Transistor de Efeito de Campo de Porta Isolada MOSFET …fabris/E04055/E04055_TMOS_Modelo.pdf · 1 ENG04055 –Concepção de CI Analógicos –Eric Fabris Transistor de Efeito de

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ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris

Transistor de Efeito de Campo de Porta Isolada

MOSFET - Revisão

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Tipicamente:

• L = 0,065 até 10 µm,

• W = 0,1 atéo 100 µm

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

de 2 a 50 nm.

NMOS: estrutura física

• NMOS → substrato tipo P

• Dispositivo simétrico

• Dispositivo de 4 terminais

– Porta, Dreno, Fonte e Substrato (gate, drain, sourcee Bulk)

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TERMINAIS

G: porta (gate)

S: fonte (source)

D: dreno (drain)

B: substrato (bulk)

Simbologia e terminais do MOSFET

Símbolos MOS

Símbolos PMOS


•as regiões de dreno e fonte (tipo N) formam junções (diodos) com a região de substrato (tipo P)

•envolvendo cada uma das junçõessurgem zonas de depleção(elétrons livres da região N atravessam a interface e preenchemas lacunas livres da região P, fazendo com que não sobrem cargaslivres nessa região)

•como a concentração de dopantesdas regiões de dreno e fonte é muitomaior que a do substrato, a regiãode depleção para dentro de dreno e fonte é muito pequena

Sem potenciais aplicados (VGS = 0)

Funcionamento

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•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


•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 induzidoentre 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

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Polarização de MOSFETs

• Regiões de operação:– Nível de inversão: tem relação com a densidade de carga de inversão (portadores) que é formada na superfície do substrato e que compõe o “canal” entre dreno e fonte. Esta carga é induzida devido ao efeito “capacitor MOS”, estando relacionada à polarização VGS (ou VGB). Divide-se em 3 níveis: fraca (WI), moderada e forte (SI).



• Regiões de operação:– Condição de saturação: tem relação com a deformação do canal, provocada pela diferença de potencial aplicada entre dreno e fonte. Em SI, quando o potencial VDS for superior a VGS-VT, ocorre o estrangulamento do canal, o que provoca o aumento súbito da impedância entre dreno e fonte. Divide-se em 2 regiões: “linear” (ou ôhmica ou triodo) e saturação.

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• vGS > Vt

• vDS pequeno (vDS < vGS – Vt’ )

• Dispositivo funciona comoum resistor controlado por vGS

• A condutância do canal é proporcional a vGS – Vt’

• A corrente iD é proporcionala (vGS – Vt) vDS

Operação do Canal Induzido na Região Ôhmica

Funcionamento – região ôhmica


Região ôhmica – iD x vDS

Resistor linear controlado por vGS

Condição: vDS deve ser mantido pequeno (vDS << vGS – Vt )

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• Aumentando vDS:o nível de inversão varia ao longo do canal, como resultado da diferença de potencialentre a posição no canal e o terminal de porta

• O canal assume uma forma gradual.

• A resistência do canal aumenta com o aumento de vDS.

•o comportamento iD x vDS passa a ser não-linear

(vGS é mantido constante em um valor tal que vGS – vDS > Vt ))

Dependência de Rcanal em VDS

Região ôhmica – canal gradual


Dependência de Rcanal em VDS

Região ôhmica – canal gradual

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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


Curva completa iD x vDS : saturação do canal

Saturação - iD x vDS

vGS > Vt

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Polarização de MOSFETsMOS: comportamento iD x vDS

SI:

WI:



MOS: iD x vGS em saturação e inversão fraca (WI)

Id [A]

Vgs [V]

Vsub= 0 V Vsub= -2,5 V Vsub= -5 V

Vds= 2V

=

t

GSDD

n

V

L

WII

φexp0

tDSV φ4≥Saturação: qkTt /=φ

)3,1.(;6,11,1 tipn →≅

WI

SI

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MOS: iD x vGS erros nas aproximações de WI e SI


MOSFETModelos

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Modelagem de Dispositivos MOS

Comportamento Físico versus Modelo Analítico :– o conhecimento do comportamento físico de um dispositivo é essencial no desenvolvimento de circuitos

– modelo é uma representação matemática que se comporta de forma parcialmente análoga a um sistema físico real

– o comportamento físico é relacionado ao modelo através de parâmetros elétricos extraídos experimentalmente

