UNIESTENGENHARIA ELTRICA/5 PERIODO

JHONES GARCIA THIAGO COSTAVinicius RonceteWILLIAM NASCIMENTO

Transistor MOSFET

CARIACICAJUNHO/2015JHONES GARCIA THIAGO COSTAVinicius RonceteWILLIAM NASCIMENTO

Transistor MOSFET Transistor de Efeito de Campo de Metalxido-Semicondutor.

Tipos de transistores MOSFET, seu funcionamento e suas polarizaes.

Prof. RONALDO ALVARENGA

CARIACICAJUNHO/2015

Sumrio

INTRODUO TRANSISTOR MOSFET1O MOSFET Tipo Depleo2CARACTERSTICA DO MOSFET4POLARIZAO13RESUMO POLARIZAO19O MOSFET Tipo INTENSIFICAO20Regies de Operao28BIBLIOGRFIA35

INTRODUO TRANSISTOR MOSFET

O mais importante componente semicondutor fabricado atualmente.Em 2009 foram fabricados cerca de 8 milhes de transistores MOSFET para cada pessoa no mundo;

Esse nmero dever dobrar at 2012.

Possuem elevada capacidade de integrao, isto , possvel fabrica-los nas menores dimenses alcanveis pela tecnologia empregada.

So componentes de simples operao e possuem muitas das caractersticas eltricas desejveis para um transistor, especialmente para aplicaes digitais

Intel i7-980X: 1,17 bilhes de MOSFETs em 248 mm2.

MOSFET: Transistor de Efeito de Campo de Metalxido-Semicondutor (do ingls, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor);So transistores formados pela associao entre um condutor, um isolante xido e SCs tipo p e n (um deles fortemente dopado).Assim como o JFET, seu princpio de funcionamento baseia-se no controle do canal de conduo entre os terminais fonte (S) e dreno (D) atravs da porta de controle (G).Existem dois tipos de MOSFETs:Tipo Depleo (ou Induo);Tipo Intensificao (ou Enriquecimento);O MOSFET Tipo Depleo

Neles o canal de conduo conecta duas regies SCs fortemente dopadas do mesmo tipo do canal (p ou n), nas quais esto conectados os terminais S e D.Acima do canal, a porta de controle (G) formada por uma placa condutora sobre uma camada dieltrica.Toda a estrutura disposta sobre um substrato SC de tipo oposto ao do canal (p ou n).Um quarto terminal (SS) conecta o substrato a fim de tambm polariza-lo

Dimenses fsicas do MOSFET tipo Depleo canal n.

Estrutura bsica do MOSFET tipo Depleo de canais p e n.

A existncia de um canal SC cujo tipo de dopagem o mesmo das regies de dreno (D) e fonte (S), garantem a conduo mesmo na ausncia de polarizao da porta de controle (G).Assim como o JFET, a estrutura fsica do MOSFET simtrica em relao ao canal. Porm, muitas vezes, conveniente que haja uma distino entre os terminais do canal.Nos MOSFETs essa distino feita normalmente pela conexo do substrato (SS) a um dos terminais do canal, passando este ento a ser denominado o terminal fonte (S).O terminal dreno (D), assim como nos JFETs, comumente associado ao dissipador trmico nos dispositivos de potncia.

CARACTERSTICA DO MOSFET

Considere um MOSFET tipo Depleo, canal n, com o substrato (SS) conectado a uma fonte (S), polarizado por uma tenso Vds (entre D e S) e outra VGS (entre G e S).

A regio de depleo correspondente a juno entre o substrato e as regies n+concentra-se quase totalmente no lado do substrato, uma vez que a dopagem dessas regies muito maior que a do substrato.J na juno entre o substrato e o canal n, a regio de depleo distribui-se de forma mais igualitria, pois ambos possuem dopagens em concentraes semelhantes.

O potencial positivo do dreno atrai os eltrons livres do canal n criando uma corrente IDS.

Como vDS > 0V, as regies n+ e o canal n permanecem reversamente polarizadas em relao ao substrato.A ddp crescente ao longo do canal (de 0V a vDS) estabelece uma regio de depleo tambm crescente na direo da regio n+ do dreno.

Uma vez estabelecida uma ddp no canal, o capacitor (formado pela placa condutora do gate, o dieltrico xido e o prprio canal) entrar em operao.A ddp entre a placa inferior do capacitor (canal) e a placa superior (gate) deixa ser nula (como era quando vDS = 0V) para tornar-se crescente na direo do dreno.

