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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


Capacitor MOS

• Capacitor usual

• metal-isolante-metal

metal

metal

isolante

metal

semicondutor dopado

óxido

• Capacitor MOS

• metal-óxido-semicondutor


Capacitor MOS polarizado

• Capacitor usual


• E : campo elétrico

• Capacitor MOS



metal

metal

isolante

Vc

E

metal

óxido

Vc

semicondutor dopado - p

E

3



• Capacitor usual



• C = Qt/Vc

• Capacitor MOS



• Ceq= Qt/Vc = (Qi+Qd)/Vc

metal

metal

isolante

Vc

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

– – – – – – – – – – – – – – –

+Qt

–Qt

E

metal

óxido

Vc

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


– – – – – – – – – – – – – – – –Qi –Ө –Ө –Ө –Ө –Ө –Ө –Ө –Qd

E

região depletada



• 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


– – – – – – – – – – – – – – – –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


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)



5




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 (VGS = 0)

Funcionamento


•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


•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


• 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


Região ôhmica – iD x v

DS

Resistor linear controlado por vGS

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


• 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


Dependência de Rcanal em VDS

Região ôhmica – canal gradual


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


Curva completa iD x vDS : saturação do canal

Saturação - iD x v

DS

vGS > Vt


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 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


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:


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 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


• 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



NMOS: modelo para grandes sinais em saturação,

incluindo o efeito Early


16


PMOS: símbolos e polarização

Transistor PMOS


PMOS: níveis relativos de tensão entre os terminais

Transistor PMOS

17


Resumo

NMOS

PMOS


MOSFET

Circuitos Digitais

34


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

SY

BACS

S


Lógica CMOS – ‘ou’ exclusivo XOR

21


MOSFET

Polarização

41



Modelos Grandes Sinais

NMOS

PMOS

22


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


2'

2

1tGSnD VV

L

WkI


GSDS VV tGSDS VVV

DDDGS VRIV

Autopolarização

O transistor está sempre em

Saturação!

23


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


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.


Estabilidade de ponto Q

2'

2

1tGSnD VV

L

WkI

(VT1; kn1 )

(VT2; kn2 )

25



DD

GG

GGGS V

RR

RVV

21

2

ΔID



S

GSGDDSGGS

DD

GG

GG

R

VVIIRVV

VRR

RV

21

2

26




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




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



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




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


29



EXERCÍCIOS



EXERCÍCIOS

30



EXERCÍCIOS



EXERCÍCIOS

31


O MOSFET como

Amplificador

61



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


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 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


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


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

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


Pequenos Sinais

Resposta de saída do amplificador Fonte Comum


Tensões instantâneas vGS e vD 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 ro = |VA| /ID


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.

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