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EE530 Eletrônica Básica IProf. 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
Inventor do transistor MOSFET
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Julius Edgar Lilienfeld (1881-1963)
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
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
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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.
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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
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Projeção para o estado da arte da tecnologia MOSFET
Fonte: J. Rabaey, Digital Integrated Circuits SIA´01
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Projeto baseado no avanço tecnológico :Silicon RadioIntel
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
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7Fig. 5.1
Estrutura física do NMOS tipo enriquecimento
Estado da arte:L = 22 nm
Espessura
do óxido = 18 Å
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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
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Capacitor de placas paralelas
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NMOS com tensão de porta (a), Região de depleção (b) e formação do canal (c)
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Formação do canal e polarização conveniente do substrato
Região depletada de portadores
Fonte: Sedra Fig. 5.2
- - - - -
12Fonte: Sedra Fig. 5.3
VGS > Vt e VDS pequeno
Condutância controlada por VGS
NMOS com tensão de Porta e de Dreno
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Característica I versus V para NMOS com tensão de Porta e de Dreno*
* VD dentro de um certo limite
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Operação como resistor linear
( )1
on
n ox GS t
RW
C V VL
µ=
−
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15Sedra Fig. 5.5
VGS > Vt e
VDS ⇑Estreitamento do canal
Perfil do canal com tensão VDS crescente
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Estrangulamento do canal
Variação do comprimento com a tensão de dreno
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17Fig. 5.6
Corrente de drenoiD versusa tensão dreno-fonte vDS , para vGS > Vt
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Regiões de operação com base nas tensões de porta e dreno
Perfil do canal na região de saturação
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19Fig. 5.11
CaracterísticaiD - vDS para um NMOS
( )´ 21
2D n GS t DS DS
Wi k v V v v
L = − −
( )2'1
2D n GS t
Wi k v V
L= −
Região linear (Triodo):
Região de saturação:
´n n oxk C= µ
Sendo que:
2
A
V
20
Mobilidade de elétrons: 2580 cm /Vsn ≃µ
Espessura do óxido: 0,02 a 0,1 µmoxt =
Permissividade do óxido:
0
14 13
3,97
3,97 8,85 10 3,5 10 F/cm
ox
− −
=
= × × = ×
ε ε
Capacitância do óxido:
2
2
/
1,75 fF/µm para 0,02 µm
0,35 fF/µm para 0,1 µm
ox ox ox
ox
ox
C t
t
t
=
= =
= =
ε
Parâmetro de transcondutância do processo:
´
2
2
100 µA/V para 0,02 µm
20 µA/V para 0,1 µm
n n ox
ox
ox
k C
t
t
=
=
=
≃
≃
µ
Fonte: Sedra Tabela 5.1
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21
Modulação do comprimento do canal
22Fig. 5.12
Característica iD – vGS do NMOS na saturação
Vt = 1 V ek’n(W/L) = 0.5 mA/V2 ( )2'1
2D n GS t
Wi k v V
L= −
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Modelo equivalente para grandes sinais na região de saturação
constante
1
0GS
D
vDS
ir
v =
− ∂≡ ∂
( )2´1(1 )
2D n GS t DS
Wi k v V v
L= − + λ ( )
12
0
´
2n
GS t
k Wr v V
Lλ
− = −
[ ] 1
0 Dr Iλ −= 0A
D
Vr
I=
O MOSFET como AmplificadorCircuito Conceitual
GS GS gsv V v= +
Consideramos: 0gsv =
e operação na região de saturação.
0λ =
( )2´1
2D n GS t
WI k V V
L= −
Desprezando efeito da modulação de canal:
D DD D DV V R I= −
DS GS tV V V> −
Deve-se garantir que:
Ponto de Polarização
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Transcondutância
( )2´1
2D n GS gs t
Wi k V v V
L= + −
( ) ( )2´ ´ ´ 21 1
2 2n GS t n GS t gs n gs
W W Wk V V k V V v k v
L L L= − + − +
( )´d n GS t gs
Wi k V V v
L= −
( )´dm n GS t
gs
i Wg k V V
v L≡ = −
GS GS
Dm
v VGS
ig
v =
∂≡∂
Pequenos sinais:
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Análise da transcondutâncias MOS
( )m n ox GS t
Wg C V V
Lµ= −
( )21
2D n ox GS t
WI C V V
Lµ= −
2m n ox D
Wg C I
Lµ=
Dependências:
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2 Dm
GS t
Ig
V V=
−
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Ganho de tensão
( )D DD D D dv V R I i= − +
d d D m D gsv i R g R v= − = −
dm D
gs
vg R
v= −
gsv
gsvMinimiza distorção não-linear
gsv
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Modelos equivalentes para pequenos sinaisMOSFET na região de saturação
Incluindo o efeito da modulação de canal:
Ao
D
Vr
I≃
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Comparação entre transcondutâncias MOS e Bipolar
( )m n ox GS t
Wg C V V
L= −µ
( )2´1
2D n GS t
WI k V V
L= −
´2m n D
Wg k I
L=
MOSFET Bipolar
Cm
T
Ig
V=
Exercício: Compare numericamente as transcondutâncias
'n n oxk Cµ=
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R30
Exemplo:Encontre Av e Rin
´ 2
1,5 V,
0,25 mA/V e
50 V
t
n
A
V
Wk
L
V
=
=
=
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A função do substrato – O Efeito de Corpo
SBv
0 2 2t t f SB fV V Vγ φ φ = + + −
Parâmetro de efeito de corpo:
2 A S
ox
qN
C
εγ =
Vt corrigido:
R34
Reflexo do efeito de corpo no modelo de pequenos sinais
O efeito de corpo ocorre quando a fonte não está conectada ao corpo
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Transcondutância de corpo
( )2´1
2D n GS t
Wi k v V
L= −
0 2 2t t f SB fV V Vγ φ φ = + + −
( )´dm n GS t
gs
i Wg k V V
v L≡ = −
constante constante
GS
DS
Dmb v
vSB
ig
v ==
∂≡∂ 2 2
t
SB f SB
V
V V
γχφ
∂≡ =∂ +
mb mg gχ=
GS GS
Dm
v VGS
ig
v =
∂≡∂
R36
Resumo dos Modelos para pequenos sinais:
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Transistores com canal-curto e efeito da velocidade de saturação
n nυ µ ξ=n sat n cυ υ µ ξ= =
satDSAT c
n
LV L
υξµ
≈ =
( )DSAT D DS DSATI I V V= =
( )´ 21
2D n GS t DSAT DSAT
Wi k v V v v
L = − −
Ajuste para a região triodo:
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Transistores PMOS
38
21
41Fig. 5.9
Seção transversal de um circuito integrado CMOS (MOS Complementar)
substrato P
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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.
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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