36
1 ENG-04077 CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 1 1 DELET - EE - UFRGS Circuitos Eletrônicos I ENG 04077 TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO DE PORTA ISOLADA - MOSFET - Prof. Dr. Hamilton Klimach ENG-04077 CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 2 Dispositivos Eletrônicos Elementares ATIVOS (amplificação) PASSIVOS (relação IxV) Transistor de Junção Bipolar BJT Transistor de Efeito de Campo FET NPN PNP de Junção JFET de Porta Isolada MOSFET Canal N Canal P Lineares Não-Lineares Não-reativo: R Reativos: L, C Diodos Termistores Varistores ... DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS

New ENG04447 - MOSFET · 2019. 5. 7. · TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO DE PORTA ISOLADA - MOSFET - Prof. Dr. Hamilton Klimach ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 2 Dispositivos

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

  • 1

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 1 1

    DELET - EE - UFRGS

    Circuitos Eletrônicos I

    ENG 04077

    TRANSISTOR DE EFEITO DE

    CAMPO DE PORTA ISOLADA

    - MOSFET -

    Prof. Dr. Hamilton Klimach

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 2

    Dispositivos Eletrônicos

    Elementares

    ATIVOS

    (amplificação)

    PASSIVOS

    (relação IxV)

    Transistor de

    Junção Bipolar

    BJT

    Transistor de

    Efeito de Campo

    FET

    NPN

    PNP

    de Junção

    JFET

    de Porta Isolada

    MOSFET

    Canal N

    Canal P

    Lineares

    Não-Lineares

    Não-reativo: R

    Reativos: L, C

    Diodos

    Termistores

    Varistores

    ...

    DISPOSITIVOS

    ELETRÔNICOS

  • 2

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 3

    Capacitor MOS

    • Capacitor usual

    • metal-isolante-metal

    metal

    metal

    isolante

    metal

    semicondutor dopado

    óxido

    • Capacitor MOS

    • metal-óxido-semicondutor

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 4

    Capacitor MOS polarizado

    • Capacitor usual

    • metal-isolante-metal

    • E : campo elétrico

    • Capacitor MOS

    • metal-óxido-semicondutor

    • E : campo elétrico

    metal

    metal

    isolante

    Vc

    E

    metal

    óxido

    Vc

    semicondutor dopado - p

    E

  • 3

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 5

    Capacitor MOS polarizado

    • Capacitor usual

    • metal-isolante-metal

    • E : campo elétrico

    • C = Qt/Vc

    • Capacitor MOS

    • metal-óxido-semicondutor

    • E : campo elétrico

    • Ceq= Qt/Vc = (Qi+Qd)/Vc

    metal

    metal

    isolante

    Vc

    + + + + + + + + + + + + + + +

    – – – – – – – – – – – – – – –

    +Qt

    –Qt

    E

    metal

    óxido

    Vc

    + + + + + + + + + + + + + + + +Qt

    semicondutor dopado - p

    – – – – – – – – – – – – – – – –Qi –Ө –Ө –Ө –Ө –Ө –Ө –Ө –Qd

    E

    região depletada

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 6

    Capacitor MOS polarizado

    • Campo elétrico E no semicondutor:

    – afasta cargas livres positivas (lacunas)

    – atrai cargas livres negativas (elétrons)

    • Cada lacuna afastada deixa para trás um

    átomo dopante com carga negativa a

    descoberto (carga fixa, que não se move). O

    total de cargas fixas a descoberto resulta na

    carga de depleção ‘Qd’

    • Mesmo o semicondutor estando dopado P,

    com excesso de lacunas livres, existem

    elétrons livres gerados termicamente pelo

    rompimento das ligações covalentes do Si. O

    total de elétrons livres atraídos resulta na

    carga de inversão ‘Qi’

    • Ceq= Qt/Vc = (Qi+Qd)/Vc

    metal

    óxido

    Vc

    + + + + + + + + + + + + + + + +Qt

    semicondutor dopado - p

    – – – – – – – – – – – – – – – –Qi –Ө –Ө –Ө –Ө –Ө –Ө –Ө –Qd

    E

    região depletada

    • Concentração de dopantes: 1015~1018

    at/cm3

    • Concentração de portadores térmicos:

    cerca de 1010 elétrons-lacunas/cm3 @

    300K=27ºC

  • 4

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 7

    Tipicamente:

    • L = 0,065 até 10 mm,

    • W = 0,1 atéo 100 mm

    • Espessura da camada de óxido (tox) é na faixa

    de 2 a 50 nm.