Conceitos fundamentais de eletrosttica demonstram que num capacitor submetido a uma ddp h o acumulo de cargas nas interfaces entre as placas e o dieltrico, cuja polaridade oposta ao das placas.Sabe-se tambm que quanto maior for a ddp maior ser a quantidade de cargas acumuladas, pois: Eq. 1Como a ddp neste caso no constante, pode-se reescrever a Eq. 1 em funo da longitude no canal: Eq. 2

Como a placa inferior desse capacitor o prprio canal n, o acmulo de cargas polarizadas negativamente na interface inferior do dieltrico repelir parte dos eltrons do canal, aumentando ainda mais a depleo nas proximidades do dreno.

Para determinar a corrente que fluir no canal sob essas condies considere um elemento diferencial do canal, de rea W.y(x)e espessura dx.

Sabendo que a corrente dada pelo fluxo total de cargas num dado intervalo de tempo, temos que: Eq. 3

O tempo necessrio para os portadores atravessarem o elemento diferencial dx pode ser calculado por sua velocidade de deriva: Eq. 4

Logo, a Eq. 3 pode ser reescrita como: Eq. 5Conforme a teoria de semicondutores, a velocidade de deriva pode ser expressa como: Eq. 6

Aplicando na Eq. 5 temos: Eq. 7

Por outro lado, a quantidade total de cargas no elemento diferencial do canal ser dada por: Eq. 8

A carga devido a dopagem do canal no volume do elemento diferencial pode ser expressa por: Eq. 9

Por outro lado, a carga devido ao capacitor do gate expressa na Eq. 2 pode ser reescrita como: Eq. 10Onde ox a constante dieltrica do xido do gate.

Aplicando as Eqs. 9 e 10 na Eq. 8, temos: Eq. 11

Aplicando a Eq. 9 na 5 e fazendo Cox=ox /tox temos: Eq. 12Aplicando E= dV/dx, temos: Eq. 13

Integrando ambos os lados temos: Eq. 14Logo, para V(x) = vDS, temos: Eq. 15

Deve-se notar que V(x)s igual a vDS na interface entre o canal n e a regio n+ do dreno, ou seja, quando x=L, por isso y(x) torna-se y(L) na Eq. 13.O termo y(L) indica portanto, o estreitamento do canal. Quanto menor y(L), mais estreito ser o canal.A exemplo do que ocorria no JFET, o aumento de vDS neste tipo de MOSFET tambm provocar o aumento da regio de depleo, estreitando cada vez mais o canal.A partir de um dado valor de tenso (vDS=VP) o estreitamento do canal atinge um valor limite e a corrente atravs dele no cresce mais.Uma vez que, sob vDS= VP, o estreitamento mximo, y(L) torna-se mnimo, podendo-se assumir que y(L) 0.

Desta forma, a corrente mxima no canal, obtida quando vDS= VP, pode ser estimada pela Eq. 15 assumindo-se y(L)= 0, ou seja: Eq. 16

Assim como no JFET, a aplicao de tenses negativas em vGS, provocar o aumento ainda maior da regio de depleo, fazendo com que o estrangulamento seja atingido a partir de valores menores de vDS..Desde que o estreitamento do canal funo da ddp entre o gate e o canal, a Eq. 15 pode ser reescrita para o caso em que vGS 0 simplesmente substituindo-se vDS por essa diferena, ou seja: Eq. 17

Da mesma forma, quando a ddp entre o gate e o canal atingir o valor limite (vDS+ vGS= VP) o estreitamento do canal ser mximo, e a corrente nele poder ser estimada assumindo-se y(L)= 0, ou seja: Eq. 18Reescrevendo a Eq. 18 em funo de IDSS temos: Eq. 19Ou seja, assim como o JFET, na regio de saturao, a corrente no canal do MOSFET Tipo Depleo tambm descrita pela Equao de Shockley.

Ao se aplicar uma tenso positiva em vGS, a ddp entre a placa superior do capacitor (gate) e a placa inferior (canal n) cai, reduzindo assim a magnitude da carga expulsa do canal (Qc) por efeito capacitivo (Eq. 8).Por essa razo, a regio de depleo passa a ser reduzida a dimenses inferiores quelas apresentadas sob vGS = 0 V.Consequentemente, a corrente (ID) no canal, quando na saturao, atinge valores acima de IDSS.A dependncia quadrtica entre a corrente e a ddp no canal (Eq. 19) conduz a um rpido crescimento de ID para valores positivos de vGS.Deve-se ter prudncia para no ultrapassar os limites de operao do dispositivo!Para vGS0: O MOSFET opera no Modo Intensificao.

Curvas tpicas de um MOSFET Tipo Depleo canal n.

Curvas tpicas de um MOSFET Tipo Depleo canal p.

POLARIZAO

As semelhanas entre as curvas caractersticas de um JFET e de um MOSFET Tipo Depleo permitem a utilizao das mesmas anlises para determinar a polarizao de ambos.Logo, o esboo da curva de transferncia o primeiro passo para a soluo grfica da polarizao deste dispositivo.

