EE530 Eletrônica Básica I
Prof. Fabiano Fruett
Aula 6A - Transistores de Efeito de Campo
•
•
•
•
•
•
Introdução aos MOSFET
Estrutura
Regiões de operação
Características de corrente e tensão
Modelos de grandes e pequenos sinais
PMOS
1
Inventor do transistor MOSFET
US patent 1745175 "Method and apparatus for
controlling electric current" 22.10.1925,
describing a device similar to a MESFET
US patent 1900018 "Device for controlling
electric current"
28.03.1928, a thin film MOSFET
Julius Edgar Lilienfeld
(1881-1963)
US patent 1877140 "Amplifier for electric
currents"
08.12.1928, solid state device where the current
flow is controlled by a porous metal layer, a
solid state version of the vacuum tube
US patent 2013564 "Electrolytic condenser"
filed on 29.08.1931, Electrolytic capacitor
Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/Julius_Edgar_Lilienfeld
2
1
Introdução
O Transistor de Efeito de Campo tipo
metal-óxido semicondutor (MOSFET)
atualmente domina o cenário da
microeletrônica comercial. Funções lógicas
digitais e memórias podem ser
implementadas com circuitos que utilizam
exclusivamente MOSFETS. A maioria dos
CIs VLSI (Very Large Scale Integration) é
feita utilizando-se a tecnologia MOS.
3
Lei de Moore em ação
Estado da arte, processo com dimensões de 0.022 µm
Fonte: Lei de Moore http://www.cmg.org/measureit/issues/mit41/m_41_2.html1975
4
2
Projeção para o estado da arte da tecnologia
MOSFET
Fonte: J. Rabaey, Digital Integrated Circuits SIA´01
5
Projeto baseado no avanço tecnológico :
Silicon Radio
Intel
Objetivos:
• Integrar todos os componentes de um
rádio em um único chip, incluindo
microcontrolador
• Aumentar a flexibilidade e oportunidade
de aplicações dos produtos Intel (wireless
systems).
Fonte: Intel
6
3
Estrutura física do NMOS tipo enriquecimento
Estado da arte:
L = 22 nm
Espessura
do óxido
= 18 Å
Fig. 5.1
7
Simbologia do MOSFET canal N
(NMOS)
Observe que o terminal de dreno e fonte são
definidos pela polarização externa podendo ser
intercambiados conforme a operação do transistor
8
4
Capacitor de placas paralelas
9
NMOS com tensão de porta (a),
Região de depleção (b) e formação do canal (c)
10
5
Formação do canal e polarização
conveniente do substrato
- - - - -
Região depletada de portadores
Fonte: Sedra Fig. 5.2
11
NMOS com tensão de Porta e de Dreno
VGS > Vt e
VDS pequeno
Condutância controlada por VGS
Fonte: Sedra Fig. 5.3
12
6
Característica I versus V para NMOS com
tensão de Porta e de Dreno*
* VD dentro de um certo limite
13
Operação como resistor linear
Ron =
1
W
µ nCox (VGS − Vt )
L
14
7
Perfil do canal com tensão VDS crescente
VGS > Vt e
VDS ⇑
Estreitamento do canal
Sedra Fig. 5.5
15
Estrangulamento do canal
Variação do comprimento
com a tensão de dreno
16
8
Corrente de dreno iD versus a tensão
dreno-fonte vDS , para vGS > Vt
Fig. 5.6
17
Regiões de operação com base nas tensões de porta e dreno
Perfil do canal na região de saturação
18
9
Característica iD - vDS para um NMOS
Região linear (Triodo):
iD = kn´
W
1 2 
( vGS − Vt ) vDS − vDS


L
2
Região de saturação:
Sendo que:
iD =
1 'W
2
kn ( vGS − Vt )
2 L
kn´ = µ n Cox
A
 V2 
 
Fig. 5.11
19
Mobilidade de elétrons: µ n ≃ 580 cm 2 /Vs
Espessura do óxido: tox = 0, 02 a 0,1 µm
Permissividade do óxido:
ε ox = 3,97ε 0
= 3, 97 × 8,85 × 10 −14 = 3,5 × 10 −13 F/cm
Capacitância do óxido:
Cox = ε ox / tox
= 1, 75 fF/µm 2 para tox = 0, 02 µm
= 0, 35 fF/µm 2 para tox = 0,1 µm
Parâmetro de transcondutância do processo:
kn´ = µ n Cox
≃ 100 µA/V 2 para tox = 0, 02 µm
≃ 20 µA/V 2 para tox = 0,1 µm
Fonte: Sedra Tabela 5.1
20
10
Modulação do comprimento do canal
21
Característica iD – vGS do NMOS na saturação
Vt = 1 V e k’n(W/L) = 0.5 mA/V2
iD =
1 'W
2
kn ( vGS − Vt )
2 L
Fig. 5.12
22
11
Modelo equivalente para grandes sinais
na região de saturação
iD =
1 ´W
2
k n ( vGS − Vt ) (1 + λ vDS )
2 L
2
 k´ W
r0 = λ n ( vGS − Vt ) 
 2 L

