Fundamentos de Electrónica
Transístores de Efeito de Campo
Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor – MOSFET
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 2
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 3
Transístor de efeito de campo de reforço
SG D
B
Source DrainGate
L
Channel
N N
P
Body (substrate)
TransistorNMOS de enriquecimento
W
Valores típicos:L=1 to 10 mW=2 to 500 mOxid layer = 0.02 to 0.1 m
Oxide Layers
Drain – DrenoSource – Fonte
Gate - Gate
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 4
Funcionamento
S G D
Channel
N N
P
B
Regiãode depleção
Em funcionamento normal as junções (S e D)
estão ao corte
Notar que o dispositivo é simétrico se não
contarmos com a ligação S - B
Vds
Vgs
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 5
Criação do canal
S G D
Channel
N N
P
B
A aplicação de uma tensão
positiva na gate atrai electrões de forma a se formar uma região tipo N
(inversão de população)
Canal
Diz que se forma o Canal
Vgs > Vt Formação de canal
Vt -> Tensão de Limiar
NMOS
Canal tipo N
A gate e o canal formão as placas
de um condensador
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 6
FET
NMOS FET – Canal N PMOS FET – Canal P
FET EnriquecimentoFET Enriquecimento – O canal não existe e tem de ser criado -> Vt > 0
FET DepleçãoFET 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 7
Funcionamento na zona de tríodo
Para Vds pequenoVds pequeno o canal comporta-se como uma resistência variável
S G D
Channel
N N
P
B
Canal
Vgs VdsiD
vdsVgs<Vt
Vgs=Vt+1V
Vgs=Vt+2V
Vgs=Vt+3V
ID
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 8
Saturação
S G D
N N
P
B
Canal
Vgs VdsCanal
Saturado tríodo
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 9
Curvas características
Vgs
M1Vds
Zona de tríodo
Zona de saturação
Vgs<Vt
Vgs=1.4V
Vgs<1.6V
Vgs<1.8V
Vgs<2V
Vt=1V
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 10
Equações
2
2
1DSDSTGSnD vvVv
L
Wki
oxnn Ck
2TGSnD Vv
L
Wki
Região de tríodo
Região de saturação
Valores típicos
mtot
Vscm
ox
n
1.002.0
/580 2
cmFox /105.3 13
Constante dieléctrica
mmC
mmC
ox
ox
02.0 tpara/fF 75.1
1.0 tpara/fF 35.0
ox2
ox2
mVAk
mVAk
n
n
1.0 tpara/20
03.0 tpara/100
ox2
ox2
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 11
PMOS
S G D
Channel
P P
N
B
Canal
Vgs < Vt
Formação de canal
Vt -> Tensão de Limiar
Canal tipo PCanal tipo P
Vt < 0
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 12
CMOS
S G D
P P
N
S G D
N N
P
Oxido isolante
Poço N(N Well)
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 13
Símbolos
NMOSNMOS PMOSPMOS
D
G
S
G
D
S
G
G
D
S
D
S
ID
ID
ID
ID
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 14
Equações PMOS
2
2
1SDSDTSGnD vvVv
L
Wki
oxnn Ck
2TSDnD Vv
L
Wki
Região de tríodo
Região de saturaçãoVdsVgs
S
GD
VdsVgs
S
GD
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 15
Modelação de canal
DSTGS vVvL
Wk 1
2
1 2
/1AV VaVA 300200D
O Ir
1
VA
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 16
Modelação de canal
N N
P
LL
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 17
NMOS de depleção Canal já está implantado.
Conduz com VGS=0
0TV
-2,0E-05
0,0E+00
2,0E-05
4,0E-05
6,0E-05
-2,0 -1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0
Vgs (V)
Id (A
)
reforço
depleção
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 18
PMOS de depleção Canal já está implantado.
Conduz com VGS=0
0TV
-2,0E-05
0,0E+00
2,0E-05
4,0E-05
6,0E-05
-2,0 -1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0
Vgs (V)
Id (
A)
reforço
depleção
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 19
Exercícios
Pagina 12
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 20
Efeito da temperatura
Vt diminui cerca de 2mV por ºC
K diminui com a temperatura (efeito dominante)
Corrente diminui com a temperatura
oxnn Ck
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 21
Efeito de corpo
SBTSB
f
TT VVVVV 32.022
00
fSBfTT VVV 220
ox
SA
C
Nq
2 2/15.0 Vtipico
VT depende de VSB
Vf 6.02 Nivel de fermi
(parametro físico)
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 22
Disrupção
Disrupção 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 23
MOSFET como amplificador
gsGSGS vVv
Montagem para analise
do MOSFET como um
amplificador
Analise para pequenos sinas:Temos, vGS=VGS+vgs
Sinal total (mM)
Grande sinal ou
componente DC (MM)
pequeno sinal ou
componente AC (mm)
GSv
A variação do pequeno sinal vgs vai provocar a variação da corrente id que
por sua vez irá provocar a variação de vo.
