MOSFET

Operacao Fısica, Circuitos, como Amplificador e Configuracoes

Basicas em CIs

Igor Almeida, 06080003701 Luiz Felipe Soares, 06080006301

Patric Pereira Lima, 04080005301

18 de dezembro de 2008

1 Introducao

Esse trabalho versa sobre transistores de efeito de campo (field effect transistor - FET, do ingles), maisespecificamente, os do tipo metal-oxido-semicondutor-MOS que da juncao das siglas inglesas, econhecido por MOSFET.

O trabalho comeca com uma descricao comparativa detalhada da construcao fısica e das caracterısticasdo MOSFET, comparando seus dois tipos: de enriquecimento e de deplecao. Em seguida apresentacircuitos que se utilizam de MOSFETs e discute suas aplicacoes como amplificador. Finalmente, abordaas aplicacoes basicas em CIs.

A aplicabilidade atual dos MOSFETs e muito grande, ja que podem ser fabricados em tamanhosdiminutos, integrando pastilhas de CIs. Como no TJB (Transistor Bipolar de Juncao) o MOSFETcontrola a corrente entre dois terminais variando a tensao em um terceiro terminal. No caso do MOSFETisso e feito atraves da variacao de um campo eletrico, propriedade que origina seu nome.

2 Estudo Comparado: MOSFET tipo Enriquecimento e tipo

Deplecao

2.1 Estrutura

Em estrutura fısica, ambos os tipos de MOSFET sao muito semelhantes: substrato formado porsubstancia do tipo 1 (que pode ser “n” ou “p”), com fendas simetricas preenchidas por substanciado tipo 2 (complementar ao substrato) fortemente dopada (n+ ou p+).

Acima da regiao do canal (espaco entre as duas fendas preenchidas) deposita-se uma camada dematerial isolante (SiO2), e sobre ela, metal para o contato. Metal tambem e depositado sobre as duasfossas e a face inferior do substrato.

Os quatro terminais do MOSFET sao denominados: Fonte (Source), Dreno (Drain), Porta (Gate) eCorpo (Body).

O tipo do substrato define o tipo do MOSFET. Se o substrato e do tipo P, temos um PMOS (MOSFETtipo P), caso tipo N, temos um NMOS (MOSFET tipo N). Na Figura 1 podemos observar a estrutura deum MOSFET tipo “n” (NMOS) de enriquecimento, com sua camada “n” induzida. No caso do MOSFETtipo “n” de deplecao, terıamos como unica diferenca que o canal teria sido construıdo, e nao induzido.

Para o MOSFET tipo enriquecimento, um canal deve ser induzido atraves de uma tensao de inducaoVGS , caso contrario, nao sera possıvel obter corrente entre os terminais Fonte(S) e Dreno(D). Para quehaja a criacao do canal, VGS deve ser maior do que a tensao de limiar (representado por Vt).

A porta e o corpo formam um capacitor de placas paralelas, portanto gerando um campo eletrico,responsavel pela condutancia do canal, uma vez aplicado VDS .

Para um pequeno valor de VDS , forma-se um canal paralelo. Obviamente, a altura desse canal eproporcional a tensao VGS aplicada.

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Figura 1: Estrutura fısica do NMOS

Na medida em que VDS aumenta, e se aproxima de VGS , a tensao do canal sofrera variacao de VGS atea diferenca VGS − VDS . Assim nao apresentando mais uniformidade no canal, e sim, um estreitamento,conforme a Figura 2.

Figura 2: Estreitamento do canal por diferenca de tensao

Na medida em que aumentamos a tensao VDS o estreitamento do canal do dreno aumenta. QuantoVDS = VGS−Vt, o canal no dreno torna-se muito superficial, e diz-se que o canal encontra-se estrangulado.A situacao descrita pode ser observada tambem no grafico da Figura 3, que apresenta a relacao iD versus

VDS .Um breve comentario deve ser feito sobre o PMOS. Para esse tipo de MOSFET, como ja explicado,

ocorre a inversao das posicoes dos materiais no dispositivo, e consequentemente, a inversao da tensaopara seu correto funcionamento.

Comparamos agora o exposto com o MOSFET tipo Deplecao.

