1

1

321

321

2

2

2

tGSn

D

tGSn

D

tGSn

D

GSGSGSDD

DDD

VVk

I

L

W

VVk

I

L

W

VVk

I

L

W

VVVV

III

Divisão de tensão:

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I

Polarização de MOSFETs

42

2

2

'

2

2

2

41

2

1

'

1

1

1

21

2

2

VVV

VVk

I

L

W

VV

VVk

I

L

W

II

DDSG

tpGSp

D

GS

tnGSn

D

DD

Divisão de tensão:

29

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I

Polarização de MOSFETs

EXERCÍCIOS

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I

Polarização de MOSFETs

EXERCÍCIOS

30

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I

Polarização de MOSFETs

EXERCÍCIOS

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I

Polarização de MOSFETs

EXERCÍCIOS

31

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 61

O MOSFET como

Amplificador

61

ENG04077 – Eletrônica I

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 62

Amplificador Básico

Amplificador Fonte Comum

Topologia Básica

Representação Gráfica da Reta de Carga

Determinação da Curva de Transferência

triodovvfi

saturadovfi

iRVvv

DSGSD

GSD

DDDDDSO

),(

)(

32

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 63

Curva de Transferência

Determinação da Curva de Transferência

A curva de transferência

mostra a operação como

amplificador, com o

MOST polarizado no

Ponto Q.

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 64

Reta de Carga

Influência da Reta de Carga na Excursão de Sinal

Ponto Q1 não deixa espaço

suficiente para excursão

positiva do sinal, muito

próximo de VDD

Ponto Q2 não deixa

espaço suficiente para

excursão negativa do

sinal, muito próximo

da região de Triodo.

33

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 65

Exercício para casa!

• Considere o amplificador Fonte

Comum – FC ao lado cujo transistor

possui o seguintes características:

– k’n(W/L) = 1mA/V2

– Vt = 1V

– RD = 18kΩ

– VDD = 10V

• Aplicar o processo de análise descrito

anteriormente nesse circuito:

– Para cada valor de vI, calcula-se vO

– Tendo um conjunto de pares (vI ; vO),

traça-se a curva vI x vO

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 66

Pequenos Sinais

Circuito conceitual para estudo do modelo de pequenos sinais

Fonte de Polarização

Fonte de Sinal

34

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 67

Pequenos Sinais

Aplicação de um sinal de entrada de 150 mVpp

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 68

Pequenos Sinais

2'

2

1tGSnD VV

L

WkI

tGS

D

Dn

GS

Dm

OVntGSnm

GS

Dm

VV

I

IL

Wk

V

Ig

VL

WkVV

L

Wkg

V

Ig

2

2 '

''

VOV – Tensão de overdrive

35

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 69

Pequenos Sinais

Resposta de saída do amplificador Fonte Comum

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 70

Tensões instantâneas vGS e vD no

circuito abaixo.

Pequenos Sinais

36

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 71

Modelo para Pequenos Sinais

Modelo Simplificado Modelo Extendido

Considerando o efeito de modulação do

comprimento do canal (EARLY) que é

modelado por ro = |VA| /ID

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 72

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/V2

– Vt = 1,5 V

– VA = 50 V

– RD = 18kΩ

– VDD = 10V

• Suponha que os capacitores são

praticamente curto circuitos para sinal.

• Calcule:

– O ganho de pequenos sinais

– A resistência de entrada

– O maior sinal de entrada para

operação em saturação.