Universidade Federal do ABC

Relatório - Prática 3 - MOSFET

Disciplina: EN2701 – Fundamentos de Eletrônica

Discentes:

André Lucas de O. Duarte 11058710

Douglas Nishiyama 11074309

Felipe Jun Ichi Anzai 21033410

Fernanda Silva Guizi 11085609

Turma A1 – Diurno

Profa. Dra. Ariana Maria da Conceição Lacorte

Santo André, 2013

Sumário1. Introdução.........................................................................................................................................2

2. Objetivos...........................................................................................................................................3

3. Materiais e equipamentos.................................................................................................................3

4. Parte experimental e discussão.........................................................................................................3

4.1. Determinação do parâmetro de condutividade k', tensão de limiar Vt e levantamento da

curva característica Id x Vds............................................................................................................3

4.2. Amplificador Linear com polarização por divisor de tensão....................................................6

4.3. Porta lógica inversora...............................................................................................................9

4.4. Porta lógica inversora CMOS.................................................................................................10

5. Conclusão.......................................................................................................................................11

6. Referências Bibliográficas..............................................................................................................12

1

1. Introdução

O transistor de efeito de campo metal-óxido semicondutor (MOSFET) é um dos dois tipos

de dispositivos semicondutores de três terminais, junto com o transistor bipolar de junção (TBJ). Os

MOSFETs são os dispositivos mais aplicados atualmente, principalmente no projeto de circuitos

integrados, devido à sua capacidade de operação em baixa potência e a possibilidade de serem

fabricados em dimensões muito pequenas. Além disso, ele é menos ruidoso que o TBJ e possui uma

alta impedância de entrada, o que faz com que a constante de tempo do circuito seja muito grande,

possibilitando o uso de MOSFET como dispositivo de memória.[1][2]

A ideia do transistor de efeito de campo foi apresentada em 1925, pelo físico Julius Edgar

Lilienfeld. Porém, somente em 1959 M. M. Atalla e Dawon Kahng, da Bell Laboratories

desenvolveram o MOSFET.[3]

A estrutura do MOSFET é composto por uma lâmina de silício tipo p, com duas regiões

fortemente dopadas do tipo n difundidas no substrato tipo p. Essas regiões dopadas do tipo n

recebem as nomenclaturas de fonte e dreno. A região entre a fonte e o dreno é coberta com uma

camada de dióxido de silício e acima dela é depositado um metal, resultando assim no seu nome.

São conectados terminais no metal acima do dióxido de silício, na fonte, no dreno e no substrato

tipo p. Um esquema do MOSFET pode ser visto na Figura 1[1]:

Figura 1 – Esquema do MOSFET

Os MOSFETs possuem diversas aplicações na eletrônica analógica e digital, como

amplificadores (quando operados na região de saturação), chave (quando operados na região de

corte e triodo) e porta lógica inversora (CMOS). Essas aplicações do MOSFET serão analisadas no

relatório a seguir.

2

2. Objetivos

Introduzir os conceitos básicos sobre os transistores de efeito de campo (MOSFET) Demonstrar algumas de suas aplicações fundamentais (amplificadores e portas lógicas)

3. Materiais e equipamentos

1 Multímetro Portátil com adaptador jacaré em ambas as pontas de prova

1 Multímetro de bancada com adaptador jacaré em ambas as pontas de prova

2 Fontes de tensão contínua variável

1 Protoboard

1 Osciloscópio com duas pontas de prova

1 Gerador de funções com cabo BNC e ponta jacaré

2 Pares de cabos banana/banana

2 Pares de cabos banana/jacaré

1 CD4007UBE

1 Resistor de 56k Ω x 1/8W

1 Resistor de 2k2 Ω x 1/8W

1 Resistor de 100K Ω 1/8W

1 Capacitor eletrolítico de 100uF x 25V

4. Parte experimental e discussão

4.1. Determinação do parâmetro de condutividade k', tensão de limiar Vt e levantamento da

curva característica Id x Vds.

Foi montado no protoboard o circuito mostrado na Figura 2 abaixo:

3

Figura 2 – Determinação dos parâmetros do transistor NMOSFET.

Da figura 2 acima é claro perceber que Vd = Vg e, consequentemente, Vd > Vg – Vt, o que

implica que o transistor está operando na região de saturação. A tensão Vdd foi variada de maneira

a completar as Tabelas 1 e 2 abaixo:

Tabela 1 – Valores medidos de Vgs e Id.

Vdd (V) 0 0.5 0.7 0.9 1.0 1.1 1.5 2.0 3.0 4.0 5.0Vgs (V) 0 0.532 0.729 0.939 1.043 1.137 1.486 1.787 2.222 2.558 2.860Id (mA) 0 0 0 0 0 0.001 0.032 0.128 0.396 0.696 1.028

Tabela 2 – Valores medidos de Vgs e Id.