Curvas de transferncia tpicas de um JFET e de um MOSFET tipo depleo (ambos canal n).A curva de transferncia do MOSFET tipo Depleo evidencia os mesmos parmetros daquela do JFET:IDSS: interseo da curva com o eixo vertical (ID). VP: interseo da curva com o eixo horizontal (vGS).

Esboo da Curva de TransfernciaUma vez que esse dispositivo tambm obedece a Eq. de Schockley, o esboo da curva de transferncia pode ser feito com o auxlio de uma tabela semelhante a do JFET:

Tab. 5

Exemplo: Para o nMOS tipo depleo, determinar iDQ e vGSQ.

SOLUO:A determinao do ponto de operao atravs do mtodo grfico consiste simplesmente em encontrar a interseo entre a reta de polarizao (vGSQ=vGG) e acurva de transferncia do dispositivo.

Ex.:Para o nMOS abaixo determine:

SOLUO:a) A reta de polarizao para este circuito dada pela:

Um ponto dessa reta est na origem (0,0) e o segundo pode ser encontrado arbitrando-se um valor para Id ou vGS.Arbitrando vGS=6V , iD=2,5mA.O esboo da curva de transferncia pode ser feito com o auxlio da Tab. 5.Traando curva de transferncia e a reta de polarizao e determinando o ponto de operao (Q), temos:iDQ= 1,7 mA e vGSQ= -4,3 V

Ex.:Para o nMOS abaixo determine:

Soluo:A tenso de gate dada pelo divisor de tenso, logo:

A reta de polarizao para este circuito dada pela Equao.

Os pontos notveis dessa reta so:

O esboo da curva de transferncia pode ser feito com o auxlio da Tab. 5.

Traando curva de transferncia e a reta de polarizao e determinando o ponto de operao (Q), temos:

VDS pode ser determinado pela eq. da malha de sada:

RESUMO POLARIZAO

O MOSFET Tipo INTENSIFICAO

Sua estrutura assemelha-se muito a de um MOSFET Tipo Depleo, exceto pelo fato de no ter um canal de conduo fisicamente implantado.

Dimenses fsicas do MOSFET tipo Intensificao canal n.

Estrutura bsica do MOSFET Tipo Intensificao de canais p(pMOS) e n (nMOS).

A inexistncia de um canal de conduo entre as regies de dreno (D) e fonte (S) tornam esse tipo de dispositivo um circuito normalmente aberto, a menos que algum tipo de ao externa seja aplicada (atravs do gate).

SimbologiaA simbologia dos MOSFETs Tipo Intensificao segue a mesma lgica dos de Tipo Depleo.A distino entre os terminais do canal continua a ser feita pela conexo do substrato (SS) a um dos terminais, que passa a ser denominado o terminal fonte (S).Em dispositivos discretos, a dissipao trmica continua a ser feita atravs do terminalde Dreno (D).

Considere um nMOS tipo Intensificao, com o substrato (SS) conectado ao fonte (S), polarizado por uma tenso vDS(entre D e S) e outra vGS(entre G e S).

Como no existe um canal condutor entre as regies dos terminais S e D, o que prevalece so duas junes pn reversamente polarizadas.A resistncia entre D e S da ordem de 1012.A corrente no canal desprezvel (da ordem de pA a nA).

Ao se elevar vGS at um valor suficientemente alto (VT) a quantidade de cargas acumuladas torna-se suficiente para estabelecer um canal de conduo tipo n, na forma de uma fina camada de eltrons.Esse canal dito canal n induzido ou canal n de inverso, por ser gerado a partir da inverso de uma regio tipo p em tipo n.

Uma vez estabelecido o canal de conduo (vGS>= VT), a elevao da tenso vDS ir provocar o estreitamento do canal na direo da regio do dreno, a exemplo do que ocorria nos MOSFETS tipo depleo.

Uma vez que a profundidade do canal induzido depende diretamente da quantidade de cargas negativas acumuladas abaixo do dieltrico, que por sua vez depende da ddp entre o gate e o canal, deduz-se que:Quanto maior for vDS, menor ser essa ddp e;Mais estreito o canal se tornar prximo ao dreno.

Para determinar a corrente que fluir no canal sob essas condies considere um elemento diferencial do canal, de rea W.y(x)e espessura dx.

Assim como foi feito na anlise do MOSFET tipo depleo, podemos deduzir a corrente no canal atravs do fluxo de cargas que, conforme a Eq. 7, dada por:

Onde Q a carga negativa (eltrons livres) induzida no substrato pelo potencial positivo do gate.Matematicamente, o campo eltrico dado por: Eq. 20Aplicando a Eq. 20 na Eq. 7 temos: Eq. 21A partir do momento em que vGS atinge o valor limiar (VT), a carga negativa induzida no substrato torna-se proporcional diferena entre essa tenso e a do canal, logo: Eq. 22Sendo ox a constante dieltrica do xido do gate e V(x) a tenso na posio x do canal, cujo valor excursiona entre 0 (em x=0) e VDS (em x=L).

