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1
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 1 1
DELET - EE - UFRGS
Circuitos Eletrônicos I
ENG 04077
TRANSISTOR DE EFEITO DE
CAMPO DE PORTA ISOLADA
- MOSFET -
Prof. Dr. Hamilton Klimach
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 2
Dispositivos Eletrônicos
Elementares
ATIVOS
(amplificação)
PASSIVOS
(relação IxV)
Transistor de
Junção Bipolar
BJT
Transistor de
Efeito de Campo
FET
NPN
PNP
de Junção
JFET
de Porta Isolada
MOSFET
Canal N
Canal P
Lineares
Não-Lineares
Não-reativo: R
Reativos: L, C
Diodos
Termistores
Varistores
...
DISPOSITIVOS
ELETRÔNICOS
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2
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 3
Capacitor MOS
• Capacitor usual
• metal-isolante-metal
metal
metal
isolante
metal
semicondutor dopado
óxido
• Capacitor MOS
• metal-óxido-semicondutor
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 4
Capacitor MOS polarizado
• Capacitor usual
• metal-isolante-metal
• E : campo elétrico
• Capacitor MOS
• metal-óxido-semicondutor
• E : campo elétrico
metal
metal
isolante
Vc
E
metal
óxido
Vc
semicondutor dopado - p
E
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3
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 5
Capacitor MOS polarizado
• Capacitor usual
• metal-isolante-metal
• E : campo elétrico
• C = Qt/Vc
• Capacitor MOS
• metal-óxido-semicondutor
• E : campo elétrico
• Ceq= Qt/Vc = (Qi+Qd)/Vc
metal
metal
isolante
Vc
+ + + + + + + + + + + + + + +
– – – – – – – – – – – – – – –
+Qt
–Qt
E
metal
óxido
Vc
+ + + + + + + + + + + + + + + +Qt
semicondutor dopado - p
– – – – – – – – – – – – – – – –Qi –Ө –Ө –Ө –Ө –Ө –Ө –Ө –Qd
E
região depletada
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 6
Capacitor MOS polarizado
• Campo elétrico E no semicondutor:
– afasta cargas livres positivas (lacunas)
– atrai cargas livres negativas (elétrons)
• Cada lacuna afastada deixa para trás um
átomo dopante com carga negativa a
descoberto (carga fixa, que não se move). O
total de cargas fixas a descoberto resulta na
carga de depleção ‘Qd’
• Mesmo o semicondutor estando dopado P,
com excesso de lacunas livres, existem
elétrons livres gerados termicamente pelo
rompimento das ligações covalentes do Si. O
total de elétrons livres atraídos resulta na
carga de inversão ‘Qi’
• Ceq= Qt/Vc = (Qi+Qd)/Vc
metal
óxido
Vc
+ + + + + + + + + + + + + + + +Qt
semicondutor dopado - p
– – – – – – – – – – – – – – – –Qi –Ө –Ө –Ө –Ө –Ө –Ө –Ө –Qd
E
região depletada
• Concentração de dopantes: 1015~1018
at/cm3
• Concentração de portadores térmicos:
cerca de 1010 elétrons-lacunas/cm3 @
300K=27ºC
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4
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 7
Tipicamente:
• L = 0,065 até 10 mm,
• W = 0,1 atéo 100 mm
• Espessura da camada de óxido (tox) é na faixa
de 2 a 50 nm.
