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Fundamentos de Electrónica Transístores de Efeito de Campo Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor – MOSFET.

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Apresentação em tema: "Fundamentos de Electrónica Transístores de Efeito de Campo Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor – MOSFET."— Transcrição da apresentação:

1 Fundamentos de Electrónica Transístores de Efeito de Campo Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor – MOSFET

2 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

3 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 3 Transístor de efeito de campo de reforço S G D B Source Drain Gate L Channel N N P Body (substrate) Transistor NMOS de enriquecimento W Valores típicos: L=1 to 10 m W=2 to 500 m Oxid layer = 0.02 to 0.1 m Oxide Layers Drain – Dreno Source – Fonte Gate - Gate

4 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 4 Funcionamento S G D Channel N N P B Região de 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

5 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 5 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

6 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 6 FET NMOS FET – Canal N PMOS FET – Canal P FET Enriquecimento FET Enriquecimento – O canal não existe e tem de ser criado -> Vt > 0 FET Depleção FET Depleção – O canal é pré implementado. Este é removido aplicando uma tensão negativa na gate. Vt < 0

7 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 7 Funcionamento na zona de tríodo Vds pequeno Para Vds pequeno o canal comporta-se como uma resistência variável S G D Channel N N P B Canal Vgs Vds iDiD vds Vgs { "@context": "http://schema.org", "@type": "ImageObject", "contentUrl": "http://images.slideplayer.com.br/14318/1/slides/slide_6.jpg", "name": "Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 7 Funcionamento na zona de tríodo Vds pequeno Para Vds pequeno o canal comporta-se como uma resistência variável S G D Channel N N P B Canal Vgs Vds iDiD vds Vgs

8 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 8 Saturação S G D N N P B Canal Vgs Vds Canal 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.

9 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 9 Curvas características Vgs M1 Vds Zona de tríodo Zona de saturação Vgs { "@context": "http://schema.org", "@type": "ImageObject", "contentUrl": "http://images.slideplayer.com.br/14318/1/slides/slide_8.jpg", "name": "Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 9 Curvas características Vgs M1 Vds Zona de tríodo Zona de saturação Vgs

10 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 10 Equações Região de tríodo Região de saturação Valores típicos Constante dieléctrica

11 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 11 PMOS S G D Channel P P N B Canal Vgs < Vt Formação de canal Vt -> Tensão de Limiar Canal tipo P Vt < 0

12 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 12 CMOS S G D P P N S G D N N P Oxido isolante Poço N (N Well)

13 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 13 Símbolos NMOS PMOS D G S G D S G G D S D S IDID IDID IDID IDID

14 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 14 Equações PMOS Região de tríodo Região de saturação VdsVgs S G D VdsVgs S G D

15 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 15 Modelação de canal VAVA

16 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 16 Modelação de canal N N P L O aumento de V DS faz diminuir a largura efectiva do canal (L), resultando num aumento da corrente no dreno.

17 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 17 NMOS de depleção Canal já está implantado. Conduz com V GS =0

18 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 18 PMOS de depleção Canal já está implantado. Conduz com V GS =0 -2,0E-05 0,0E+00 2,0E-05 4,0E-05 6,0E-05 -2,0-1,00,01,02,03,04,0 Vgs (V) Id (A) reforço depleção

19 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 19 Exercícios Pagina 12

20 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 20 Efeito da temperatura Vt diminui cerca de 2mV por ºC K diminui com a temperatura (efeito dominante) Corrente diminui com a temperatura

21 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 21 Efeito de corpo V T depende de V SB Nivel de fermi (parametro físico)

22 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 22 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.

23 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 23 MOSFET como amplificador Montagem para analise do MOSFET como um amplificador Analise para pequenos sinas: Temos, v GS =V GS +v gs Sinal total (mM) Grande sinal ou componente DC (MM) pequeno sinal ou componen te AC (mm) A variação do pequeno sinal v gs vai provocar a variação da corrente i d que por sua vez irá provocar a variação de v o. Vgs M1 vgs R1 1kohm VDD Vo

24 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 24 Analise de pequenos sinais Pequenas variações em Vgs produzem variações em Vo. Desde que estas variações sejam pequenas a relação é linear. Temos: - Ganho de tensão Vgs M1 vgs R1 1kohm VDD Vo

25 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 25 Analise de pequenos sinais Para Podemos desprezar o ultimo termo e fica: com O ganho de tensão será:

26 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 26 Modelo de pequenos sinais Modelo Modelo T G D S G D S ou gm menor do que dos BJT Por separação da fonte de corrente em duas fontes

27 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 27 Incorporando o efeito de Early Modelo aumentado G D S ro modela o efeito de modelação de canal. Pode ser considerado como a resistência de saída da fonte de corrente.