−1
−1
 ∂i 
r0 ≡  D 
 ∂vDS  vGS = constante
r0 = [ λ I D ]
−1
r0 =
VA
ID
23
O MOSFET como Amplificador
Circuito Conceitual
Ponto de Polarização
Consideramos: vgs = 0
e operação na região de saturação.
vGS = VGS + vgs
Desprezando efeito da modulação
de canal:
λ=0
ID =
1 ´W
2
kn (VGS − Vt )
2 L
VD = VDD − RD I D
Deve-se garantir que:
VDS > VGS − Vt
12
Transcondutância
gm ≡
∂iD
∂vGS
vGS =VGS
Pequenos sinais:
iD =
=
2
1 ´W
kn (VGS + vgs − Vt )
2 L
id = kn´
W
(VGS − Vt ) vgs
L
id
W
1 ´W
W
1 W
2
= kn´ (VGS − Vt )
kn (VGS − Vt ) + kn´ (VGS − Vt ) vgs + kn´ vgs 2 g m ≡
2 L
L
2 L
vgs
L
25
Análise da transcondutâncias MOS
Dependências:
g m = µ n Cox
W
(VGS − Vt )
L
g m = 2µn Cox
gm =
ID =
W
ID
L
2I D
VGS − Vt
1
W
2
µ nCox (VGS − Vt )
2
L
26
13
Ganho de tensão
vgs
vgs
Minimiza distorção não-linear
vgs
vD = VDD − RD ( I D + id )
vd = −id RD = − g m RD vgs
vd
= − g m RD
vgs
27
Modelos equivalentes para pequenos sinais
MOSFET na região de saturação
Incluindo o efeito da
modulação de canal:
ro ≃
VA
ID
28
14
Comparação entre transcondutâncias
MOS e Bipolar
MOSFET
g m = µ n Cox
ID =
W
(VGS − Vt )
L
Bipolar
gm =
IC
VT
1 ´W
2
kn (VGS − Vt )
2 L
g m = 2kn´
W
ID
L
k n' = µ nCox
Exercício: Compare numericamente
as transcondutâncias
29
Exemplo:
Encontre Av e Rin
Vt = 1,5 V,
W 
kn´   = 0, 25 mA/V 2 e
L
VA = 50 V
30
R
15
Modelo T
31
R
Exercício: Mostre que os dois modelos
abaixo são equivalentes
32
R
16
A função do substrato – O Efeito de Corpo
vSB
Vt corrigido:
Vt = Vt 0 + γ  2φ f + VSB − 2φ f 
Parâmetro de efeito de corpo:
γ=
2qN Aε S
Cox
33
Reflexo do efeito
de corpo no modelo
de pequenos sinais
O efeito de corpo ocorre quando a fonte não está conectada ao corpo
34
R
17
Transcondutância de corpo
Vt = Vt 0 + γ  2φ f + VSB − 2φ f 
iD =
g mb ≡
1 ´W
2
kn ( vGS − Vt )
2 L
∂iD
∂vSB
gm ≡
vGS = constante
vDS = constante
gm ≡
∂iD
∂vGS
id
W
= kn´ (VGS − Vt )
vgs
L
vGS =VGS
χ≡
∂Vt
γ
=
∂VSB 2 2φ f + VSB
g mb = χ g m
Resumo dos Modelos para pequenos sinais:
36
R
18
Transistores com canal-curto e efeito da
velocidade de saturação
υ n = µ nξ
υn = υ sat = µnξc
VDSAT ≈ Lξ c =
Lυ sat
µn
I DSAT = I D (VDS = VDSAT )
Ajuste para a região triodo:
iD = k n´
W
1 2 
( vGS − Vt ) vDSAT − vDSAT

2
L 
37
Transistores PMOS
38
19
Característica iD - vDS para o PMOS
39
Simbologia (NMOS e PMOS)
40
20
Seção transversal de um circuito
integrado CMOS (MOS Complementar)
substrato P
Fig. 5.9
41
Comparação entre transistores bipolares e MOS
O transistor Bipolar possui um maior gm quando comparado
ao MOSFET, para uma determinada corrente de polarização,
devido a sua característica I versus V exponencial.
42
21
Sugestão de estudo
• Razavi, Cap. 6
• Sedra/Smith cap. 5 seções 5.1 até 5.3
– Exercícios e problemas correspondentes
Para saber mais:
Paul R. Gray e Robert G. Meyer, Analysis and
Design of Analog integrated Circuits, John Wiley &
Sons
T. Tsividis, Design considerations in single-chanel
MOS analog integrated circuits – A tutorial”, IEEE
JSSC SC 13, pp 383-391, junho de 1978
43
22