    MOSFET: estrutura física

    • NMOS → substrato tipo P

    • Dispositivo simétrico

    • Dispositivo de 4 terminais

    – Porta, Dreno, Fonte e Substrato

    (gate, drain, source e Bulk)

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 8

    MOSFET: estrutura física

  • 5

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 9

    MOSFET: estrutura física

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 10

    MOSFET: Finfet

  • 6

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 11

    MOSFET: Finfet

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 12

    TERMINAIS

    G: porta (gate)

    S: fonte (source)

    D: dreno (drain)

    B: substrato (bulk)

    Simbologia e terminais do MOSFET

    Símbolos NMOS

    Símbolos PMOS

  • 7

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 13

    •as regiões de dreno e fonte (tipo N)

    formam junções (diodos) com a

    região de substrato (tipo P)

    •envolvendo cada uma das junções

    surgem zonas de depleção (elétrons

    livres da região N atravessam a

    interface e preenchem as lacunas

    livres da região P, fazendo com que

    não sobrem cargas livres nessa

    região)

    •como a concentração de dopantes

    das regiões de dreno e fonte é muito

    maior que a do substrato, a região de

    depleção para dentro de dreno e

    fonte é muito pequena

    Sem potenciais aplicados (VGS = 0)

    Funcionamento

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 14

    •o potencial VGS aplicado entre porta

    e substrato atrai elétrons livres e

    afasta lacunas livres da interface

    óxido-substrato: surge uma região

    de depleção entre a interface e o

    substrato, ligando as regiões de

    depleção das junções

    Pequeno potencial aplicado (VGS < Vt)

    Funcionamento - depleção

  • 8

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 15

    •se o potencial VGS aumentar, a

    concentração de elétrons livres

    aumenta na interface óx-subs

    •quando a concentração de elétrons

    livres for maior que a de lacunas fixas

    (dopantes) ocorre a condição de

    INVERSÃO

    •em inversão há o surgimento de um

    “canal” de material tipo N induzido

    entre dreno e fonte

    •o valor de VGS em que ocorre a

    inversão é chamado de potencial de

    threshold (Vt)

    Aumento do potencial aplicado (VGS > Vt): condição de inversão

    Funcionamento - inversão

    portadoresi

    canal

    canalvolume

    Qm

    1

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 16

    • vGS > Vt

    • vDS pequeno (vDS < vGS – Vt’ )

    • Dispositivo funciona como

    um resistor controlado por vGS

    • A condutância do canal é

    proporcional a vGS – Vt’

    • A corrente iD é proporcional a

    (vGS – Vt) vDS

    Operação do Canal Induzido na Região Ôhmica

    Funcionamento – região ôhmica

    portadoresi

    canal

    canalvolume

    Qm

    1

  • 9

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 17

    Região ôhmica – iD x v

    DS

    Resistor linear controlado por vGS

    Condição: vDS deve ser mantido pequeno (vDS Vt ))

    Dependência de Rcanal em VDS

    Região ôhmica – canal gradual

  • 10

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 19

    Dependência de Rcanal em VDS

    Região ôhmica – canal gradual

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 20

    Saturação do canal:

    • Redução da condutividade local em função de vDS • Quando vDS = vGS – Vt, o canal “descola-se” do dreno (pinch-

    off)

    • Aumento vDS acima de vGS – Vt tem pouco efeito na forma

    do canal (corrente passa a ser independente de vGS )

    Saturação do canal

  • 11

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 21

    Curva completa iD x vDS : saturação do canal

    Saturação - iD x v

    DS

    vGS > Vt

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 22

    CMOS: implementação de transistores NMOS e

    PMOS em um mesmo substrato através da

    implementação de um “poço”

    Tecnologia Complementary-MOS

  • 12

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 23

    MOSFET

    Modelos

    23

    ENG04077 – Eletrônica I

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 24

    k’n (W/L) = 1.0 mA/V2.

    NMOS: curva completa iD x vDS

    Modelo Analítico Simples

    2'

    2

    1DSDStGSnD VVVV

    L

    WkI

    tGSDS VVV Triodo:

    2'2

    1tGSnD VV

    L

    WkI

    tGSDS VVV Saturação:

    oxnn Ck m'

  • 13

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 25

    Vt = 1 V, k’n W/L = 1.0 mA/V2

    NMOS: curva iD x vGS em saturação

    NMOS em Saturação

    2'2

    1tGSnD VV

    L

    WkI

    tGSDS VVV Saturação:

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 26

    Transistor NMOS

    Modelo para grandes sinais em saturação

    Modelo para Grandes Sinais

  • 14

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 27

    Transistor NMOS

    Níveis relativos de tensão entre os terminais

    Tensões nos Terminais

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 28

    Aumentando vDS além de vDSsat causa o distanciamento do ponto

    de pinch-off em relação ao dreno, reduzindo o comprimento efetivo

    do canal por ΔL.→ pequena variação de iD com vDS .