28 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 28 Transcondutância de corpo G S D B v BS + - gm.v GS ro gm B. v BS v GS + - Para Vsb=0

29 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 29 Técnicas de polarização Circuitos discretos:

30 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 30 Técnicas de polarização Circuitos integrados: VDD Rd Rp VDD Espelho de corrente Andar de amplificação

31 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 31 Circuitos de viragem de corrente Com uma sucessão de espelhos de corrente pode alterar o sentido da corrente

32 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 32 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

33 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 33 Fonte comum (source) Ganho de tensão: + - Modelo de pequenos sinais: I1 VDD vo + - vi Q1 Q2

34 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 34 Fonte comum I II III IV Curva de transferência Região de funcionamento Q1Q2 Ioff IISatTriu IIISat IVTriuSat É utilizada realimentação para garantir o funcionamento na zona III. Não é influenciada pelo efeito de corpo

35 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 35 Gate comum V bias + - vivi Q1 Q2 Q3 VDD

36 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 36 Andar Dreno Comum (Source Follower) I1 Vss Vdd Vo G S + - G S + -

37 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 37 Tecnologia NMOS Com transístor de depleção A B Q1 Tríodo Q1 Q2 Q1 Saturação Q1 OFF V dd -V t2

38 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 38 Inversor CMOS Operação iDiD vOvO N – Zona Saturação P – Zona Tríodo P – Zona Saturação N – Zona Tríodo Vi Vo VDD

39 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 39 Característica de transferência Declive -1 Qn OFF Vdd/2 +Vt Vdd/2 -Vt V IL V OL V IH Qp OFF Qn Saturação Qp tríodo Qp e Qn na Saturação Qp Saturação Qn tríodo

40 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 40 Margens de Ruído - Cálculo de V IL Zona saturação Zona triúdo Derivando Substituindo em cima resulta E Assume-se que o dispositivo é simétrico:

41 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 41 Operação dinâmica t t Região saturação Região tríodo Resulta para o tempo de propagação: Vdd Vdd/2

42 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 42 Fluxo de corrente e dissipação de potência V DD V DD /2 I VIVI A carga fornecida será E a energia A potencia será Para uma dada tecnologia é conhecido o produto atraso potência:

43 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 43 Modelo de alta frequência Capacidade da gate Tríodo Saturação Corte Capacidade das junções

44 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 44 Modelo de alta frequência Cgd Cgs G ro S B Csb Cdb D Modelo simplificado Cgd Cgs G ro S D Produto ganho largura de banda:

45 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 45 O MOSFET com um interruptor Para tensões v ds pequenas o MOS comporta-se como uma resistência da valor: Entre -3V e 3V ambos conduzem >3V Qp conduz, <3V Qn conduz

46 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 46 Porta de Transmissão C C C C

47 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 47 Parâmetros Tensão de limiarVT0V0 Transcondutância do processo KPA/V^22E-5 Efeito de corpoGAMMAV^(1/2)0 Modelação de canalLAMBDAV^-10 Espessura do oxidoTOXm0 Difusão lateralLDm0 PHIV0.6 DopagemNSUBcm^-3 MobilidadeU0cm^2/Vs600 Resistência da fonteRS 0

48 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 48 Parâmetros Resistência do drenoRD 0 Capacidade da junção de corpo com polarização nula CJF/m^20 Coeficiente de gradação MJ0.5 Capacidade de sobreposição gate fonte CGSOF/m0 gate fonteCGDOF/m0 Tensão interna da junção PBV

49 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 49 Dedução das equações Integrando de 0 a L ou o que é equivalente de 0 a Vds Na zona de saturação podemos fazer donde resulta


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