Download - Semicondutores: E-MOSFETs
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 1
MOSFETs
Não concordo com o acordo ortográfico
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 2
BJT: Transistores bipolares de junção (Bipolar Junction Transistor)
FET: Transistores de efeito de campo (Field Effect Transistor).
JFET: Transistores de efeito de campo de junção (Junction Field Effect Transistor).
MESFET: Transistores de efeito de campo de metal semiconductor. (MEtal Semiconductor Field Effect Transistor).
MOSFET: Transistores de efeito de campo de metal-óxido-semiconductor. Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor.
BJTsPNP
NPN
FETs
JFET
MESFET
MOSFET
Canal PCanal NEnriquecimento
DeplexãoCanal PCanal N
Canal PCanal N
Tipos de Transistores
Transistores MOSFETs
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 3
Símbolos de Transistores
Transistores MOSFETs
Transistor, bipolar, NPN
Transistor, bipolar, PNP
Transistor, JFET, Canal-N
Transistor, JFET, Canal-P
Transistor, MOSFET, Canal-N, Modo Deplexão
Transistor, MOSFET, Canal-N, Modo Enriquecimento
Transistor, MOSFET, Canal-P, Modo Deplexão
Transistor, MOSFET, Canal-P, Modo Enriquecimento
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 4
Enriquecimento Deplexão Enriquecimento Deplexão
MOSFETS de Enriquecimento e de Deplexão – Comparação de símbolos e canais
Transistores MOSFETs
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 5
Transistores de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor MOSFET
Transistores MOSFETs
O Transistor MOSFET - É o mais importante componente semicondutor fabricado actualmente. O MOSFET, que em grande parte substituiu o JFET, teve um efeito mais profundo sobre o desenvolvimento da electrónica, foi inventado por Dawon Kahng e Martin Atalla, em 1960.
Em 2009 foram fabricados cerca de 8 milhões de transistores MOSFET para cada pessoa no mundo; esse número dobrou em 2012.
Possuem elevada capacidade de integração, isto é, é possível fabrica-los nas menores dimensões alcançáveis pela tecnologia empregada.
São componentes de simples operação e possuem muitas das características eléctricas desejáveis para um transistor, especialmente para aplicações digitais.
MOSFET: Transistor de Efeito de Campo de Metal-Óxido-Semicondutor (do inglês, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor);
São transistores formados pela associação entre um condutor, um isolante óxido e semicondutores tipo p e n (um deles fortemente dopado).
Assim como o JFET, o seu princípio de funcionamento baseia-se no controlo do canal pela condução entre os terminais fonte (S) e dreno (D) através da porta de controlo (G).
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 6
– MOSFETs Canal N
Canal P
Tipo Enriquecimento (E-MOSFET).
Tipo Deplexão (D-MOSFET).
De acordo com o tipo de canal, os MOSFETs podem ser classificadas como:
Tipo Enriquecimento (E-MOSFET).
Tipo Deplexão (D-MOSFET).
Transistores MOSFETs
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 7
Canal N
Canal P
MOSFETS de Enriquecimento e de Deplexão – Comparação de símbolos e canais
G
D
STipo Enriquecimento
G
D
STipo Deplexão
D
Tipo Enriquecimento
G
S
G
D
STipo Deplexão
Transistores MOSFETs
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 8
p
n n
p
n n
GS D GS DE-MOSFET
Enriquecimento (n)D-MOSFETDeplexão (n)
D
G substrato p
S
nMOS-FETde Enriquecimento
D
G substraton
S
pMOS-FETde Enriquecimento
Formado por uma placa de metal e um semicondutor, separados por uma zona de óxido de semicondutor - por exemplo SiO2 - de uns 100 nm de espessura. Possui quatro eléctrodos:
Porta, (Gate em inglês), simbolizada com G; que se conecta á placa metálica. Fonte (Source) e Dreno (Drain), ambos simétricos, que se integram no substrato. Substrato (Body), geralmente conectado electricamente com a fonte.
