Universidade Federal do Vale do São Francisco - UNIVASF Colegiado de Engenharia da Computação – CECOMP

Transistor de Efeito de Campo MOS (MOSFET) –

Parte I

Jadsonlee da Silva Sá

Jadsonlee.sa@univasf.edu.brwww.univasf.edu.br/~jadsonlee.sa

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Introdução MOSFET – Transistor de Efeito de Campo Metal-Óxido Semicondutor.

Fabricados em dimensões pequenas, ao contrário dos TBJs.

É possível integrar um número grande de MOSFETs em pastilhas de CI.

Circuitos VLSI (Very Large Scale Integration) – Memórias e microprocessadores.

Requer menos potência para operação quando comparado com o TBJ.

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Introdução

MOSFET tipo enriquecimento – Mais utilizado.

Dispositivo de três terminais:

Porta – G;

Fonte – S;

Dreno – D.

Idéia básica Uma tensão aplicada na porta (G) controla o fluxo de corrente entre o dreno (D) e a fonte (S).

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Introdução MOSFETs.

Existem três regiões de operação:

Corte Chave.

Triodo Chave.

Saturação Amplificador.

Canal n (NMOS)

Canal p (PMOS)

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Operação do Dispositivo Canal n

Se vG = 0 e vDS ≠ 0.

Não haverá circulação de corrente do dreno (D) para fonte (S) – Não existe um canal de condução.

Resistência do dreno para a fonte é alta (1012 Ω).

Criando um canal para circulação de corrente.

• vGS > 0 Gera um canal para circulação corrente.

• Se vDS > 0, uma corrente circulará do dreno para fonte.

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Operação do Dispositivo Canal n

Criando um canal para circulação de corrente.

O valor de vGS para formar um canal de condução é chamado de tensão de limiar - Vt.

Vt é fixado durante a fabricação e possui valor na faixa de 0,5 a 1,0 V.

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Operação do Dispositivo Canal n

Aplicando um pequeno valor de vDS (50 mV).

Uma corrente iD circulará e sua intensidade depende do valor de vGS.

Para vGS = Vt A corrente é desprezível.

Na prática, a condutância do canal é proporcional ao excesso de tensão (vGS - Vt) Tensão efetiva.

iD é proporcional a vGS-Vt.

iS=iD e iG=0

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Operação do Dispositivo Canal n

Aplicando um pequeno valor de vDS.

O MOSFET opera como um resistor linear cujo valor é controlado por vGS.

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Operação do Dispositivo Canal n

Resumindo...

Para um MOSFET canal n conduzir é necessário:

Criar um canal de condução Aumentar vGS acima de Vt.

Aplicar uma tensão vDS resultando na circulação de iD.

iD é proporcional vGS-Vt.

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Operação do Dispositivo Canal n

Aumentando vDS.

Considere o circuito abaixo onde vGS é constante e maior que Vt, e vDS é variável.

Para vDS pequeno, o MOSFET opera como um resistor linear.

Quando vDS aumenta, a resistência do canal aumenta e o dispositivo não opera mais de forma linear.

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Operação do Dispositivo Canal n

Aumentando vDS.

A característica iD-vDS não será mais uma linha reta (será uma curva).

vDS=vGS-Vt

iD constante

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Operação do Dispositivo Canal n

Determinação da relação iD-vDS.

Região de triodo vGS > Vt e vDS < vGS - Vt.

Onde:

- μn (Mobilidade de elétrons do canal N);

- Cox (Capacitância por unidade de área);

- W (Largura do canal);

- L (Comprimento do canal).

21( ) ( )

2D n ox GS t DS DS

Wi C v V v v

L

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Operação do Dispositivo Canal n

Determinação da relação iD-vDS.

Região de saturação vGS > Vt e vDS ≥ vGS - Vt.

Obs.: Na saturação, iD permanece constante para dado vGS à medida que vDS varia.

21( ) ( )2D n ox GS t

Wi C v V

L

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Características de Corrente-Tensão

Considere o circuito abaixo com um MOSFET canal n e suas tensões vGS e vDS aplicadas.

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Características de Corrente-Tensão

Na região de triodo.

Se vDS for pequeno, podemos desprezar o termo vDS2.

O dispositivo opera como uma resistência linear rDS cujo valor é controlador por vGS.

DS GS tv v V GS tv V 21( ) ( )

2D n ox GS t DS DS

Wi C v V v v

L

( ) ( )D n ox GS t DS

Wi C v V v

L

Equação Linear

1

( ) ( )DSDS n ox GS t

D

v Wr C v V

i L

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Características de Corrente-Tensão

Na região de saturação.

iD aparentemente não depende de vDS.

DS GS tv v V GS tv V 21( ) ( )2D n ox GS t

Wi C v V

L

O MOSFET na saturação opera como uma fonte de corrente (iD) controlada por tensão (vGS).

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Características de Corrente-Tensão

Modelo equivalente para grandes sinais do MOSFET canal n na região de saturação.

'n n oxk C

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Características de Corrente-Tensão

Vimos que na região de saturação, iD independe de vDS.

Na prática, existe uma dependência linear.

21( ) ( )2D n ox GS t

Wi C v V

L

Ao

D

Vr

I

Tensão de Early

21( ) ( ) (1 )2D n ox GS t DS

Wi C v V v

L

Resistência de saída

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Características de Corrente-Tensão

Modelo equivalente para grandes sinais do MOSFET canal n na região de saturação considerando ro.

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Características de Corrente-Tensão

MOSFET canal p.

• A tensão de limiar é negativa (Vt < 0).

• Para induzir um canal de condução

• Para ter circulação de corrente.

GS tv V

0DSv

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Características de Corrente-Tensão

MOSFET canal p.

Na região de triodo.

Na região de saturação.

vGS, vDS, Vt e λ são grandezas negativas.

21( ) ( )

2D p ox GS t DS DS

Wi C v V v v

L

DS GS tv v V

DS GS tv v V 21( ) ( ) (1 )2D p ox GS t DS

Wi C v V v

L

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Circuitos com MOSFET em CC Projete o circuito abaixo para ID = 0,4 mA e VD = 0,5 V. Onde: Vt = 0.7 V, μnCox = 100 μA/V2, L = 1 μm, W = 32 μm e λ = 0.

DS GS TV V V Região de saturação

21( ) ( )2D n ox GS t

WI C v V

L

0,5GS tv V 1,2Sv V

3,25SR k 5DR k

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Tarefa

Façam os exemplos da seção cFaçam os exemplos da seção circuitos com MOSFET em cc.