mosfet: estrutura, operação e características

MOSFET:estrutura,operação e

características

Transistores de Efeito de Campo

FET’s

Generalidades:

A intensidade da corrente através de dois terminais (dreno e fonte) é controlada pelo potencial aplicado a um terceiro (porta)

O controle é efetuado através de um campo elétrico:

de junção JFET

de um capacitorMOSFET

Simbologia e terminais do MOSFET

MOSFET DE

ENRIQUECIMEN

TO

MOSFET DE

DEPLEÇÃO

TERMINAIS

G

D

S

B

G

D

S

B

G

D

S

B

G: porta (gate)

S: fonte (source)

D: dreno (drain)

B: substrato (bulk)

canal N

canal P canal P

canal N

G

D

S

B

polissilício de portaóxido SiO2

substrato

Estrutura

do MOSFET

canal N

p+n+n+

p-

+ VSB -

+ VGB -

+ VDB -

SG

D

B

L

W

difusão de fonteou drenocanal de inversãoc

ap

acit

or

polissilício de portaóxido SiO2

substrato

Estrutura

do MOSFET

canal P

n+p+p+

n-

+ VSB -

+ VGB -

+ VDB -

SG

D

B

L

W

difusão de fonteou drenocanal de inversãoc

ap

acit

or

p+n+n+

p-

+ VSB -+ VGB - + VDB

-

SG

D

B

L

W

B: terminal de referência

Preferencialmente:

VB = VSS canal N

VB = VDD canal P

Para polarizar reversamente as junções:

VDB , VSB > 0 canal N

VDB , VSD < 0 canal P

Formação do canal de inversão

VGB > 0 e VSB = VDB = 0

As lacunas do substrato são repelidas na região abaixo do óxido

-cargadescoberta

n+ p+

p-

-- - -- - - - -

- - ---

- - - --- n+

-

-VGB +

VSS

Regime de Depleção

+ + + + +


Aumentando VGB

Elétrons são atraídos para a superfície abaixo do óxido

Regime de Inversão

n+ p+

p-

-- - -- - - - -

- - ---

- - - --- n+

-

-VGB +

VSS

-cargadescoberta

canal deinversão


Aumentando VGB mais ainda

Densidade de elétrons no canal de inversão aumenta

Maior nível de inversão

n+ p+

p-

-- - -- - - - -

- - ---

- - - --- n+

-

-VGB +

VSS

-cargadescoberta

canal deinversão

No regime de inversão, com VSB = 0:

VGB < VT0 inversão fraca

VGB > VT0 inversão moderada a forte

VT0 = tensão de limiar no equilíbrio (VSB = 0)

De um modo geral:

VGB < VT0 + nVSB inversão fraca

VGB > VT0 + nVSB inversão moderada a forte

n = fator de rampa (entre 1 e 2)

Operação com VDS > 0

Canal de perfil uniforme

MOSFET no regime de inversão forte, VDS baixo

-VGB +

+ VDS

-

DS

B

G

VDB > VSBn+ p+

p-

-- - -- - - - -

- - ---

- - - --- n+

-

VSS

ID

MOSFET no regime de inversão forte, VDS baixo

Características de saída

VDS

ID

VGB3

VGB2

VGB1

VGB3 > VGB2 > VGB1

Região linear: resistência variável com tensão (VVR)

Operação com VDS > 0MOSFET no regime de inversão forte, VDS maior

-VGB +

- + VDS

DS

B

G

VDB > VSBn+ p+

p-

-- - -- - - - --

- - ---

- - - --- n+

- - - --

A ddp entre dreno e fonte influencia a distribuição de cargas

MOSFET no regime de inversão forte


VGB3 > VGB2 > VGB1

Comportamento não linear

VDS

IDVGB3

VGB2

VGB1

Operação com VDS > 0MOSFET no regime de inversão forte, VDB > VP

VP = tensão de “pinch-

off”