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Figura 3: Caracterıstica iDversusVDS

Considere um NMOS de deplecao. Dadas as caracterısticas estruturais desse dispositivo, ele naonecessita de uma tensao na porta para a geracao do canal, que ja existe de fabrica. A questao aqui eque a condutancia do canal pode ser aumentada ou reduzida pela atuacao de uma tensao na porta.

Caso apliquemos VGS positivo, o canal tornar-se-a mais condutivo. Caso contrario, mais resistivo,podendo atingir um valor tal que a corrente iD atinge zero. Essa caracterıstica e importante para autilizacao do NMOS de deplecao como chave. As caracterısticas iD versus VDS sao similares as dodispositivo de enriquecimento, exceto que Vt para o dispositivo de deplecao NMOS e negativo.

2.2 Caracterısticas de Corrente e Tensao

Suponha um NMOS Enriquecimento, com VGS > Vt aplicado entre a porta e a fonte, e uma tensao VDS

aplicada entre o dreno e a fonte. Para que esse dispositivo trabalhe na regiao de triodo, e necessario queVDS < VGS − Vt.

Aqui e importante lembrar que o contato da porta e o substrato (corpo) formam um capacitor, cujodieletrico e o oxido, com capacitancia:

Cox =εox

tox

As curvas caracterısticas na Figura 4 explicitam tres regioes de operacao de um MOSFET: regiao de

corte, regiao do triodo e regiao de saturacao. A regiao de saturacao esta intimamente relacionadacom o funcionamento do MOSFET como amplificador (topico abordado mais a diante).

E possıvel provar que iD na regiao do triodo e determinada por:

iD = K ′

n

W

L

[

(VGS − Vt)VDS −

1

2V 2

DS

]

onde K ′

n e:

K ′

n = µnCox

Com µ sendo a mobilidade de eletrons no canal e Cox definido anteriormente.E que iD para a regiao de saturacao e dado por:

iD =1

2K ′

n

W

L(VGS − Vt)

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A corrente de dreno e proporcional a razao entre a largura (W) e o comprimento (L). Razao essaconhecida como razao de aspecto do MOSFET. Os valores de W e de L podem ser escolhidos peloprojetista para que o dispositivo apresente as caracterısticas iD versus VDS desejadas.

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Figura 4: Curvas caracterısticas de um NMOS Enriquecimento

Como ja mencionado, as caracterısticas iD versus VDS para os dispositivos do tipo deplecao saosemelhantes as do tipo enriquecimento, com a simples excecao de que o valor Vt e negativo.

A Figura 5 apresentam as caracterısticas para um NMOS de deplecao para o qual Vt = −4V eK ′

n(W/L) = 2mA/V 2. Apesar de nao explicitada a relacao de dependencia de iD em relacao a VDS , essaexiste e e identica a apresentada para o dispositivo tipo enriquecimento.

Figura 5: Curvas caracterısticas MOSFET deplecao

A Figura 6 mostra as caracterısticas iD versus VDS na saturacao, indicando os dois modos de operacao(deplecao e enriquecimento) que o NMOS de deplecao pode assumir..

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Figura 6: Curva caracterıstica e os modos de funcionamento do dispositivo

3 O MOSFET como amplificador

3.1 Funcionamento basico

Para que o MOSFET atue como um amplificador, e necessario que sua operacao seja realizada somentena regiao de saturacao. Uma vez que essa exigencia e cumprida, o transistor se comporta uma fonte decorrente controlada pela tensao vGS . Entretanto, a regiao de saturacao apresenta uma curva caracterısticanao-linear, e uma primeira solucao para esse problema e fixar, no MOSFET, uma tensao DC, sobre aqual sera feita a superposicao do sinal a ser amplificado.

3.2 Amplificador common-source

A configuracao basica para o MOSFET como amplificador e o circuito de ”fonte-comum”(common-source,no original em ingles), como na Figura 7a.