    Efeito de modulação do comprimento efetivo do canal

    em função de vDS , em saturação

    Condutância de Saída

  • 15

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 29

    • O parâmetro VA depende da tecnologia de processo.

    • VA é proporcional ao comprimento do canal L.

    • Quanto maior o L maior a impedância de saída.

    VA: tensão de Early

    DQDQ

    Ao

    II

    Vr

    1

    Dependência de iD com vDS: o efeito Early

    Condutância de Saída

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 30

    NMOS: modelo para grandes sinais em saturação,

    incluindo o efeito Early

    Condutância de Saída

  • 16

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 31

    PMOS: símbolos e polarização

    Transistor PMOS

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 32

    PMOS: níveis relativos de tensão entre os terminais

    Transistor PMOS

  • 17

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 33

    Resumo

    NMOS

    PMOS

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 34

    MOSFET

    Circuitos Digitais

    34

    ENG04077 – Eletrônica I

  • 18

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 35

    Lógica CMOS – modelo

    +

    VGS

    _

    +

    VSG

    _

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 36

    Lógica CMOS – estrutura

  • 19

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 37

    Lógica CMOS – inversor CMOS

    Nível lógico “1” na entrada

    Nível lógico “0” na entrada

    Tensão intermediária na entrada

    PMOS – ON

    NMOS – OFF

    PMOS – OFF

    NMOS – ON

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 38

    Lógica CMOS – portas NAND e NOR

    NAND NOR

  • 20

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 39

    Lógica CMOS – função qualquer

    Função Qualquer

    SY

    BACS

    S

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 40

    Lógica CMOS – ‘ou’ exclusivo XOR

  • 21

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 41

    MOSFET

    Polarização

    41

    ENG04077 – Eletrônica I

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 42

    Modelos Grandes Sinais

    NMOS

    PMOS

  • 22

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 43

    SSDSGS VIRV

    2'2

    1tGSnD VV

    L

    WkI

    oxnn Ck m'

    tGSDS VVV

    2'

    2

    1DSDStGSnD VVVV

    L

    WkI

    tGSDS VVV

    DSDSSDDDS IRRVVV

    Região de Saturação:

    Região de Triodo:

    SSDSGS VIRV

    Polarização

    tGSOVD VVV

    Tensão de Overdrive

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 44

    2'2

    1tGSnD VV

    L

    WkI

    Região de Saturação:

    GSDS VV tGSDS VVV

    DDDGS VRIV

    Autopolarização

    O transistor está sempre em

    Saturação!

  • 23

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 45

    12 GSGS VV 12 DD II

    Desde que ambos estejam saturados!

    Espelho de corrente

    Necessita transistores IDÊNTICOS!!!

    A corrente de dreno de Q2 é resultado da

    corrente de dreno de Q1.

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 46

    Espelho de corrente

    Q1 e Q4 autopolarizados: Espelho de corrente:

    REF

    REFD

    DDDGS

    tpGSpD

    IIIII

    II

    VRIV

    VVL

    WkI

    5432

    1

    11

    2

    1

    1

    1'

    12

    1

  • 24

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 47

    DDGS VV

    DDDDDS IRVV

    2'

    2

    1DSDStGSnD VVVV

    L

    WkI

    tGSDS VVV

    Região de Triodo:

    VVDS 1,0

    Supondo: 2' /1;1 VmAL

    WkVV nt

    DDGS VV

    Polarização na região de triodo

    Dados:

    Calcular ID e RD . Estime rds.

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 48

    Estabilidade de ponto Q

    2'2

    1tGSnD VV

    L

    WkI

    (VT1; kn1 )

    (VT2; kn2 )

  • 25

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 49

    Estabilidade de ponto Q

    DD

    GG

    GGGS V

    RR

    RVV

    21

    2

    ΔID

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 50

    Estabilidade de ponto Q

    S

    GSGDDSGGS

    DD

    GG

    GG

    R

    VVIIRVV

    VRR

    RV

    21

    2

  • 26

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 51

    Estabilidade de ponto Q

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 52

    Polarização do PMOS

    Projetar o circuito para:

    Saturação

    ID = 0,5 mA

    VD = 3V

    Considerando:

    Vt = -1V

    Kp´(W/L) = 1 mA/V2

  • 27

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I

    Polarização de MOSFETs

    tD

    GS VWk

    ILV

    2

    22

    2

    211

    1'

    2

    1tGSnD VV

    L

    WkI

    tGSDS VVV

    21 GSDDDSO VVVv

    Região de Saturação:

