1

1

EE530 Eletrônica Básica IProf. Fabiano Fruett

Aula 6A - Transistores de Efeito de Campo

• Introdução aos MOSFET• Estrutura • Regiões de operação • Características de corrente e tensão• Modelos de grandes e pequenos sinais• PMOS

Inventor do transistor MOSFET

2

Julius Edgar Lilienfeld (1881-1963)

US patent 1745175 "Method and apparatus for controlling electric current" 22.10.1925, describing a device similar to a MESFET

US patent 1900018 "Device for controlling electric current" 28.03.1928, a thin film MOSFET

US patent 1877140 "Amplifier for electric currents" 08.12.1928, solid state device where the current flow is controlled by a porous metal layer, a solid state version of the vacuum tube

US patent 2013564 "Electrolytic condenser" filed on 29.08.1931, Electrolytic capacitor

Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/Julius_Edgar_Lilienfeld

2

3

Introdução

O Transistor de Efeito de Campo tipo metal-óxido semicondutor (MOSFET)

atualmente domina o cenário da microeletrônica comercial. Funções lógicas

digitais e memórias podem ser implementadas com circuitos que utilizam exclusivamente MOSFETS. A maioria dos CIs VLSI (Very Large Scale Integration) é

feita utilizando-se a tecnologia MOS.

4

Lei de Moore em ação

Estado da arte, processo com dimensões de 0.022 µm

Fonte: Lei de Moore http://www.cmg.org/measureit/issues/mit41/m_41_2.html1975

3

5

Projeção para o estado da arte da tecnologia MOSFET

Fonte: J. Rabaey, Digital Integrated Circuits SIA´01

6

Projeto baseado no avanço tecnológico :Silicon RadioIntel

Objetivos:

• Integrar todos os componentes de um rádio em um único chip, incluindo microcontrolador

• Aumentar a flexibilidade e oportunidade de aplicações dos produtos Intel (wireless systems).

Fonte: Intel

4

7Fig. 5.1

Estrutura física do NMOS tipo enriquecimento

Estado da arte:L = 22 nm

Espessura

do óxido = 18 Å

8

Simbologia do MOSFET canal N (NMOS)

Observe que o terminal de dreno e fonte são definidos pela polarização externa podendo ser

intercambiados conforme a operação do transistor

5

9

Capacitor de placas paralelas

10

NMOS com tensão de porta (a), Região de depleção (b) e formação do canal (c)

6

11

Formação do canal e polarização conveniente do substrato

Região depletada de portadores

Fonte: Sedra Fig. 5.2

- - - - -

12Fonte: Sedra Fig. 5.3

VGS > Vt e VDS pequeno

Condutância controlada por VGS

NMOS com tensão de Porta e de Dreno

7

13

Característica I versus V para NMOS com tensão de Porta e de Dreno*

* VD dentro de um certo limite

14

Operação como resistor linear

( )1

on

n ox GS t

RW

C V VL

µ=

−

8

15Sedra Fig. 5.5

VGS > Vt e

VDS ⇑Estreitamento do canal

Perfil do canal com tensão VDS crescente

16

Estrangulamento do canal

Variação do comprimento com a tensão de dreno

9

17Fig. 5.6

Corrente de drenoiD versusa tensão dreno-fonte vDS , para vGS > Vt

18

Regiões de operação com base nas tensões de porta e dreno

Perfil do canal na região de saturação

10

19Fig. 5.11

CaracterísticaiD - vDS para um NMOS

( )´ 21

2D n GS t DS DS

Wi k v V v v

L = − −

( )2'1

2D n GS t

Wi k v V

L= −

Região linear (Triodo):

Região de saturação:

´n n oxk C= µ

Sendo que:

2

A

V

20

Mobilidade de elétrons: 2580 cm /Vsn ≃µ

Espessura do óxido: 0,02 a 0,1 µmoxt =

Permissividade do óxido:

0

14 13

3,97

3,97 8,85 10 3,5 10 F/cm

ox

− −

=

= × × = ×

ε ε

Capacitância do óxido:

2

2

/

1,75 fF/µm para 0,02 µm

0,35 fF/µm para 0,1 µm

ox ox ox

ox

ox

C t

t

t

=

= =

= =

ε

Parâmetro de transcondutância do processo:

´

2

2

100 µA/V para 0,02 µm

20 µA/V para 0,1 µm

n n ox

ox

ox

k C

t

t

=

=

=

≃

≃

µ

Fonte: Sedra Tabela 5.1

11

21

Modulação do comprimento do canal

22Fig. 5.12

Característica iD – vGS do NMOS na saturação

Vt = 1 V ek’n(W/L) = 0.5 mA/V2 ( )2'1

2D n GS t

Wi k v V

L= −

12

23

Modelo equivalente para grandes sinais na região de saturação

constante

1

0GS

D

vDS

ir

v =

− ∂≡ ∂

( )2´1(1 )

2D n GS t DS

Wi k v V v

L= − + λ ( )

12

0

´

2n

GS t

k Wr v V

Lλ

− = −

[ ] 1

0 Dr Iλ −= 0A

D

Vr

I=

O MOSFET como AmplificadorCircuito Conceitual

GS GS gsv V v= +

Consideramos: 0gsv =

e operação na região de saturação.