D
G substratop
SnMOS-FETde Deplexão
D
G substraton
SpMOS-FETde Deplexão
MetalÓxido
Semiconductor
Metal
MOSFETS de Enriquecimento e de Deplexão – Comparação de símbolos e canais
Transistores MOSFETs
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 9
MOSFET de Enriquecimento E-MOSFET - Simbologia A distinção entre os terminais do canal continua a ser feita pela conexão do substrato (SS)
a um dos terminais, que passa a ser denominado o terminal fonte (S). Em dispositivos discretos, a dissipação térmica continua a ser feita através do terminal de
Dreno (D).
G
D
S
Substrato
G
D/S
S/D
SubstratoSS
G
D
S
G
D
S
Substrato
G
D/S
S/D
SubstratoSS
G
D
S
Canal n Canal p
Transistores MOSFETs
O MOSFET tem 3 ou 4 terminais: G, D, S e B (de 'bulk' ou substrato) mas o B está normalmente ligado à fonte (Source) S. Caso tenha dissipador, é ligado ao Drain (Dreno)
Pode ser do tipo NMOS (tipo N) ou PMOS do (tipo P).
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 10
Transistores MOSFETsEncapsulamentos….
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 11
O MOSFET de enriquecimento é fabricado sobre um substrato tipo p, onde são criadas duas regiões fortemente dopadas tipo n (Fonte – S e Dreno – D). Uma fina camada de dióxido de silício (isolante) é crescida sobre a superfície do substrato, cobrindo a área entre as regiões da Fonte e Dreno. São feitos contactos de metal para as regiões da Fonte, Dreno, Porta e Corpo.
Semiconductor Tipo-pSubstrato (corpo)
(SS )Corpo(Body)
n+ n+
Oxide(SiO2)
Source (S)Gate (G)
Drain (D)
Metal
Área do canal
MOSFET Enriquecimento – O canal não existe e tem de ser criado -> VT> 0
Transistores MOSFETsMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n)
Estrutura
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 12
n +
n +
n+ n+CanalL
Metal
Gate(G)Source(S) Drain (D)
Substrato tipo –P (Corpo)
Óxido (SiO2)D
G
S
Óxido (SiO2)
MetalW
L
Região Drain
Canal
Substrato tipo –P
(Corpo)Região Source
Estrutura física de um transistor MOSFET canal N enriquecimento: Dimensões típicas L = 0.1 a 3 mm, W = 0.2 a 100 mm, e a espessura do óxido (Tox) é na
ordem de 2 a 50nm.
L = 0.1 to 3 mm W = 0.2 to 100 mmTox= 2 to 50 nm
Transistores MOSFETsMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n)
Estrutura
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 13
GS D
P-N+ N+
DS G
+
P-
Substrato
N+ N+
SiO2
Contactos metálicosMetal
Metal
Óxido
Semiconductor
Símbolo
MOSFET de enriquecimento (acumulação) de canal N.
G
D
S
Substrato
Transistores MOSFETsMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n)
Estrutura
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 14
+
Consideremos um MOSFET canal n, tipo Enriquecimento (ou intensificação), com o substrato (SS) conectado á fonte (S), polarizado por uma tensão VDS (entre D e S) e outra VGS (entre G e S).
+ n+n
Como não existe um canal condutor entre as regiões dos terminais S e D, o que prevalece são duas junções pn inversamente polarizadas.
A resistência entre D e S é da ordem de 1012 Ω. A corrente no canal é desprezível (da ordem de pA a nA).
Transistores MOSFETs
Criação do Canal entre Dreno (D) e Fonte (S)
+ + + + + + + + + + + + +
++
+
+
+ + + + + + + + + + + +
+ + + + + ++
+
+
Região de deplexão do substrato
- - -- -- - -- -- - -- -
- - -- -- - -- -- - -- -
Ov
MOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n) - Caracteristicas
Análise para VGS = 0V e VDS ≈ 0V
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 15
+
Transistores MOSFETs
Criação do Canal entre Dreno (D) e Fonte (S)
n+ n+
Etapa # 1: A tensão positiva VGS, é aplicada ao terminal de Porta (G), causando um acumular de cargas positivas ao longo do eléctrodo de metal.
Etapa # 2: Este “acumular“ de cargas positivas, faz com que as lacunas livres do substrato p, por debaixo do eléctrodo da Porta (G), sejam repelidas da região.