MOSFET: estrutura física
• NMOS → substrato tipo P
• Dispositivo simétrico
• Dispositivo de 4 terminais
– Porta, Dreno, Fonte e Substrato
(gate, drain, source e Bulk)
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 8
MOSFET: estrutura física
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5
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 9
MOSFET: estrutura física
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 10
MOSFET: Finfet
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6
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 11
MOSFET: Finfet
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 12
TERMINAIS
G: porta (gate)
S: fonte (source)
D: dreno (drain)
B: substrato (bulk)
Simbologia e terminais do MOSFET
Símbolos NMOS
Símbolos PMOS
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7
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 13
•as regiões de dreno e fonte (tipo N)
formam junções (diodos) com a
região de substrato (tipo P)
•envolvendo cada uma das junções
surgem zonas de depleção (elétrons
livres da região N atravessam a
interface e preenchem as lacunas
livres da região P, fazendo com que
não sobrem cargas livres nessa
região)
•como a concentração de dopantes
das regiões de dreno e fonte é muito
maior que a do substrato, a região de
depleção para dentro de dreno e
fonte é muito pequena
Sem potenciais aplicados (VGS = 0)
Funcionamento
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 14
•o potencial VGS aplicado entre porta
e substrato atrai elétrons livres e
afasta lacunas livres da interface
óxido-substrato: surge uma região
de depleção entre a interface e o
substrato, ligando as regiões de
depleção das junções
Pequeno potencial aplicado (VGS < Vt)
Funcionamento - depleção
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8
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 15
•se o potencial VGS aumentar, a
concentração de elétrons livres
aumenta na interface óx-subs
•quando a concentração de elétrons
livres for maior que a de lacunas fixas
(dopantes) ocorre a condição de
INVERSÃO
•em inversão há o surgimento de um
“canal” de material tipo N induzido
entre dreno e fonte
•o valor de VGS em que ocorre a
inversão é chamado de potencial de
threshold (Vt)
Aumento do potencial aplicado (VGS > Vt): condição de inversão
Funcionamento - inversão
portadoresi
canal
canalvolume
Qm
1
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 16
• vGS > Vt
• vDS pequeno (vDS < vGS – Vt’ )
• Dispositivo funciona como
um resistor controlado por vGS
• A condutância do canal é
proporcional a vGS – Vt’
• A corrente iD é proporcional a
(vGS – Vt) vDS
Operação do Canal Induzido na Região Ôhmica
Funcionamento – região ôhmica
portadoresi
canal
canalvolume
Qm
1
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9
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 17
Região ôhmica – iD x v
DS
Resistor linear controlado por vGS
Condição: vDS deve ser mantido pequeno (vDS << vGS – Vt )
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 18
• Aumentando vDS:o nível de inversão
varia ao longo do canal, como
resultado da diferença de potencial
entre a posição no canal e o terminal
de porta
• O canal assume uma forma gradual.
• A resistência do canal aumenta com
o aumento de vDS.
•o comportamento iD x vDS passa a ser
não-linear
(vGS é mantido constante em um valor
tal que vGS – vDS > Vt ))
Dependência de Rcanal em VDS
Região ôhmica – canal gradual
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10
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 19
Dependência de Rcanal em VDS
Região ôhmica – canal gradual
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 20
Saturação do canal:
• Redução da condutividade local em função de vDS
• Quando vDS = vGS – Vt, o canal “descola-se” do dreno (pinch-
off)
• Aumento vDS acima de vGS – Vt tem pouco efeito na forma
do canal (corrente passa a ser independente de vGS )
Saturação do canal
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11
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 21
Curva completa iD x vDS : saturação do canal
Saturação - iD x v
DS
vGS > Vt
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 22
CMOS: implementação de transistores NMOS e
PMOS em um mesmo substrato através da
implementação de um “poço”
Tecnologia Complementary-MOS
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12
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 23
MOSFET
Modelos
23
ENG04077 – Eletrônica I
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 24
k’n (W/L) = 1.0 mA/V2.
NMOS: curva completa iD x vDS
Modelo Analítico Simples
2'
2
1DSDStGSnD VVVV
L
WkI
tGSDS VVV Triodo:
2'
2
1tGSnD VV
L
WkI
tGSDS VVV Saturação:
oxnn Ck m'
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13
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 25
Vt = 1 V, k’n W/L = 1.0 mA/V2
NMOS: curva iD x vGS em saturação
NMOS em Saturação
2'
2
1tGSnD VV
L
WkI
tGSDS VVV Saturação:
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 26
Transistor NMOS
Modelo para grandes sinais em saturação
Modelo para Grandes Sinais
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14
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 27
Transistor NMOS
Níveis relativos de tensão entre os terminais
Tensões nos Terminais
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 28
Aumentando vDS além de vDSsat causa o distanciamento do ponto
de pinch-off em relação ao dreno, reduzindo o comprimento efetivo
do canal por ΔL.→ pequena variação de iD com vDS .