Vdd (V) 6.0 7.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 19.0 20.0

Vgs (V) 3.1283.37

93.619 4.041 4.450 4.831 5.193 5.554 5.726 5.894

Id (mA) 1.368 1.71 2.077 2.780 3.539 4.290 5.042 5.829 6.212 6.594

Analisando os valores das Tabelas 1 e 2, percebe-se que surge corrente quando Vgs vale

1.137V, portanto, a tensão de limiar Vt (threshold) é aproximadamente 1.1V. Com os dados das

Tabelas acima e notando-se da Figura que Vds = Vgs, é possível plotar a curva Id x Vds, conforme

mostrado a seguir:

4

Figura 3 - curva Id x Vds do transistor NMOSFET.

Como o transistor está operando na região de saturação, tem-se:

iD = (μN COX

2)(

WL

)(V GS−V T )2

i D = k ' (V GS−V T )2

k ' =iD

(V GS−V T )2

Calculando-se k' para cada valor de Vgs > Vt e Id correspondentes fornecidos nas Tabelas

acima e utilizando-se Vt = 1.137V e tirando-se a média, obtém-se um k' médio:

k 'medio = 0.318 mA/V 2

Considerando-se o desvio padrão da média como a incerteza, podemos expressar k' como:

k ' = (0.318±0.025)(mA /V 2)

Em seguida, algumas conexões foram alteradas invertendo as posições das conexões de

fonte e dreno no circuito mostrado na figura 2. A fonte foi ligada ao Vdd, o dreno ao Vss e a porta à

fonte e variou-se Vdd novamente de modo a preencher as Tabelas 3 e 4.

5

Tabela 3 – Valores medidos de Vgs e Id (fonte e dreno invertido).

Vdd (V) 0 0.7 0.9 1.0 1.5 2.0 3.0 5.0Vgs (V) 0 0.765 0.948 1.052 1.483 1.784 2.210 2.849Id (mA) 0 0 0 0 0.033 0.129 0.390 1.020

Tabela 4 - Valores medidos de Vgs e Id (fonte e dreno invertido).

Vdd (V) 8.0 10.0 15.0 18.0 20.0Vgs (V) 3.616 4.045 5.012 5.549 5.890Id (mA) 2.080 2.784 4.658 5.816 6.582

Percebe-se que os valores permanecem praticamente inalterados após a alteração das

conexões. Isso se deve ao fato de o NMOS ser um dispositivo simétrico, ou seja, se for trocado a

fonte com o dreno, nada muda.

4.2. Amplificador Linear com polarização por divisor de tensão

Montou-se o circuito amplificador mostrado pela figura 4 com Vi = 0 V. Em seguida mediu-

se as tensões Vg, Vd e Vs indicadas na Tabela 5.

Figura 4 – Amplificador linear.

Tabela 5 – Valores medidos das tensões Vg,Vd e Vs.

Vg (V) Vd (V) Vs (V)4,307 7,33 0

6

A seguir, aplicou-se um sinal senoidal Vi de 1 V de pico e frequência de 1 kHz a entrada Vi.

Com osciloscópio observou-se as curvas das tensões Vi e Vo mostradas pela Figura 5.

Figura 5 – Amplificador linear.

Observa-se que a tensão de saída Vo possui um valor de pico maior do que a entrada.

Considerando os valores de pico de Vo e Vi o ganho Av é dado por:

Av =V o

V i

= 10V1

V =10

Com valor de Vg na Tabela 5 a corrente Id é obtida pela seguinte expressão:

I D = 12V−V D

2k2Ω= 12V−

7,332K2Ω

= 2,13 mA

Considerando a tensão de limiar Vt = 1,1 V e as tensões Vg e Vd mostradas na Tabela 5

pode-se observar que Vd > Vg – Vt :

7,33 V > 4,37 V -1,1 V

7,33 V > 3,27 V

7

Portanto o transistor NMOSFET está operando na região de saturação.

Para a construção da reta de carga (figura 6) referente ao circuito amplificador da Figura 3

foram considerados dois pontos respectivos às situações onde Vds = 0 V e Vds = Vd = 12 V. Assim:

Figura 6 – Reta de carga do circuito amplificador linear.

Para a construção da reta de carga (Figura 6) referente ao circuito amplificador da Figura 3

foram considerados dois pontos respectivos às situações onde Vds = 0 V e Vds = Vd = 12 V. Assim:

V DS = 0V

I D =V D−V DS

RD

=(12V−0V )

2K2Ω= 5,454 mA

V DS = V D = 12V

I D =V D−V DS

RD

=(12V−12V)

2K2Ω= 0mA

O valor de Vds com base nos resultados da Tabela 5 é dado por:

V DS = V D−V S = 7,33 V−0V = 7,33V

Substituindo este valor na função linear da reta de carga tem-se:

I D = −0,4545 V DS+5,4545[mA]

I D = −0,4545×7,33+5,4545 = 2,123[mA]

8

Como se pode observar o Id resultado teórico obtido pela equação da reta de carga do

circuito amplificador é muito próximo do valor calculado com base nos parâmetros experimentais.