Vgs
M1vgs
R11kohm
VDD
Vo
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 24
Analise de pequenos sinais
Pequenas variações em Vgs produzem variações em Vo. Desde que estas
variações sejam pequenas a relação é linear. Temos:
gsVo vAv
gsGSGS vVv
oOO vVv
VA - Ganho de tensão
Vgs
M1vgs
R11kohm
VDD
Vo
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 25
Analise de pequenos sinais
22
2
1
2
1tgsGSntGSnD VvV
L
WkVv
L
Wki
22
2
1
2
1gsngstGSntGSn v
L
WkvVV
L
WkVV
L
Wk
Para tGSgs VVv 2 Podemos desprezar o ultimo termo e fica:
dDD iIi com
gsgsTGSnd vgmvVVL
Wki .
TGSn VVL
Wkgm
O ganho de tensão será: Dgs
ov Rgm
v
vA
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 26
Modelo de pequenos sinais
r
Modelo Modelo T
GD
S
gsvG
D
S
gsC vgmi .
gm/1
TGSn VVL
Wkgm
gsC vgmi .
Dn IL
Wkgm 2
TGS
D
VV
Igm
2
ou
ou
gm menor do que dos BJT
Por separação da fonte de corrente em duas fontes
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 27
Incorporando o efeito de EarlyModelo aumentado
GD
S
gsv
D
AO I
Vr
Or
ro modela o efeito de modelação de canal. Pode
ser considerado como a resistência de saída da
fonte de corrente.
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 28
Transcondutância de corpo
G
S
D
B
vBS
+
-gm.vGS
ro gmB.vBSvGS+
-
gmv
igm
BS
DB
SBf V
22Para
Vsb=0322.0
6.02
5.0
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 29
Técnicas de polarização
Rg2
VDD
Rs
RdRg1
VDD
Rg
VDD
Rs
VSS
Rd
Circuitos discretos:
Rg
VDD
Rd
Rg
VDD
Rd
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 30
Técnicas de polarizaçãoCircuitos integrados:
VDD
Rd
Rp
VDD
Espelho de corrente
Andar de amplificação
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 31
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 32
Configurações básicas amplificadoras de um único andar Implementação em circuito integrado, com cargas activas (transístores)
em vez de resistências.
Fonte comum:Ganho de tensão
elevado
Gate comum:Boa resposta em
frequência
Dreno comum:Ganho de corrente
elevado
VDD
Vo
Vi
VDD
Vo
Vi
VDD
Vo
Vi
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 33
Fonte comum (source)
)//( 21 rorogmAV
Ganho de tensão:
GSvgm.+
-GSv 1ro 2ro
Modelo de pequenos sinais:
IR
21 // roroRO I1
VDD VDD
vo
+
-vi Q1
Q2
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 34
Fonte comum
I II III IV
Curva de transferência Região de funcionamento
Q1 Q2
I off
II Sat Triu
III Sat Sat
IV Triu Sat
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 35
Gate comum
Vbias
+
-vi
Q1
Q2Q3
)//)(/1( 21111 rororogmgmA BV
2
1
11
11
ro
ro
gmgmR
Bi
ibo
O
Oib
oi
vro
gmgmroro
v
r
vvgmgm
ro
vv
111
21
211
1
1
)//(
)(
1ro
iB vgmgm )( 11 2ro
VDD VDD
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 36
Andar Dreno Comum (Source Follower)
I1
Vss
Vdd
Vo
1Q
2Q3Q
G
S
Voiv+
-1gsv
2ro
1. gsvgm OB vgm .