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I

    Polarização de MOSFETs

    22'

    2

    2

    2

    2

    1

    '

    1

    1

    1

    2

    21

    2

    2

    tGSn

    D

    tGSn

    D

    RDDD

    RDD

    VVk

    I

    L

    W

    VVk

    I

    L

    W

    IVVR

    III

    Divisão de tensão:

  • 28

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I

    Polarização de MOSFETs

    23'

    3

    3

    3

    2

    2

    '

    2

    2

    2

    2

    1

    '

    1

    1

    1

    321

    321

    2

    2

    2

    tGSn

    D

    tGSn

    D

    tGSn

    D

    GSGSGSDD

    DDD

    VVk

    I

    L

    W

    VVk

    I

    L

    W

    VVk

    I

    L

    W

    VVVV

    III

    Divisão de tensão:

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I

    Polarização de MOSFETs

    42

    2

    2

    '

    2

    2

    2

    41

    2

    1

    '

    1

    1

    1

    21

    2

    2

    VVV

    VVk

    I

    L

    W

    VV

    VVk

    I

    L

    W

    II

    DDSG

    tpGSp

    D

    GS

    tnGSn

    D

    DD

    Divisão de tensão:

  • 29

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I

    Polarização de MOSFETs

    EXERCÍCIOS

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I

    Polarização de MOSFETs

    EXERCÍCIOS

  • 30

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I

    Polarização de MOSFETs

    EXERCÍCIOS

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I

    Polarização de MOSFETs

    EXERCÍCIOS

  • 31

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 61

    O MOSFET como

    Amplificador

    61

    ENG04077 – Eletrônica I

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 62

    Amplificador Básico

    Amplificador Fonte Comum

    Topologia Básica

    Representação Gráfica da Reta de Carga

    Determinação da Curva de Transferência

    triodovvfi

    saturadovfi

    iRVvv

    DSGSD

    GSD

    DDDDDSO

    ),(

    )(

  • 32

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 63

    Curva de Transferência

    Determinação da Curva de Transferência

    A curva de transferência

    mostra a operação como

    amplificador, com o

    MOST polarizado no

    Ponto Q.

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 64

    Reta de Carga

    Influência da Reta de Carga na Excursão de Sinal

    Ponto Q1 não deixa espaço

    suficiente para excursão

    positiva do sinal, muito

    próximo de VDD

    Ponto Q2 não deixa

    espaço suficiente para

    excursão negativa do

    sinal, muito próximo

    da região de Triodo.

  • 33

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 65

    Exercício para casa!

    • Considere o amplificador Fonte

    Comum – FC ao lado cujo transistor

    possui o seguintes características:

    – k’n(W/L) = 1mA/V2

    – Vt = 1V

    – RD = 18kΩ

    – VDD = 10V

    • Aplicar o processo de análise descrito

    anteriormente nesse circuito:

    – Para cada valor de vI, calcula-se vO

    – Tendo um conjunto de pares (vI ; vO),

    traça-se a curva vI x vO

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 66

    Pequenos Sinais

    Circuito conceitual para estudo do modelo de pequenos sinais

    Fonte de Polarização

    Fonte de Sinal

  • 34

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 67

    Pequenos Sinais

    Aplicação de um sinal de entrada de 150 mVpp

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 68

    Pequenos Sinais

    2'2

    1tGSnD VV

    L

    WkI

    tGS

    D

    Dn

    GS

    Dm

    OVntGSnm

    GS

    Dm

    VV

    I

    IL

    Wk

    V

    Ig

    VL

    WkVV

    L

    Wkg

    V

    Ig

    2

    2 '

    ''

    VOV – Tensão de overdrive

  • 35

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 69

    Pequenos Sinais

    Resposta de saída do amplificador Fonte Comum

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 70

    Tensões instantâneas vGS e vD no

    circuito abaixo.

    Pequenos Sinais

  • 36

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 71

    Modelo para Pequenos Sinais

    Modelo Simplificado Modelo Extendido

    Considerando o efeito de modulação do

    comprimento do canal (EARLY) que é

    modelado por ro = |VA| /ID

    ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 72

    Análise de um Amplificador MOS

    • Considere o amplificador Fonte

    Comum – FC ao lado cujo transistor

    possui o seguintes características:

    – k’n(W/L) = 0,25 mA/V2

    – Vt = 1,5 V

    – VA = 50 V

    – RD = 18kΩ

    – VDD = 10V

    • Suponha que os capacitores são

    praticamente curto circuitos para sinal.

    • Calcule:

    – O ganho de pequenos sinais

    – A resistência de entrada

    – O maior sinal de entrada para

    operação em saturação.