fundamentos de electrónica transístores de efeito de campo metal oxide semiconductor field effect...

Fundamentos de Electrónica

Transístores de Efeito de Campo

Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor – MOSFET

Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 2

Roteiro

Equações aos terminais Modelo de pequenos sinais Montagens amplificadores de um único canal Princípios Físicos Modelo de alta-frequência


Transístor de efeito de campo de reforço

SG D

B

Source DrainGate

L

Channel

N N

P

Body (substrate)

TransistorNMOS de enriquecimento

W

Valores típicos:L=1 to 10 mW=2 to 500 mOxid layer = 0.02 to 0.1 m

Oxide Layers

Drain – DrenoSource – Fonte

Gate - Gate


Funcionamento

S G D

Channel

N N

P

B

Regiãode depleção

Em funcionamento normal as junções (S e D)

estão ao corte

Notar que o dispositivo é simétrico se não

contarmos com a ligação S - B

Vds

Vgs


Criação do canal

S G D

Channel

N N

P

B

A aplicação de uma tensão

positiva na gate atrai electrões de forma a se formar uma região tipo N

(inversão de população)

Canal

Diz que se forma o Canal

Vgs > Vt Formação de canal

Vt -> Tensão de Limiar

NMOS

Canal tipo N

A gate e o canal formão as placas

de um condensador


FET

NMOS FET – Canal N PMOS FET – Canal P

FET EnriquecimentoFET Enriquecimento – O canal não existe e tem de ser criado -> Vt > 0

FET DepleçãoFET Depleção – O canal é pré implementado. Este é removido aplicando uma tensão negativa na gate. Vt < 0


Funcionamento na zona de tríodo

Para Vds pequenoVds pequeno o canal comporta-se como uma resistência variável

S G D

Channel

N N

P

B

Canal

Vgs VdsiD

vdsVgs<Vt

Vgs=Vt+1V

Vgs=Vt+2V

Vgs=Vt+3V

ID


Saturação

S G D

N N

P

B

Canal

Vgs VdsCanal

Saturado tríodo

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.


Curvas características

Vgs

M1Vds

Zona de tríodo

Zona de saturação

Vgs<Vt

Vgs=1.4V

Vgs<1.6V

Vgs<1.8V

Vgs<2V

Vt=1V


Equações

2

2

1DSDSTGSnD vvVv

L

Wki

oxnn Ck

2TGSnD Vv

L

Wki

Região de tríodo

Região de saturação

Valores típicos

mtot

Vscm

ox

n

1.002.0

/580 2

cmFox /105.3 13

Constante dieléctrica

mmC

mmC

ox

ox

02.0 tpara/fF 75.1

1.0 tpara/fF 35.0

ox2

ox2

mVAk

mVAk

n

n

1.0 tpara/20

03.0 tpara/100

ox2

ox2


PMOS

S G D

Channel

P P

N

B

Canal

Vgs < Vt

Formação de canal

Vt -> Tensão de Limiar

Canal tipo PCanal tipo P

Vt < 0


CMOS

S G D

P P

N

S G D

N N

P

Oxido isolante

Poço N(N Well)


Símbolos

NMOSNMOS PMOSPMOS

D

G

S

G

D

S

G

G

D

S

D

S

ID

ID

ID

ID


Equações PMOS

2

2

1SDSDTSGnD vvVv

L

Wki

oxnn Ck

2TSDnD Vv

L

Wki

Região de tríodo

Região de saturaçãoVdsVgs

S

GD

VdsVgs

S

GD


Modelação de canal

DSTGS vVvL

Wk 1

2

1 2

/1AV VaVA 300200D

O Ir

1

VA


Modelação de canal

N N

P

LL

O aumento de VDS faz diminuir a largura efectiva do canal (L), resultando num aumento da corrente no dreno.


NMOS de depleção Canal já está implantado.

Conduz com VGS=0

0TV

-2,0E-05

0,0E+00

2,0E-05

4,0E-05

6,0E-05

-2,0 -1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0

Vgs (V)

Id (A

)

reforço

depleção


PMOS de depleção Canal já está implantado.

Conduz com VGS=0

0TV

-2,0E-05

0,0E+00

2,0E-05

4,0E-05

6,0E-05

-2,0 -1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0

Vgs (V)

Id (

A)

reforço

depleção


Exercícios

Pagina 12


Efeito da temperatura

Vt diminui cerca de 2mV por ºC

K diminui com a temperatura (efeito dominante)

Corrente diminui com a temperatura

oxnn Ck


Efeito de corpo

SBTSB

f

TT VVVVV 32.022

00

fSBfTT VVV 220

ox

SA

C

Nq

2 2/15.0 Vtipico

VT depende de VSB

Vf 6.02 Nivel de fermi

(parametro físico)


Disrupção

Disrupção Pode dar-se a disrupção da junção Drain-Boby

para valores de Vds elevados. (50 a 100V) Punch Through

Quando a tensão Vds atinge valores (20V) tais que a região de depleção da junção Drain-body se estende través do canal até à source.