Efeito de modulação do comprimento efetivo do canal
em função de vDS , em saturação
Condutância de Saída
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15
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 29
• O parâmetro VA depende da tecnologia de processo.
• VA é proporcional ao comprimento do canal L.
• Quanto maior o L maior a impedância de saída.
VA: tensão de Early
DQDQ
Ao
II
Vr
1
Dependência de iD com vDS: o efeito Early
Condutância de Saída
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 30
NMOS: modelo para grandes sinais em saturação,
incluindo o efeito Early
Condutância de Saída
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16
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 31
PMOS: símbolos e polarização
Transistor PMOS
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 32
PMOS: níveis relativos de tensão entre os terminais
Transistor PMOS
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17
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 33
Resumo
NMOS
PMOS
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 34
MOSFET
Circuitos Digitais
34
ENG04077 – Eletrônica I
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18
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 35
Lógica CMOS – modelo
+
VGS
_
+
VSG
_
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 36
Lógica CMOS – estrutura
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19
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 37
Lógica CMOS – inversor CMOS
Nível lógico “1” na entrada
Nível lógico “0” na entrada
Tensão intermediária na entrada
PMOS – ON
NMOS – OFF
PMOS – OFF
NMOS – ON
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 38
Lógica CMOS – portas NAND e NOR
NAND NOR
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20
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 39
Lógica CMOS – função qualquer
Função Qualquer
SY
BACS
S
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 40
Lógica CMOS – ‘ou’ exclusivo XOR
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21
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 41
MOSFET
Polarização
41
ENG04077 – Eletrônica I
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 42
Modelos Grandes Sinais
NMOS
PMOS
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22
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 43
SSDSGS VIRV
2'
2
1tGSnD VV
L
WkI
oxnn Ck m'
tGSDS VVV
2'
2
1DSDStGSnD VVVV
L
WkI
tGSDS VVV
DSDSSDDDS IRRVVV
Região de Saturação:
Região de Triodo:
SSDSGS VIRV
Polarização
tGSOVD VVV
Tensão de Overdrive
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 44
2'
2
1tGSnD VV
L
WkI
Região de Saturação:
GSDS VV tGSDS VVV
DDDGS VRIV
Autopolarização
O transistor está sempre em
Saturação!
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23
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 45
12 GSGS VV 12 DD II
Desde que ambos estejam saturados!
Espelho de corrente
Necessita transistores IDÊNTICOS!!!
A corrente de dreno de Q2 é resultado da
corrente de dreno de Q1.
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 46
Espelho de corrente
Q1 e Q4 autopolarizados: Espelho de corrente:
REF
REFD
DDDGS
tpGSpD
IIIII
II
VRIV
VVL
WkI
5432
1
11
2
1
1
1'
12
1
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24
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 47
DDGS VV
DDDDDS IRVV
2'
2
1DSDStGSnD VVVV
L
WkI
tGSDS VVV
Região de Triodo:
VVDS 1,0
Supondo: 2' /1;1 VmAL
WkVV nt
DDGS VV
Polarização na região de triodo
Dados:
Calcular ID e RD . Estime rds.
