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5/8/2010
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IE640
IE640 Eletrônica II
Aula #2
Revisão e comparação do MOSFET
com o TBJ
Prof. Fabiano Fruett
Inventor do transistor MOSFET
2
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
Q
3
Fonte Sedra & Smith, Fig. 5.1
Estrutura física do NMOS tipo enriquecimento
Estado da arte:
L = 22 nm
Espessura
do óxido = 1 nm
Q
4
Indução do canal
Região depletada de portadores
Fonte: Sedra Fig. 5.2
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Q
5
Fonte: Sedra Fig. 5.3
VGS > Vt e
VDS pequeno
Condutância controlada por VGS
Q 6
Operação como resistor linear
Q
7
Fig. 5.5
VGS > Vt e
VDS ⇑Estreitamento do canal
Q
8
Fig. 5.6
Corrente de dreno iD versus a tensão
dreno-fonte vDS , para vGS > Vt
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Q
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Fig. 5.11
Característica iD - 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
Q
10
Fig. 5.12
Característica iD – vGS do NMOS na saturação
Vt = 1 V e k’n(W/L) = 0.5 mA/V2
( )2'1
2D n GS t
Wi k v V
L= −
Q 11
Característica iD - vDS para o PMOS
Q 12
Simbologia
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Q
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Fig. 5.9
Seção transversal de um circuito
integrado CMOS (MOS Complementar)
substrato P
Q 14
Projeção para o estado da arte da tecnologia
MOSFET
Fonte: J. Rabaey, Digital Integrated Circuits SIA´01
Transistores com canal-curto e efeito da
velocidade de saturação
Q 15
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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Inventores do Transistor Bipolar de Junção
John John John John Bardeen, Walter Brattain and Bardeen, Walter Brattain and Bardeen, Walter Brattain and Bardeen, Walter Brattain and William ShockleyWilliam ShockleyWilliam ShockleyWilliam Shockley
Bell LabsBell LabsBell LabsBell Labs
16 de Dezembro de 1947
EE640
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N 17
Correntes em um NPN operando na região ativa
EI CI
BI
BEVCBV
Fluxo convencional
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Transistor bipolar
Fonte: Sedra/Smith
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Equação
+
−=
A
CEV
v
SC V
veII T
BE
11k
qT
TV =
IC é a corrente de coletorVT a tensão termodinâmica = kT/qk é a constante de Boltzmann, k=1,38062E-23 [J/K]T a temperatura em Kelvinq a carga do elétron 1.60E-19 [C]portanto VT @ temperatura ambiente = 25 mVIS corrente de saturação reversa
20
Corrente de saturação reversa para
um transistor npn
BA
niES WN
DnqAI
2
=
ln CBE
S
IkTV
q I
=
Relação VBE vs. IC
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Comparação MOS vs. TBJ no modo de
operação ativo
( )2'1
2D n GS t
Wi k v V
L= − exp BE
C ST
vi I
V
=
( )DS GS t OVv v V v≥ − = 0,5 VBE BEonv V≥ ≃
0,4 VBC BConv V< ≃
0Gi = CB
ii
β=
22
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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Detalhes sobre gm
( )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 as transcondutâncias
'n n oxk Cµ=
Modelo π-híbrido para baixa frequência
´2m n D
Wg k I
L= C
mT
Ig
V=
'
0A A
D D
V V Lr
I I= = 0
A
D
Vr
I=
( )11 e
m
r rgπ
β β+= +≃
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Exercício: Calcule o ganho intrínseco
das duas configurações abaixo.
+V +V
0v 0v
iv iv
I I
Modelo T para baixa frequência
1
βαβ
=+
Modelo π-híbrido para alta frequência
2
3gs ox ov oxC WLC WL C= +
gd ov oxC WL C=
de jeC C Cπ = +02
de F m
je je
C g
C C
τ=≃
0
0
1m
CB
C
CC
V
V
µµ =
+
é o tempo de trânsito de base direto
é a tensão interna da junção
é o coeficiente de graduação da junção
é o das difusões de dreno e fonte abaixo do óxido de porta
F
CO
ov
V
m
L overlap
τ
Valores típicos de parâmetros de dispositivos
CMOS TBJ