Disrupção do Oxido Vgs atinge valores de cerca de 50V. Destrutiva.

Diodos limitadores.


MOSFET como amplificador

gsGSGS vVv

Montagem para analise

do MOSFET como um

amplificador

Analise para pequenos sinas:Temos, vGS=VGS+vgs

Sinal total (mM)

Grande sinal ou

componente DC (MM)

pequeno sinal ou

componente AC (mm)

GSv

A variação do pequeno sinal vgs vai provocar a variação da corrente id que

por sua vez irá provocar a variação de vo.

Vgs

M1vgs

R11kohm

VDD

Vo


Analise de pequenos sinais

Pequenas variações em Vgs produzem variações em Vo. Desde que estas

variações sejam pequenas a relação é linear. Temos:

gsVo vAv

gsGSGS vVv

oOO vVv

VA - Ganho de tensão

Vgs

M1vgs

R11kohm

VDD

Vo


Analise de pequenos sinais

22

2

1

2

1tgsGSntGSnD VvV

L

WkVv

L

Wki

22

2

1

2

1gsngstGSntGSn v

L

WkvVV

L

WkVV

L

Wk

Para tGSgs VVv 2 Podemos desprezar o ultimo termo e fica:

dDD iIi com

gsgsTGSnd vgmvVVL

Wki .

TGSn VVL

Wkgm

O ganho de tensão será: Dgs

ov Rgm

v

vA


Modelo de pequenos sinais

r

Modelo Modelo T

GD

S

gsvG

D

S

gsC vgmi .

gm/1

TGSn VVL

Wkgm

gsC vgmi .

Dn IL

Wkgm 2

TGS

D

VV

Igm

2

ou

ou

gm menor do que dos BJT

Por separação da fonte de corrente em duas fontes


Incorporando o efeito de EarlyModelo aumentado

GD

S

gsv

D

AO I

Vr

Or

ro modela o efeito de modelação de canal. Pode

ser considerado como a resistência de saída da

fonte de corrente.


Transcondutância de corpo

G

S

D

B

vBS

+

-gm.vGS

ro gmB.vBSvGS+

-

gmv

igm

BS

DB

SBf V

22Para

Vsb=0322.0

6.02

5.0


Técnicas de polarização

Rg2

VDD

Rs

RdRg1

VDD

Rg

VDD

Rs

VSS

Rd

Circuitos discretos:

Rg

VDD

Rd

Rg

VDD

Rd


Técnicas de polarizaçãoCircuitos integrados:

VDD

Rd

Rp

VDD

Espelho de corrente

Andar de amplificação


Circuitos de viragem de corrente Com uma sucessão de espelhos de corrente

pode alterar o sentido da corrente


Configurações básicas amplificadoras de um único andar Implementação em circuito integrado, com cargas activas (transístores)

em vez de resistências.

Fonte comum:Ganho de tensão

elevado

Gate comum:Boa resposta em

frequência

Dreno comum:Ganho de corrente

elevado

VDD

Vo

Vi

VDD

Vo

Vi

VDD

Vo

Vi


Fonte comum (source)

)//( 21 rorogmAV

Ganho de tensão:

GSvgm.+

-GSv 1ro 2ro

Modelo de pequenos sinais:

IR

21 // roroRO I1

VDD VDD

vo

+

-vi Q1

Q2


Fonte comum

I II III IV

Curva de transferência Região de funcionamento

Q1 Q2

I off

II Sat Triu

III Sat Sat

IV Triu Sat

É utilizada realimentação para garantir o funcionamento na zona III.

Não é influenciada pelo efeito de corpo


Gate comum

Vbias

+

-vi

Q1

Q2Q3

)//)(/1( 21111 rororogmgmA BV

2

1

11

11

ro

ro

gmgmR

Bi

ibo

O

Oib

oi

vro

gmgmroro

v

r

vvgmgm

ro

vv

111

21

211

1

1

)//(

)(

1ro

iB vgmgm )( 11 2ro

VDD VDD


Andar Dreno Comum (Source Follower)

I1

Vss

Vdd

Vo

1Q

2Q3Q

G

S

Voiv+

-1gsv

2ro

1. gsvgm OB vgm .