VSS

-VGB +

- + VDS

n+ p+

p-

-- - -- - - - --

- - ---

- - - --- n+

- - - --

Uma parte do canal fica fracamente invertida

nVV

V 0TGBP

n: entre 1 e 2

Operação com VDS > 0MOSFET no regime de inversão forte, VDS > VP

VP = tensão de “pinch-

off”

VSS

-VGB +

- + VDS

n+ p+

p-

-- - -- - - - --

- - ---

- - - --- n+

- - - --

Uma parte do canal fica fracamente invertida

nVV

V 0TGBP

n: entre 1 e 2

Região estrangulada: baixa concentração de elétrons

elevado campo elétrico

VCB = VDB >VP

-

--- - - --

-

--

-- ---

--

VCB = VP

+

- - - -

+ + + +EE

TQ

ID

MOSFET no regime de inversão forte


VGB3 > VGB2 > VGB1

A corrente satura para VDB > VP

VDS

IDVGB3

VGB2

VGB1

VDB = VP

VGB3 > VGB2 > VGB1


VDS

IDVGB3

VGB2

VGB1

VDB = VP

região triodo

região desaturação

MOSFET no regime de inversão fraca


VGB3 > VGB2 > VGB1

VDS

IDVGB3

VGB2

VGB1

4T

A saturação independe de VGB

Regimes de Operação: MOSFET canal N

Inversão fraca: VSB > VP = (VGB – VT0) /n

Região triodo: VDS < 4T ≈ 100 mV

Região desaturação: VDS > 4T

Inversão forte: VSB < VP = (VGB – VT0) /n

Região triodo: VDB < VP = (VGB – VT0) /n

Região desaturação: VDB > VP = (VGB –

VT0) /n

Regimes de Operação: MOSFET canal P

Inversão fraca: VSB < VP = (VGB – VT0) /n

Região triodo: VSD < 4T ≈ 100 mV

Região desaturação: VSD > 4T

Inversão forte: VSB > VP = (VGB – VT0) /n

Região triodo: VDB > VP = (VGB – VT0) /n

Região desaturação: VDB < VP = (VGB –

VT0) /n

Inversão forte: (VSB < VP)

Região triodo:

(VDB < VP) 2

DBP2

SBPoxD VVVV2n

LW

CI

Equações da Corrente de Dreno

= mobilidade efetiva

C’ox = Cox/(W.L) = capacitância do óxido por unidade de área

p+n+n+

p-

SG

D

B

L

W


Região triodo (VDB < VP):

2VVVVnLW

CI 2DSDSSBPoxD


Para VDS → 0: DSSBPoxD VVVnLW

CI

SBPox

1

DS

Dds

VVnLW

C

1VI

r

região de resistência variável com tensão


Região de saturação (VDB > VP):

2SBPoxD VV2n

LW

CI


2

SB0TGB

oxD Vn

VV2n

LW

CI

Inversão fraca: (VSB > VP)

Região de saturação (VDB > VP):

tDBPtSBP VVVV0DD eeII

Região triodo (VDB < VP):

tDStSBP VVV0DD e1eII

tSBP VV0DD eII


Efeito de Corpo

VSB1VSB2

VSB3

VT0

ID

VGB

VSB = 0

VT0 + nVSB1

O limiar de condução depende da tensão VSB

(curvas de transferência em saturação)

Efeito Early

Modulação do comprimento do canal - CLM

n+

p-

-- - -- - - - --

- - ---

- - - --- n+

- - - --

VGBVSB VDB

Leq L

Leq: comprimento equivalente do canalL: comprimento da região estrangulada

(aumenta ligeiramente com o aumento de VDB)

VDB > VP

VDS

ID

VGB3

VGB2

VGB1

- VA

VA = tensão de Early ADSeq VV1

LL

A

DS2SBPox

2SBP

eqoxD V

V1VV

2n

LW

CVV2n

LW

CI

mosfet: estrutura, operação e características

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