– o projeto de circuitos eletrônicos depende do modelo dos dispositivos utilizados:• modelos simples (e imprecisos) para cálculo analítico (à mão)

• modelos complexos (e precisos) para simulação elétrica


Modelagem de Dispositivos MOS

O modelo de um dispositivo consiste de equações, circuitos equivalentes e parâmetros que representam seu comportamento elétrico.– Modelo de grandes sinais:

• Modelos não-lineares (dispositivos não-lineares)• Modelos estáticos: comportamento DC• Modelos dinâmicos: comportamento AC (Capacitâncias)• Efeitos de segunda ordem: efeito de corpo, modulação do comprimento de canal, efeitos de canal curto, subthreshold...

• Componentes parasitas externos: L, R e C.

– Modelo de pequenos sinais: modelo linearizado(incremental)

– Modelo de ruído– Efeito da temperatura (modelo térmico)– Outros...

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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 µ='


Vt = 1 V, k’nW/L = 1.0 mA/V2

NMOS: curva iD x vGS em saturação

NMOS em Saturação

( )2'

2

1tGSnD VV

L

WkI −=

tGSDS VVV −≥Saturação:

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Transistor NMOSModelo para grandes sinais em saturação

Modelo para Grandes Sinais


Transistor MOS

Níveis relativos de tensão entre os terminais

Tensões nos Terminais

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Aumentando vDS além de vDSsat causa o distanciamento do pontode pinch-off em relação ao dreno, reduzindo o comprimento efetivodo canal por ∆L.→ pequena variação de iD com vDS .

Efeito de modulação do comprimento efetivo do canal

em função de vDS

, em saturação

Condutância de Saída


• 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

DQ

Ao

I

Vr ≅

Dependência de iD com vDS: o efeito Early


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NMOS: modelo para grandes sinais em saturação,incluindo o efeito Early



PMOS: símbolos e polarização

Transistor PMOS

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PMOS: níveis relativos de tensão entre os terminais

Transistor PMOS


Resumo

NMOS

PMOS

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MOSFETPolarização

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Modelos Grandes Sinais

MOS

PMOS

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SSDSGS VIRV =+

( )2'

2

1tGSnD VV

L

WkI −=

oxnn Ck µ='

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


( )2'

2

1tGSnD VV

L

WkI −=

Região de Saturação:

GSDS VV = tGSDS VVV −>

DDDGS VRIV =+

Autopolarização

O transistor está sempre em

Saturação!

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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.


DDGS VV =

DDDDDS IRVV −=

( )

−−= 2'

2

1DSDStGSnD VVVV

L

WkI

tGSDS VVV −<

Região de Triodo:

VVDS 1,0=

Supondo: VVt 1=

DDGS VV =

Polarização na região de triodo

Dados:

Calcular ID e RD . Estime rds.

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Estabilidade de ponto Q


Estabilidade de ponto Q – Rs

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O inversor CMOS – push-pull

ível lógico “1” na entrada

ível lógico “0” na entrada

Tensão intermediária na entrada

PMOS – O

MOS – OFF

PMOS – OFF

MOS – O


Modelos Simplificados

• Os modelos utilizados para o projeto e compreensão do funcionamento do circuito são simples

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Modelos Elétricos - SPICE


O MOSFET comoAmplificador

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Amplificador Básico

Amplificador Fonte Comum

Topologia Básica

Representação Gráfica da Reta de Carga

Determinação da Curva de Transferência

triodovvfi

saturadovfi

iRVvv

DSGSD

GSD

DDDDDSO

→=

→=

−==

),(

)(


Curva de Transferência

Determinação da Curva de Transferência

A curva de transferência

mostra a operação como

amplificador, com o

MOST polarizado no

Ponto Q.

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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.


Pequenos Sinais

Circuito conceitual para estudo do modelo de pequenos sinais

Fonte de Polarização

Fonte de Sinal

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Pequenos Sinais

Aplicação de um sinal de entrada de 150 mVpp


Pequenos Sinais

( )2'

2

1tGSnD VV

L

WkI −=

( ) OVntGSnm

GS

Dm

VL

WkVV

L

Wkg

dV

dIg

'' =−=

=

VOV – Tensão de overdrive

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Pequenos Sinais

Resposta de saída do amplificador Fonte Comum


Tensões instantâneas vGS

e vD

no

circuito abaixo.

Pequenos Sinais

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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

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