Aplicando a Eq. 22 na Eq. 21 temos: Eq. 23Onde Cox a capacitncia por unidade de rea, dada por: Eq. 24

Passando dx para o outro lado da equao, podemos integrar ambos os lados como: Eq. 25

Aplicando as integraes da Eq. 25 obtemos: Eq. 26

Se a tenso no canal for elevada at que vDS = vGS - VT, a ddp na extremidade do canal cair ao valor mnimo necessrio para manter o canal existindo (VT) e a corrente ID no crescer mais, mesmo que se aumente vDS.O valor de vDS para o qual a corrente atravs do canal satura identificado como vDSsat, onde: Eq. 27

Na saturao (vDS = vDSsat), a Eq. 26 torna-se: Eq. 28Curva de transferncia e curvas caractersticas de dreno tpicas de um nMOS.

Embora a Eq. 28 descreva a corrente na regio de saturao como um valor independente do aumento de vDS, em dispositivos reais observa-se um ligeiro aumento dessa corrente em funo de vDS.Para refletir esse aumento da corrente a equao pode ser adequada incluindo-se o fator (1+vDS):

Eq. 29Onde o parmetro de modulao do comprimento do canal, sendo definido como o inverso da Tenso Early(VA). Eq. 30

Tenso de Early (VA): graficamente, corresponde ao ponto de interseo com o eixo VDS das projees das curvas das correntes de dreno na regio de saturao.Fisicamente, VA diretamente proporcional ao comprimento do canal (L).

Regies de Operao

Conforme os valores de vDS e vGS, possvel estabelecer em que regio de operao o MOSFET se encontra:

Tambm chamada Regio hmica ou Regio Linear.Para que o MOSFET opere nessa regio, duas condies devem ser satisfeitas:O canal esteja estabelecido (vGS VT);O canal no esteja estrangulado (vDS< vDSsat);A corrente no canal pode ser calculada pela Eq. 26:

O produto nCox pode ser tambm expresso como k'n: Eq. 31Na regio de triodo o MOSFET comporta-se como um resistor controlado pela tenso vGS.Para valores suficientemente baixos de vDS, as curvas iD - vDS podem ser consideradas lineares.

Se vDS for suficientemente baixo, o termo quadrtico da Eq. 26 pode ser desprezado, desta forma: Eq. 32Para que o termo quadrtico da Eq. 26 possa ser desprezado e a Eq. 31 considerada devemos ter: Eq. 33A resistncia do canal nessa condio pode ento ser determinada como: Eq. 34

Exemplo: No circuito abaixo, o transistor nMOS cujo VT=1V e nCoxW/L=0,1 mA/V2, opera como resistncia varivel. Determine:

SOLUO:

a) Como o nMOS opera na regio de triodo, possvel determinar ID com base na Eq. 26:

Pelo circuito externo, a corrente dada por:

Igualando as duas equaes, temos VDS = 0,354V.Conforme a Eq. 33, notamos que o circuito opera especificamente na parte linear da regio de triodo, o que nos permitiria ter utilizado a Eq. 32.

b) ID pode ser determinado a partir da malha de sada:

c) Como RD forma um divisor de tenso com a resistncia do canal do nMOS, o valor CA de vS pode ser calculado determinando-se RDSlin (Eq. 34):

Logo, Vs :

Tambm chamada Regio de Amplificao. Para que o MOSFET opere nessa regio, duas condies devem ser satisfeitas:O canal esteja estabelecido (vGS VT);O canal esteja estrangulado (vDS vDSsat);A corrente no canal pode ser calculada pela Eq. 29:

Os termos constantes da eq. podem ser expressos por: Eq. 35

Reescrevendo a Eq.29 em termos de k, para =0: Eq. 36

A resistncia do canal na regio de saturao, para uma tenso vGS constante, pode ser determinada fazendo-se: Eq. 37

Logo: Eq. 38

Alternativamente, RDSsat pode ser aproximada por:

Eq. 39

SOLUO:

Tambm chamada Regio Sublimiar (subthreshold). Para que o MOSFET opere nessa regio necessrio apenas que a tenso de gate seja inferior a tenso de limiar (vGS< VT), necessria para estabelecer o canal de conduo.Na regio de corte, a corrente no MOSFET nula: Eq. 40

Embora considere- que no haja corrente no canal nessa regio, dispositivos reais apresentam uma pequena corrente para valores de vDS pouco abaixo de VT.

No propriamente uma regio de operao desejvel, pois pode causar a queima do componente.Na ruptura a corrente no canal limitada apenas pelo circuito externo ao MOSFET.

BIBLIOGRFIA

1