(a) Amplificador defonte-comum

(b) Curva caracterıstica do amplificador

Figura 7: Amplificador fonte-comum

Note que o sinal sera aplicado no terminal gate do MOSFET.Analisando o circuito da Figura 7a, obtemos a curva caracterıstica, para varias situacoes de vGS , do

transistor. Na figura 7b, esta presente tambem a relacao tensao-corrente para o resistor de carga RD.Para a operacao do MOSFET como amplificador, a regiao de interesse esta compreendida entre os pontosA e B. A resposta (vO) para a entrada vI e apresentada na Figura 8.

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Figura 8: Curva de transferencia para o amplificador, com operacao em Q

Nela, podemos notar a operacao virtualmente linear do circuito para uma estreita faixa nas proxim-idades do ponto de operacao Q, fora da qual a nao-linearidade do circuito e acentuada. E importantenotar tambem a inversao da saıda em relacao a entrada. Quando a amplitude do sinal de entrada atingevalores muito proximos de VIB ou Vt, ocorrem respectivamente distorcao na saıda (diz-se que o circuitonao tem legroom suficiente) e corte dos picos para um valor constante (o circuito nao tem headroom

suficiente). E dever do projetista do circuito escolher um ponto de operacao Q intermediario, a umadistancia segura de VDD e de Vt.

O ganho pode ser calculado pelas seguintes equacoes

Av = −RDµnCox

W

L(VIQ − Vt) (1)

Av = −2VRD

VOV

(2)

onde VRDe a tensao no resistor RD, VIQ e o componente DC do sinal de entrada e VOV e a tensao

de overdrive do transistor.

3.3 Amplificador com tensao de porta fixa

Devido as imperfeicoes no processo de fabricacao, e muito comum encontrar transistores com curvascaracterısticas excessivamente dıspares, o que se traduz em problemas quando se utiliza o metodo descritoacima. Um esquema mais eficiente para contornar essa situacao esta em fixar VG e conectar um resistorao terminal source, como na figura 9.

Temos, para o circuito da figura 9, a seguinte equacao:

VG = VGS + RSID

O resistor age como um estabilizador da corrente ID, razao pela qual chama-se RS de degeneration

resistance. As figuras 10a e 10b mostram um comparativo para o erro cometido pelas duas estrategiasquando os dispositivos tem parametros diferentes.

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Figura 9: Operacao com tensao de porta fixa

(a) Operacao com VGS fixo (b) Operacao com VG e resistor

Figura 10: Erro cometido com parametros diferentes

3.4 Amplificador com resistor de realimentacao

Outra estrategia eficaz, embora limitada, e fixar um resistor entre os terminais gate e source do MOSFET,como na figura 11.

Figura 11: Operacao com resistor de realimentacao

A resistencia RG, chamada de resistencia de feedback, deve ser alta (da ordem dos MΩ), permitindoque a tensao no gate seja igual a tensao no drain, uma vez que a corrente IG e nula. Analisando ocircuito, chegamos a

VGS = VDS = VDD − RDID

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ou

VDD = VGS + RDID

isso significa que o aumento de ID provoca uma queda de VGS , que por sua vez provoca uma queda deID. A influencia de RG esta no fato de manter ID o mais constante possıvel. Esse princıpio assemelha-sea configuracao de feedback negativo no amplificador operacional. Essa configuracao pode ser utilizadacomo amplificador desde que o sinal de entrada seja aplicado no gate, lembrando que ajustes devemser feitos para que as tensoes DC (bias do circuito) sejam mantidas, por exemplo, pelo acoplamentocapacitivo da entrada.

3.5 Amplificador com fonte de corrente

A melhor forma de usar um MOSFET como amplificador e conecta-lo a uma fonte de corrente. Comum RG na casa dos MΩ, a tensao no gate se mantem em zero, por nao haver passagem de corrente; osinal pode entao ser acoplado ao gate para uma tensao DC configurada pelo resistor RD. A figura 12mostra o amplificador e uma implementacao da fonte de corrente utilizando dois transistores, um circuitoconhecido como “espelho de corrente”. A relacao abaixo e valida:

I = IREF

(W/L)2(W/L)1

indicando que a corrente de saıda depende das caracterısticas dos transistores.

Figura 12: Espelho de corrente

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4 Configuracoes basicas do MOSFET em circuitos integrados

A implementacao de resistores em circuitos integrados requer uma area grande do chip. Por esse motivo,os resistores sao, sempre que possıvel, substituıdos por fontes de corrente. A essa configuracao da-se onome “carga ativa”. As figuras 13a e 13b mostram fontes e sumidouros de corrente.