1ro
G
S Vo
Bgmroro
1//// 12
1GSvgm1GSv
+
-
IB
IS
SO
SOIO
vgmgmroro
gmv
Rgm
Rgmv
Rgmvvv
21 111
)(
1
1
I
OV v
vA
BO gmgmroroR 1//1//// 21
)1(
1
gm
RO
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 37
Tecnologia NMOS5V
VDD
IN
OUT
5VVDD
IN
OUT
Com transístor de depleção
22
1
1
1
)/(
)/(
LW
LWAV
1
)/(
)/(
2
1
LW
LWAV
A
BQ1 Tríodo
Q1
Q2
Q1 Saturação
Q1 OFF
Vdd-Vt2
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 38
Inversor CMOS
DDONGSN VVv
Operação
iD
vO
0SGPv
DDOH Vv
N – Zona SaturaçãoP – Zona
Tríodo
P – Zona SaturaçãoN – Zona
Tríodo
DDONGSP VVv
0SGNv
NQ
PQ
0Iv
DDI Vv
0OLv
Vi Vo
VDD
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 39
Característica de transferência
Declive -1
Declive -1
Qn OFF
Vdd/2 +Vt
Vdd/2 -Vt
VIL
VOLVOL
VIH
Qp OFF
Qn SaturaçãoQp tríodo
Qp e Qn na Saturação
Qp SaturaçãoQn tríodo
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 40
Margens de Ruído - Cálculo de VIL 22
2
1
2
1TIDDOOTI VvVvvVv
Zona saturaçãoZona triúdo
Derivando
22
)(
DDIHOLI
DDO
TIDDOTIO
TIDDI
OO
I
OTIO
VVVv
Vv
VvVvVvv
VvVv
vv
v
vVvv
Substituindo em cima resulta
TDDIL
TDDIH
VVV
VVV
238
1
258
1
E
)23(8
1
)23(8
1
TDDOLILL
TDDIHOHH
VVVVNM
VVVVNM
1
I
O
v
v
Assume-se que o dispositivo é
simétrico:
P
N
N
P
W
W
OXNN Ck
OXPP Ck
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 41
Operação dinâmica
PHLt
t
tPLHt
Região saturação
Região tríodo
Resulta para o tempo de propagação:
DD
tDD
tDD
t
tDDn
n
PHL V
VV
VV
V
VVLW
k
Ct
43ln
2
12
DDt VV 2.0 DDn
n
PHL
VLW
k
Ct
6.1
Vi
Vo
Vdd
Vdd
Vdd/2
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 42
Fluxo de corrente e dissipação de potência
VDDVDD/2tNV tNDD VV
I
VI
A carga fornecida será
DDVCQ E a energia
2DDDD VCVQE
A potencia será2
DDVCfP
Para uma dadatecnologia é conhecido
o produto atraso potência:
2/ DDDPD CVfPtPDP
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 43
Modelo de alta frequência Capacidade da gate
OXgdgs CLWCC2
1
Tríodo Saturação Corte
03
2
gd
OXgs
C
CLWC
OXgb
gdgs
CLWC
CC
0
OXOVgdgdOXOVgsgs CLWCCCLWCC
O
SB
sbsb
V
V
CC
1
0
O
DB
dbdb
VV
CC
1
0
Capacidade das junções
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 44
Modelo de alta frequência
gsvgm.
Cgd
Cgs
G
ro
S
B
Csb
Cdb
bsvgm.
D
Modelo simplificado
Cgd
Cgs
G
ro
S
D
gsvgm.Produto ganho largura de banda:
)(2 gdgsT CC
gmf
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 45
5V 1000Hz 0Deg
5V
VDD
-5V
5V
|Vt|=2V
RlCl
vo
5V
VDD
21
O MOSFET com um interruptor
5V 1000Hz 0Deg
-5V
VDD
-3V
7V
Vt=2V
RlCl
vo
Tgsnds
dsdsTgsn
vds
dD Vv
L
Wk
v
vvVvLW
k
v
ir
ds
2
21
)(
0
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 46
Porta de Transmissão
-5V
OUT
-5V
Vdd
IN OUT
C
C
C
C
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 47
ParâmetrosTensão de limiar VT0 V 0
Transcondutância do processo
KP A/V^2 2E-5
Efeito de corpo GAMMA V^(1/2) 0
Modelação de canal LAMBDA V^-1 0
Espessura do oxido TOX m 0
Difusão lateral LD m 0
PHI V 0.6
Dopagem NSUB cm^-3
Mobilidade U0 cm^2/Vs 600
Resistência da fonte RS 0
0tV
nk pk
oxt
ovL
f2
AN DN
SR
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 48
ParâmetrosResistência do dreno RD 0
Capacidade da junção de corpo com
polarização nula
CJ F/m^2 0
Coeficiente de gradação
MJ 0.5
Capacidade de sobreposição gate
fonte
CGSO F/m 0
“ ” gate fonte CGDO F/m 0
Tensão interna da junção
PB V
DR
0jC
m
ovC
ovC
oV
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003 49
Dedução das equações
)(xvvv gsgx ox
oxox t
C
canal no potêncial o é )(xv
dx
xdvxE
)()( Tgsox VxvvdxWCxdq )()(
dx
dvVvvWCExdqi xTxgsoxnn )()(
Integrando de 0 a L ou o que é equivalente de 0 a Vds
DSv
xTxgsoxn
L
d dvVvvWCdxi00
)(
2/)(/ 2
dsvvVvLWCi dsTgsoxnd
Na zona de saturação podemos fazer TGDS Vvv donde resulta
22
1TgsoxnD Vv
L
WCi
ocompriment de unidadepor carga a é)(xdq