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

Roteiro Equações aos terminais Modelo de pequenos sinais Montagens amplificadores de um único canal Princípios Físicos Modelo de alta-frequência Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

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

normal as junções (S e D) Funcionamento Vds Vgs D S G Região de depleção N N Em funcionamento normal as junções (S e D) estão ao corte Channel P Notar que o dispositivo é simétrico se não contarmos com a ligação S - B B Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

Vt -> Tensão de Limiar Criação do canal A aplicação de uma tensão positiva na gate atrai electrões de forma a se formar uma região tipo N (inversão de população) Canal D S G Diz que se forma o Canal N N A gate e o canal formão as placas de um condensador P Channel Canal tipo N B Vt -> Tensão de Limiar Vgs > Vt Formação de canal NMOS Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

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

Funcionamento na zona de tríodo iD S G D Channel N P B Canal Vgs Vds Vgs=Vt+3V Vgs=Vt+2V Vgs=Vt+1V ID Vgs<Vt vds Para Vds pequeno o canal comporta-se como uma resistência variável Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

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

Curvas características Zona de tríodo Zona de saturação Vgs<2V Vt=1V Vgs<1.8V Vgs<1.6V Vgs=1.4V Vgs<Vt Vgs M1 Vds Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

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

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

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

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

Equações PMOS Vds Vgs Vgs Vds Região de tríodo Região de saturação S S Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

Modelação de canal VA Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

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

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

PMOS de depleção Canal já está implantado. Conduz com VGS=0 Id (A) reforço 2,0E-05 depleção 0,0E+00 -2,0E-05 -2,0 -1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 Vgs (V) Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

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

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

Efeito de corpo VT depende de VSB Nivel de fermi (parametro físico) Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

Disrupção Disrupção Punch Through Disrupção do Oxido 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. Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

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

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

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

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

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

Transcondutância de corpo G + B ro vGS gm.vGS gmB.vBS + vBS - S - Para Vsb=0 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

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

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

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

Configurações básicas amplificadoras de um único andar Implementação em circuito integrado, com cargas activas (transístores) em vez de resistências. VDD VDD VDD Vo Vi Vo Vo Vi Vi Fonte comum: Ganho de tensão elevado Gate comum: Boa resposta em frequência Dreno comum: Ganho de corrente elevado Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

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

Fonte comum Q1 Q2 I off II Sat Triu III IV Curva de transferência Região de funcionamento I II III IV Q1 Q2 I off II Sat Triu III IV É utilizada realimentação para garantir o funcionamento na zona III. Não é influenciada pelo efeito de corpo Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

Gate comum Q3 Q2 Vbias Q1 + vi - VDD VDD Q3 Q2 Vbias Q1 + vi - Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

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

Com transístor de depleção Tecnologia NMOS Q2 Q1 Q1 OFF Vdd-Vt2 A Com transístor de depleção Q1 Saturação B Q1 Tríodo Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

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

Característica de transferência Qn Saturação Qp tríodo Qn OFF Declive -1 Vdd/2 +Vt Qp e Qn na Saturação Vdd/2 -Vt Qp Saturação Qn tríodo Declive -1 VOL VOL Qp OFF VIL VIH Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

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

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

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

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

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

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

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

Transcondutância do processo Parâmetros Tensão de limiar VT0 V Transcondutância do processo KP A/V^2 2E-5 Efeito de corpo GAMMA V^(1/2) Modelação de canal LAMBDA V^-1 Espessura do oxido TOX m Difusão lateral LD PHI 0.6 Dopagem NSUB cm^-3 Mobilidade U0 cm^2/Vs 600 Resistência da fonte RS  Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

Parâmetros Resistência do dreno RD  Capacidade da junção de corpo com polarização nula CJ F/m^2 Coeficiente de gradação MJ 0.5 Capacidade de sobreposição gate fonte CGSO F/m “ ” gate fonte CGDO Tensão interna da junção PB V Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

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 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003