1ro

G

S Vo

Bgmroro

1//// 12

1GSvgm1GSv

+

-

IB

IS

SO

SOIO

vgmgmroro

gmv

Rgm

Rgmv

Rgmvvv

21 111

)(

1

1

I

OV v

vA

BO gmgmroroR 1//1//// 21

)1(

1

gm

RO


Tecnologia NMOS5V

VDD

IN

OUT

5VVDD

IN

OUT

Com transístor de depleção

22

1

1

1

)/(

)/(

LW

LWAV

1

)/(

)/(

2

1

LW

LWAV

A

BQ1 Tríodo

Q1

Q2

Q1 Saturação

Q1 OFF

Vdd-Vt2


Inversor CMOS

DDONGSN VVv

Operação

iD

vO

0SGPv

DDOH Vv

N – Zona SaturaçãoP – Zona

Tríodo

P – Zona SaturaçãoN – Zona

Tríodo

DDONGSP VVv

0SGNv

NQ

PQ

0Iv

DDI Vv

0OLv

Vi Vo

VDD


Característica de transferência

Declive -1

Declive -1

Qn OFF

Vdd/2 +Vt

Vdd/2 -Vt

VIL

VOLVOL

VIH

Qp OFF

Qn SaturaçãoQp tríodo

Qp e Qn na Saturação

Qp SaturaçãoQn tríodo


Margens de Ruído - Cálculo de VIL 22

2

1

2

1TIDDOOTI VvVvvVv

Zona saturaçãoZona triúdo

Derivando

22

)(

DDIHOLI

DDO

TIDDOTIO

TIDDI

OO

I

OTIO

VVVv

Vv

VvVvVvv

VvVv

vv

v

vVvv

Substituindo em cima resulta

TDDIL

TDDIH

VVV

VVV

238

1

258

1

E

)23(8

1

)23(8

1

TDDOLILL

TDDIHOHH

VVVVNM

VVVVNM

1

I

O

v

v

Assume-se que o dispositivo é

simétrico:

P

N

N

P

W

W

OXNN Ck

OXPP Ck


Operação dinâmica

PHLt

t

tPLHt

Região saturação

Região tríodo

Resulta para o tempo de propagação:

DD

tDD

tDD

t

tDDn

n

PHL V

VV

VV

V

VVLW

k

Ct

43ln

2

12

DDt VV 2.0 DDn

n

PHL

VLW

k

Ct

6.1

Vi

Vo

Vdd

Vdd

Vdd/2


Fluxo de corrente e dissipação de potência

VDDVDD/2tNV tNDD VV

I

VI

A carga fornecida será

DDVCQ E a energia

2DDDD VCVQE

A potencia será2

DDVCfP

Para uma dadatecnologia é conhecido

o produto atraso potência:

2/ DDDPD CVfPtPDP


Modelo de alta frequência Capacidade da gate

OXgdgs CLWCC2

1

Tríodo Saturação Corte

03

2

gd

OXgs

C

CLWC

OXgb

gdgs

CLWC

CC

0

OXOVgdgdOXOVgsgs CLWCCCLWCC

O

SB

sbsb

V

V

CC

1

0

O

DB

dbdb

VV

CC

1

0

Capacidade das junções


Modelo de alta frequência

gsvgm.

Cgd

Cgs

G

ro

S

B

Csb

Cdb

bsvgm.

D

Modelo simplificado

Cgd

Cgs

G

ro

S

D

gsvgm.Produto ganho largura de banda:

)(2 gdgsT CC

gmf


5V 1000Hz 0Deg

5V

VDD

-5V

5V

|Vt|=2V

RlCl

vo

5V

VDD

21

O MOSFET com um interruptor

5V 1000Hz 0Deg

-5V

VDD

-3V

7V

Vt=2V

RlCl

vo

Tgsnds

dsdsTgsn

vds

dD Vv

L

Wk

v

vvVvLW

k

v

ir

ds

2

21

)(

0

Para tensões vds pequenas o MOS comporta-se como uma resistência da valor:

Entre -3V e 3V ambos conduzem>3V Qp conduz, <3V Qn conduz


Porta de Transmissão

-5V

OUT

-5V

Vdd

IN OUT

C

C

C

C


ParâmetrosTensão de limiar VT0 V 0

Transcondutância do processo

KP A/V^2 2E-5

Efeito de corpo GAMMA V^(1/2) 0

Modelação de canal LAMBDA V^-1 0

Espessura do oxido TOX m 0

Difusão lateral LD m 0

PHI V 0.6

Dopagem NSUB cm^-3

Mobilidade U0 cm^2/Vs 600

Resistência da fonte RS 0

0tV

nk pk

oxt

ovL

f2

AN DN

SR


ParâmetrosResistência do dreno RD 0

Capacidade da junção de corpo com

polarização nula

CJ F/m^2 0

Coeficiente de gradação

MJ 0.5

Capacidade de sobreposição gate

fonte

CGSO F/m 0

“ ” gate fonte CGDO F/m 0

Tensão interna da junção

PB V

DR

0jC

m

ovC

ovC

oV


Dedução das equações

)(xvvv gsgx ox

oxox t

C

canal no potêncial o é )(xv

dx

xdvxE

)()( Tgsox VxvvdxWCxdq )()(

dx

dvVvvWCExdqi xTxgsoxnn )()(

Integrando de 0 a L ou o que é equivalente de 0 a Vds

DSv

xTxgsoxn

L

d dvVvvWCdxi00

)(

2/)(/ 2

dsvvVvLWCi dsTgsoxnd

Na zona de saturação podemos fazer TGDS Vvv donde resulta

22

1TgsoxnD Vv

L

WCi

ocompriment de unidadepor carga a é)(xdq

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