(a) Circuito MOSFET com fonte de corrente (b) Circuito MOSFETcomo sumidouro de cor-rente

Figura 13: Circuitos MOSFET em configuracoes distintas

As tres configuracoes basicas do MOSFET sao o amplificador de fonte-comum, porta-comum e dreno-comum. A primeira e representada na figura 14, onde observamos que se trata de um amplificador detensao ou transcondutancia.

Figura 14: Amplificador de fonte-comum

As outras duas configuracoes sao conhecidas, respectivamente, por ”seguidor de tensao”e ”seguidorde corrente”, vistas nas figuras 15 e 16.

Os circuitos seguidores de tensao sao utilizados como buffers de tensao, permitindo a adicao decargas sem implicar em queda de tensao e/ou corrente para o aparato posicionado antes do seguidor. Osseguidores de corrente, por sua vez, agem como buffers de corrente, mantendo o mais constante possıvela corrente no evento de um aumento da carga.

5 Aplicacoes do MOSFET em Circuitos

5.1 Amplificador CASCODE

O amplificador CASCODE e um amplificador fonte-comum que alimenta um amplificador porta-comum.Encontra aplicacao em circuitos de RF pois apresenta capacitancia de entrada mais baixa do que outrosamplificadores. A figura 17 um amplificador CASCODE utilizando um MOSFET de porta dupla.

O FET RF 3N201 tem um gm de 10000µS. Entao, o ganho de tensao sem carga e

A = −10000µS ∗ 1.8K = −18

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Figura 15: Amplificador de porta-comum

Figura 16: Amplificador de dreno-comum

Figura 17: Circuito amplificador CASCODE

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(A resistencia de saıda e aproximadamente o valor do resistor de Dreno)

5.2 Amplificador CC

Um amplificador CC e aquele que pode operar ate a frequencia zero, sem perda de ganho. A figura 18apresenta uma das formas de se construir um amplificador deste tipo. Observa-se que o primeiro estagioe formado por um MOSFET do tipo deplecao.

Figura 18: Circuito amplificador CC

Se neste projeto os MOSFETs tiverem corrente de Dreno de 3mA, cada Dreno fica com +10V . Atensao de saıda quiescente e 0V .

5.3 Amplificador Classe C

E um amplificador que encontra aplicacao em RF (acima de 20KHz). Acompanhado de um circuitotanque, sintonizado na frequencia do sinal de entrada, pois e na frequencia de ressonancia que o ganhode tensao e maximo.

A figura 19a esquematiza um amplificador classe C que poderia estar utilizando um transistor VMOS(Vertical MOS).

(a) Circuito Amplificador Classe C, utilizando VMOS (b) Circuito de acionamento de motor DC, utilizandoVMOS

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5.4 Circuito Acionador Sensıvel ao Toque com FET de potencia

No circuito da figura 19 temos o acionamento de um rele, ou mesmo outro tipo de carga com um MOSFETde potencia.

Figura 19: Circuito sensor de toque utilizando RF640

A elevadıssima resistencia de entrada desse dispositivo possibilita seu acionamento diretamente pelotoque no sensor. O resistor R1 determina a sensibilidade do circuito.

O rele empregado depende apenas da alimentacao, que deve ser de pelo menos 12V , pois os MOSFETsde potencia operam melhor com tensoes mais altas.

Para o acionamento direto de uma carga de potencia, o MOSFET deve ser montado em um radiadorde calor.

Referencias

[1] Alceu Alves. Apostila de Eletronica II. Departamento de Engenharia Eletrica, Universidade EstadualPaulista, 2006.

[2] Doug Gingrich. Notas de aula. http://www.phys.ualberta.ca/~gingrich/phys395/notes/

node74.html, dezembro 2008.

[3] Yifeng Jiang. Notas pessoais. http://www.ee.cuhk.edu.hk/~yfjiang/ele2110a/, dezembro13/12/2008.

[4] Adel Sedra and Kenneth Smith. Microelectronic Circuits. Macron Books, 2004.

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