Germano Maioli Penello Eletrônica II Germano Maioli Penello gpenello@gmail.com http://www.lee.eng.uerj.br/~germano Aula 10

Polarização de transistores A polarização serve para definir a corrente ID estável e garantir uma tensão VDS que mantenha o transistor em saturação para todos os sinais esperados na entrada. Na aula passada, vimos diferentes maneiras de polarizar um transistor.

Polarização com VGS fixo Sabendo que Uma primeira maneira de polarizar o transistor seria fixando o valor de VGS Com isso, fixamos a corrente que passa entre o dreno e a fonte do transistor. Os valores de mn, Cox, Vt e W/L variam significativamente em componentes discretos. O mesmo fabricante pode produzir o mesmo componente com valores diferentes.

Polarização com VG fixo e com Rs Esta é uma excelente alternativa de polarização. Se VG é muito maior que VGS, a corrente ID é majoritariamente determinada pelos valores de VG e RS. Para melhorar, RS fornece uma realimentação negativa, estabilizando ID. ID  VGS (estamos fixando VG)  ID Variação repentina de ID faz com que ID tente voltar à situação de equilíbrio Dispositivos diferentes têm ID similares 4

Polarização com VG fixo e com Rs Implementação prática Com apenas uma fonte de tensão (com o capacitor acoplando o sinal) Com duas fontes de tensão (sem o capacitor acoplando o sinal) Por realimentar o sistema negativamente, o resistor RS é chamado de resistência de degeneração

Polarização com resistor entre o dreno e a porta Esta é uma maneira simples e eficiente de polarizar o transistor (RG ~ MW) VGS = VDS (lembre-se que IG = 0) Similar à equação do slide 15 ( ) Realimentação negativa! Se a corrente ID aumenta por algum motivo, VGS diminui. Se VGS diminui, a corrente ID diminui.

Polarização com uma fonte de corrente constante Esta é a maneira mais eficaz de polarizar um transitor. RG (~MW) é usado como um aterramento DC e apresenta uma alta resistência ao sinal de entrada acoplado capacitivamente à porta. RD estabelece a tensão no dreno que determina a varredura do sinal de saída mantendo o transistor na saturação.

Qual é esta configuração? 8

Qual é esta configuração? 9

Qual é esta configuração? 10

Qual é esta configuração? 11

No circuito amplificador abaixo, o MOSFET tem Vt = 1V e Kn = 2 mA/V2 Determine VG, VD, VS e ID. Determine gm e ro se VA = 100V. Desenhe o circuito equivalente para sinais pequenos. Determine Rin, Rout, Avo e Gv.

No circuito amplificador abaixo, o MOSFET tem Vt = 1V e Kn = 2 mA/V2 Determine VG, VD, VS e ID. Determine gm e ro se VA = 100V. Desenhe o circuito equivalente para sinais pequenos. Determine Rin, Rout, Avo e Gv.

MOSFET outros símbolos Canal-p Canal-n JFET MOSFET intensificação MOSFET intensificação Sem corpo MOSFET depleção MOSFET depleção Sem corpo

Efeitos não considerados Na nossa análise do MOSFET feita até agora, desprezamos diversos efeitos considerados secundários. Analisaremos a partir de agora alguns desses efeitos. A importância da conexão ao corpo do substrato Efeitos de temperatura Breakdown - ruptura Saturação da velocidade Discutimos também apenas o MOSFET tipo intensificação. No fim, apresentaremos o MOSFET tipo depleção. 18

Corpo do substrato O MOSFET é um dispositivo de 4 terminais, mas normalmente, o corpo do substrato é conectado à fonte, fazendo assim com que ele seja um dispositivo de 3 terminais. Note que B e S têm no mesmo potencial. 19