0λ =

( )2´1

2D n GS t

WI k V V

L= −

Desprezando efeito da modulação de canal:

D DD D DV V R I= −

DS GS tV V V> −

Deve-se garantir que:

Ponto de Polarização

13

Transcondutância

( )2´1

2D n GS gs t

Wi k V v V

L= + −

( ) ( )2´ ´ ´ 21 1

2 2n GS t n GS t gs n gs

W W Wk V V k V V v k v

L L L= − + − +

( )´d n GS t gs

Wi k V V v

L= −

( )´dm n GS t

gs

i Wg k V V

v L≡ = −

GS GS

Dm

v VGS

ig

v =

∂≡∂

Pequenos sinais:

25

Análise da transcondutâncias MOS

( )m n ox GS t

Wg C V V

Lµ= −

( )21

2D n ox GS t

WI C V V

Lµ= −

2m n ox D

Wg C I

Lµ=

Dependências:

26

2 Dm

GS t

Ig

V V=

−

14

Ganho de tensão

( )D DD D D dv V R I i= − +

d d D m D gsv i R g R v= − = −

dm D

gs

vg R

v= −

gsv

gsvMinimiza distorção não-linear

gsv

27

Modelos equivalentes para pequenos sinaisMOSFET na região de saturação

Incluindo o efeito da modulação de canal:

Ao

D

Vr

I≃

28

15

Comparação entre transcondutâncias MOS e Bipolar

( )m n ox GS t

Wg C V V

L= −µ

( )2´1

2D n GS t

WI k V V

L= −

´2m n D

Wg k I

L=

MOSFET Bipolar

Cm

T

Ig

V=

Exercício: Compare numericamente as transcondutâncias

'n n oxk Cµ=

29

R30

Exemplo:Encontre Av e Rin

´ 2

1,5 V,

0,25 mA/V e

50 V

t

n

A

V

Wk

L

V

=

=

=

16

R31

Modelo T

R32

Exercício: Mostre que os dois modelos abaixo são equivalentes

17

33

A função do substrato – O Efeito de Corpo

SBv

0 2 2t t f SB fV V Vγ φ φ = + + −

Parâmetro de efeito de corpo:

2 A S

ox

qN

C

εγ =

Vt corrigido:

R34

Reflexo do efeito de corpo no modelo de pequenos sinais

O efeito de corpo ocorre quando a fonte não está conectada ao corpo

18

Transcondutância de corpo

( )2´1

2D n GS t

Wi k v V

L= −

0 2 2t t f SB fV V Vγ φ φ = + + −

( )´dm n GS t

gs

i Wg k V V

v L≡ = −

constante constante

GS

DS

Dmb v

vSB

ig

v ==

∂≡∂ 2 2

t

SB f SB

V

V V

γχφ

∂≡ =∂ +

mb mg gχ=

GS GS

Dm

v VGS

ig

v =

∂≡∂

R36

Resumo dos Modelos para pequenos sinais:

19

Transistores com canal-curto e efeito da velocidade de saturação

n nυ µ ξ=n sat n cυ υ µ ξ= =

satDSAT c

n

LV L

υξµ

≈ =

( )DSAT D DS DSATI I V V= =

( )´ 21

2D n GS t DSAT DSAT

Wi k v V v v

L = − −

Ajuste para a região triodo:

37

Transistores PMOS

38

20

39

CaracterísticaiD - vDS para o PMOS

40

Simbologia (NMOS e PMOS)

21

41Fig. 5.9

Seção transversal de um circuito integrado CMOS (MOS Complementar)

substrato P

42

Comparação entre transistores bipolares e MOS

O transistor Bipolar possui um maior gm quando comparado ao MOSFET, para uma determinada corrente de polarização, devido a sua característica I versus V exponencial.

22

43

Sugestão de estudo• Razavi, Cap. 6

• Sedra/Smith cap. 5 seções 5.1 até 5.3– Exercícios e problemas correspondentes

Para saber mais:

Paul R. Gray e Robert G. Meyer, Analysis and Design of Analog integrated Circuits, John Wiley & Sons

T. Tsividis, Design considerations in single-chanel MOS analog integrated circuits – A tutorial”, IEEE JSSC SC 13, pp 383-391, junho de 1978