O cálculo do erro percentual entre os dois valores é calculado a seguir:

Erro% =(2,123 mA−2,13 mA)

2,123mA×100 = −0,0032%

4.3. Porta lógica inversora

Montou–se sobre o protoboard o circuito da Figura 7. Em seguida mediu-se com o

multímetro portátil os valores de tensão e corrente Vds e Id respectivamente em duas situações: Vgs

= 0 e Vgs = Vdd = 12 V.

Figura 7 – NMOSFET como chave inversora.

Tabela 6 – Valores medidos de Vds, Id.

Vgs [V] Vds [V]Id

[mA]0,000 12,05 012,000 1,007 5,072

O funcionamento do circuito da Figura 7 pode ser explicado da seguinte maneira: quando

Vgs = 0 V o transistor NMOSFET está operando na região de corte, ou seja, não conduz corrente

9

comportando-se, portanto, como uma chave em aberto desta maneira a tensão medida Vds será

igual à tensão da fonte, neste caso, aproximadamente 12 V. Já na situação de Vgs = 12 V o transistor

está operando na região de saturação comportando-se, portanto, como um curto-circuito assim a

tensão Vds cai aproximadamente para 0 V e a corrente Id é máxima.

O cálculo da potência dissipada pelo resistor Rd de 2k2 Ω nas duas situações é mostrado a

seguir:

P = V RD I D

V RD = RD I D

V GS = 0V→ I D = 0mA→V RD = RD I D = 2200×0=0V

→P = V RD I D = 0×0 = 0W

V GS = 12,05 V → I D = 5,07mA→V RD = RD I D = 2200×5,07×10−3= 11,15V

→P = V RD I D = 11,15×5,07×10−3= 56,57 mW

4.4. Porta lógica inversora CMOS

Montou-se o seguinte circuito para a parte 4.4 do roteiro, um transistor CMOS inversor.

Figura 8 - Porta lógica inversora CMOS

Pode-se verificar que a função inversora realmente foi aplicada, se considerarmos 0V como

nível baixo e 12V como nível alto. Quando Vi = 0V, QP conduz e QN entra em corte, fazendo com

que a tensão Vo seja a própria VDD, ou seja, um sinal de entrada em nível baixo gera um sinal de

saída de nível alto.

10

Quando Vi = VDD, o QP é que entra em corte e o QN conduz. Dessa forma, percebe-se que o

valor de Vo deve ser 0V, ou seja, nível baixo.

Os valores anotados de corrente no dreno seguem na Tabela 7:

Tabela 7 - Valores medidos de Vds, Id.

Vi (V) Vo (V) Id (mA)

0 12,1 0

12 0 0,526

Pode-se calcular a potência dissipada no CMOS aplicando a fórmula

P = V O I D

É fácil observar que a potência dissipada em ambos os casos será zero. Tipicamente, o

CMOS possui dissipação de potência em frações de microwatts, ou seja, com a escala de medida

adotada para tensão e corrente, não é possível constatar presença de potência dissipada.

Essa característica do CMOS é que exalta a vantagem do inversor CMOS em relação ao

circuito inversor NMOSFET. Enquanto o inversor NMOSFET dissipa cerca de 56,57 mW, o CMOS

tipicamente não dissipa nem 1 μW. [1]

5. Conclusão

A prática 3 auxiliou para ter conhecimento de como manusear, analisar qual o

comportamento de um CI e as possíveis formas diferentes de se utilizar um transistor MOSFET, por

exemplo, um amplificador de sinal linear e um inversor.

Na primeira parte, com uma montagem simples variou-se a tensão no gate do transistor até

que começasse a passar corrente, obtendo a tensão de “threshold”. Ao inverter a posição do dreno e

da fonte se obteve os mesmo valores, pois o transistor se comporta de forma simétrica. Com os

dados das tabelas 1 e 2 calculou-se o parâmetro k’ que se mostrou satisfeito.

A utilização do transistor MOSFET como amplificador e inversor, se comportou de forma

eficiente, onde foi observado na figura 5 que a saída do sinal esta amplificado e defasada em 90o em

decorrência ao capacitor associado. A mesma eficiência pode ser observada quando se utilizou

como uma porta lógica inversora, isso se deve ao fato do transistor operar em região de corte e

invertendo quando operada em região de saturação.

11

6. Referências Bibliográficas

[1] SEDRA, Adel S. et al. Microeletrônica. 5. ed. São Paulo, SP: PRENTICE HALL BRASIL, 2007. 848 p. ISBN 8576050226.

[2] MALVINO, ALBERT; BATES, DAVID J.; MALVINO, A. P. Eletrônica: volume 1. 7. ed. São Paulo, SP: Mcgraw-Hill Brasil, 2007. 672 p. ISBN 8577260224. [3] http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1960-MOS.html, acessado em 27/06/2013.[4] Figura 1 – Esquema do MOSFET. Disponível em: http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/semiconductors/images/mosfet.jpg, acessado em 27/06/2013.

12