Corpo do substrato Isto é feito para que a junção pn entre o canal e o substrato não vire um diodo diretamente polarizado. Com isto, o substrato não afeta a operação do circuito e ele pode ser ignorado na análise (esta é a análise que fazemos em dispositivos discretos). Em circuitos integrados, o corpo do substrato é conectado à fonte de tensão mais negativa em um circuito NMOS (positiva em um PMOS). Isto causa o aparecimento de uma ddp entre S e B (VSB) de alguns MOSFETs 20

Corpo do substrato Se existir VBS negativo (VB<VS), o canal reduz de tamanho (aumento da depleção). Para voltar à situação anterior, vGS tem que aumentar. No fundo, percebemos que o aparecimento de VBS faz com que alteremos a tensão de threshold (Vt) do transistor. Vt0 é igual a Vt com VSB = 0 2ff é tipicamente igual a 0.6 V g é um parâmetro dado pela fabricação (parâmetro de efeito de corpo) 21

Efeito de corpo Quando VB é diferente de VS, o substrato age como uma segunda porta para o MOSFET (backgate). Com isto, vbs também gera uma corrente de dreno. Portanto, podemos associar à essa corrente um transcondutância de corpo: Modificando também o modelo de circuito equivalente Pode-se demonstrar que: Tipicamente c = 0.1 a 0.3 onde 22

Efeitos de temperatura As características do MOSFET são alteradas em função da temperatura. Vt diminui cerca de 2 mV para cada aumento de 1C. Aumento ou diminuição de ID? k’ também diminui com o aumento da temperatura. Aumento ou diminuição de ID? 23

Efeitos de temperatura As características do MOSFET são alteradas em função da temperatura. Vt diminui cerca de 2 mV para cada aumento de 1C. Aumento ou diminuição de ID? Aumento! (aumento de Vt, diminui VOV) k’ também diminui com o aumento da temperatura. Aumento ou diminuição de ID? Diminuição! (lembre da equação de ID vs k’) Efeito interessante utilizado em circuitos de potência! Dependendo da tensão, o MOSFET não sofre o thermal runaway. 24

Breakdown - ruptura Se VD aumenta muito, o transistor sofre de um efeito chamado de avalanche. No efeito avalanche, portadores minoritários têm energia suficiente para quebrar as ligações covalentes do cristal semicondutor e gerar mais portadores. Mais portadores geram mais quebras e mais corrente similar a uma avalanche. (parecido com o efeito zener, mas o efeito zener é causado pelo campo elétrico) 25

Breakdown - ruptura Uma outra ruptura acontece quando o VGS é maior que ~30V. Isto causa a ruptura do óxido da porta destruindo o componente. http://www.attopsemi.com/tec3.htm 26

Breakdown - ruptura Uma outra ruptura acontece em dispositivos modernos de canais curtos. Se VD aumenta a ponto da região de depleção em volta do dreno se estende pelo canal até a porta, a corrente aumenta rapidamente. Este efeito normalmente não destrói o dispositivo. Ele é chamado de punch-through. 27

Saturação da velocidade Em dispositivos modernos de canais curtos a velocidade dos portadores de carga atinge um limite superior (~107 cm/s) para valores de tensões da ordem de 1V. Esse limite é chamado de saturação da velocidade. Nesta situação, a corrente iD não segue mais a lei quadrática com vDS, ela passa a ser linear. Isto afeta a transcondutância gm, que passa a ser constante. Lembre-se que gm é a derivada de id em relação a vGS. http://analog.intgckts.com/mos-transistor/nmos-transistor/ 28

MOSFET de depleção No MOSFET de intensificação, devemos aplicar uma tensão vGS maior que Vt para que um canal entre o dreno e a fonte se crie e o transistor conduza corrente. No MOSFET de depleção, esse canal já existe. A aplicação de uma tensão vGS negativa, reduz o canal já existente e a corrente diminui. A tensão Vt agora é definida como o valor negativo de vGS em que a corrente é nula. 29

MOSFET de depleção Pode operar tanto como intensificação como quanto depleção dependendo da tensão vGS aplicada 30

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