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IE640

IE640 Eletrônica II

Aula #2

Revisão e comparação do MOSFET

com o TBJ

Prof. Fabiano Fruett

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

Q

3

Fonte Sedra & Smith, Fig. 5.1

Estrutura física do NMOS tipo enriquecimento

Estado da arte:

L = 22 nm

Espessura

do óxido = 1 nm

Q

4

Indução do canal

Região depletada de portadores

Fonte: Sedra Fig. 5.2

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2

Q

5

Fonte: Sedra Fig. 5.3

VGS > Vt e

VDS pequeno

Condutância controlada por VGS

Q 6

Operação como resistor linear

Q

7

Fig. 5.5

VGS > Vt e

VDS ⇑Estreitamento do canal

Q

8

Fig. 5.6

Corrente de dreno iD versus a tensão

dreno-fonte vDS , para vGS > Vt

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3

Q

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Fig. 5.11

Característica iD - 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

Q

10

Fig. 5.12

Característica iD – vGS do NMOS na saturação

Vt = 1 V e k’n(W/L) = 0.5 mA/V2

( )2'1

2D n GS t

Wi k v V

L= −

Q 11

Característica iD - vDS para o PMOS

Q 12

Simbologia

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4

Q

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Fig. 5.9

Seção transversal de um circuito

integrado CMOS (MOS Complementar)

substrato P

Q 14

Projeção para o estado da arte da tecnologia

MOSFET

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

Transistores com canal-curto e efeito da

velocidade de saturação

Q 15

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:

16

Inventores do Transistor Bipolar de Junção

John John John John Bardeen, Walter Brattain and Bardeen, Walter Brattain and Bardeen, Walter Brattain and Bardeen, Walter Brattain and William ShockleyWilliam ShockleyWilliam ShockleyWilliam Shockley

Bell LabsBell LabsBell LabsBell Labs

16 de Dezembro de 1947

EE640

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N 17

Correntes em um NPN operando na região ativa

EI CI

BI

BEVCBV

Fluxo convencional

18

Transistor bipolar

Fonte: Sedra/Smith

19

Equação

+

−=

A

CEV

v

SC V

veII T

BE

11k

qT

TV =

IC é a corrente de coletorVT a tensão termodinâmica = kT/qk é a constante de Boltzmann, k=1,38062E-23 [J/K]T a temperatura em Kelvinq a carga do elétron 1.60E-19 [C]portanto VT @ temperatura ambiente = 25 mVIS corrente de saturação reversa

20

Corrente de saturação reversa para

um transistor npn

BA

niES WN

DnqAI

2

=

ln CBE

S

IkTV

q I

=

Relação VBE vs. IC

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Comparação MOS vs. TBJ no modo de

operação ativo

( )2'1

2D n GS t

Wi k v V

L= − exp BE

C ST

vi I

V

=

( )DS GS t OVv v V v≥ − = 0,5 VBE BEonv V≥ ≃

0,4 VBC BConv V< ≃

0Gi = CB

ii

β=

22

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:

23

Detalhes sobre gm

( )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 as transcondutâncias

'n n oxk Cµ=

Modelo π-híbrido para baixa frequência

´2m n D

Wg k I

L= C

mT

Ig

V=

'

0A A

D D

V V Lr

I I= = 0

A

D

Vr

I=

( )11 e

m

r rgπ

β β+= +≃

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Exercício: Calcule o ganho intrínseco

das duas configurações abaixo.

+V +V

0v 0v

iv iv

I I

Modelo T para baixa frequência

1

βαβ

=+

Modelo π-híbrido para alta frequência

2

3gs ox ov oxC WLC WL C= +

gd ov oxC WL C=

de jeC C Cπ = +02

de F m

je je

C g

C C

τ=≃

0

0

1m

CB

C

CC

V

V

µµ =

+

é o tempo de trânsito de base direto

é a tensão interna da junção

é o coeficiente de graduação da junção

é o das difusões de dreno e fonte abaixo do óxido de porta

F

CO

ov

V

m

L overlap

τ

Valores típicos de parâmetros de dispositivos

CMOS TBJ

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FIM