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 48
Estabilidade de ponto Q
2'
2
1tGSnD VV
L
WkI
(VT1; kn1 )
(VT2; kn2 )
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25
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 49
Estabilidade de ponto Q
DD
GG
GGGS V
RR
RVV
21
2
ΔID
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 50
Estabilidade de ponto Q
S
GSGDDSGGS
DD
GG
GG
R
VVIIRVV
VRR
RV
21
2
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26
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 51
Estabilidade de ponto Q
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 52
Polarização do PMOS
Projetar o circuito para:
Saturação
ID = 0,5 mA
VD = 3V
Considerando:
Vt = -1V
Kp´(W/L) = 1 mA/V2
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27
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I
Polarização de MOSFETs
tD
GS VWk
ILV
2
22
2
21
1
1'
2
1tGSnD VV
L
WkI
tGSDS VVV
21 GSDDDSO VVVv
Região de Saturação:
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I
Polarização de MOSFETs
22
'
2
2
2
2
1
'
1
1
1
2
21
2
2
tGSn
D
tGSn
D
RDDD
RDD
VVk
I
L
W
VVk
I
L
W
IVVR
III
Divisão de tensão:
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28
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I
Polarização de MOSFETs
23
'
3
3
3
2
2
'
2
2
2
2
1
'
1
1
1
321
321
2
2
2
tGSn
D
tGSn
D
tGSn
D
GSGSGSDD
DDD
VVk
I
L
W
VVk
I
L
W
VVk
I
L
W
VVVV
III
Divisão de tensão:
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I
Polarização de MOSFETs
42
2
2
'
2
2
2
41
2
1
'
1
1
1
21
2
2
VVV
VVk
I
L
W
VV
VVk
I
L
W
II
DDSG
tpGSp
D
GS
tnGSn
D
DD
Divisão de tensão:
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29
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I
Polarização de MOSFETs
EXERCÍCIOS
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I
Polarização de MOSFETs
EXERCÍCIOS
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30
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I
Polarização de MOSFETs
EXERCÍCIOS
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I
Polarização de MOSFETs
EXERCÍCIOS
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31
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 61
O MOSFET como
Amplificador
61
ENG04077 – Eletrônica I
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 62
Amplificador Básico
Amplificador Fonte Comum
Topologia Básica
Representação Gráfica da Reta de Carga
Determinação da Curva de Transferência
triodovvfi
saturadovfi
iRVvv
DSGSD
GSD
DDDDDSO
),(
)(
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ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 63
Curva de Transferência
Determinação da Curva de Transferência
A curva de transferência
mostra a operação como
amplificador, com o
MOST polarizado no
Ponto Q.
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 64
Reta de Carga
Influência da Reta de Carga na Excursão de Sinal
Ponto Q1 não deixa espaço
suficiente para excursão
positiva do sinal, muito
próximo de VDD
Ponto Q2 não deixa
espaço suficiente para
excursão negativa do
sinal, muito próximo
da região de Triodo.
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33
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 65
Exercício para casa!
• Considere o amplificador Fonte
Comum – FC ao lado cujo transistor
possui o seguintes características:
– k’n(W/L) = 1mA/V2
– Vt = 1V
– RD = 18kΩ
– VDD = 10V
• Aplicar o processo de análise descrito
anteriormente nesse circuito:
– Para cada valor de vI, calcula-se vO
– Tendo um conjunto de pares (vI ; vO),
traça-se a curva vI x vO
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 66
Pequenos Sinais
Circuito conceitual para estudo do modelo de pequenos sinais
Fonte de Polarização
Fonte de Sinal
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34
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 67
Pequenos Sinais
Aplicação de um sinal de entrada de 150 mVpp
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 68
Pequenos Sinais
2'
2
1tGSnD VV
L
WkI
tGS
D
Dn
GS
Dm
OVntGSnm
GS
Dm
VV
I
IL
Wk
V
Ig
VL
WkVV
L
Wkg
V
Ig
2
2 '
''
VOV – Tensão de overdrive
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35
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 69
Pequenos Sinais
Resposta de saída do amplificador Fonte Comum
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 70
Tensões instantâneas vGS e vD no
circuito abaixo.
Pequenos Sinais
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ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 71
Modelo para Pequenos Sinais
Modelo Simplificado Modelo Extendido
Considerando o efeito de modulação do
comprimento do canal (EARLY) que é
modelado por ro = |VA| /ID
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 72
Análise de um Amplificador MOS
• Considere o amplificador Fonte
Comum – FC ao lado cujo transistor
possui o seguintes características:
– k’n(W/L) = 0,25 mA/V2
– Vt = 1,5 V
– VA = 50 V
– RD = 18kΩ
– VDD = 10V
• Suponha que os capacitores são
praticamente curto circuitos para sinal.
• Calcule:
– O ganho de pequenos sinais
– A resistência de entrada
– O maior sinal de entrada para
operação em saturação.