VGS
+ Ov
MOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n) - Caracteristicas
Análise para VGS 0V e VDS ≈ 0V
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 16
+VGS
+
n+ n+
Transistores MOSFETs
Criação do Canal entre Dreno (D) e Fonte (S)
Etapa # 3: Como resultado desta "migração“, aparecem cargas negativas, antes neutralizadas pelas lacunas livres.
Etapa # 4: A tensão positiva da Porta (G) também atrai electrões das regiões n + do Dreno-Fonte, para o canal.
Ov
MOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n) - Caracteristicas
Análise para VGS 0V e VDS ≈ 0V
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 17
+VGS
+
n+ n+
Transistores MOSFETs
Criação do Canal entre Dreno (D) e Fonte (S)Etapa # 5: Logo que atingido um número suficiente “destes” electrões, é criada uma
região – n,…. entre o Dreno (D) e a Fonte (S)…
Etapa # 6: Este canal recém formado, fornece um caminho para a corrente fluir entre o Drene e a Fonte.
Este canal induzido, também é conhecido por camada de inversão
Ov
O valor de VGS mínimo para a formação de canal é chamado de tensão de limiar (Threshold) e é representada por VT. Para um MOSFET canal n, VT é positivo e tipicamente está dentro da faixa de 1 a 3 V.
MOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n) - Caracteristicas
Análise para VGS 0V e VDS ≈ 0V
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 18
Voltagem limiar (VT) – é o menor valor de vGS necessário para formar um canal condutor entre o Dreno (D) e a Fonte (S). Tipicamente entre 0.3 e 0.6Vdc.
Efeito de Campo-E – Quando uma tensão positiva vGS é aplicada, desenvolve-se um campo eléctrico entre o eléctrodo da Porta (G) e o canal –n induzido - sendo a condutividade deste canal afectada pela intensidade deste campo. A camada de óxido SiO2 actua como
dieléctrico
Overdrive voltage/Efectiva (VOV) – é a diferença entre a vGS aplicada e Vt.
Capacitância do óxido (Cox) – é a capacitância da placa paralela do condensador por unidade de área da Porta(G) (F/m2).
É positiva para MOSFETs Tipo-n, e negativa para os do tipo -p
Transistores MOSFETs
Criação do Canal entre Dreno (D) e Fonte (S)
TGSOV VVV
OX
OXOX t
C
Em F/m2
ox – é permitividade do SiO2 = 3.45E-11(F/m)tox – é a espessura da camada de SiO2 .
MOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n) - Caracteristicas
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 19
Análise para VGS VT e VDS ≈ 0V
MOSFET com VGS> VT e com uma pequena tensão VDS aplicada.A profundidade do canal é uniforme e o dispositivo actua como uma resistência.
IS=ID ID
A condutância do canal é proporcional à tensão efectiva, ou tensão da Gate em excesso, (VGS - VT).
A corrente de Dreno (D), é proporcional à (VGS - VT) e VDS.
Transistores MOSFETsMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n) - Caracteristicas
ID
n+ n+
VDS +VGS
+Canal n induzido
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 20
Análise para VGS VT e VDS ≈ 0V
Corrente de Dreno ID, sob pequena tensão VDS
Para VDS pequeno o canal comporta-se como uma resistência variável.
ID mA
VDS
VGS<VT
VGS=VT+1V
VGS=VT+2V
VGS=VT+3V
Transistores MOSFETsMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n) - Caracteristicas
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 21
n+ n+
S G DiS= iD
iG= 0
iD
Substrato tipo –P (Corpo)
B
Mantendo-se VGS constante, com um valor maior que VT e aumentando-se VDS, observa-se que o canal induzido sofre um estreitamento e a sua resistência aumenta correspondentemente.
Uma vez estabelecido o canal de condução (VGS ≥ VT), a elevação da tensão VDS irá provocar o estreitamento do canal na direcção da região do Dreno, (Pinched-off).
O canal induzido adquire uma forma afunilada. O Canal aumenta a resistência com o aumento de VDS. A Corrente de Dreno é controlada por ambas as duas tensões
(VDS/VGS).
Com tensões VDS pequenas (<<VGS), o canal é uniforme.
Transistores MOSFETs
Análise para aumento de VDS
MOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n) - Caracteristicas
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 22
G
S D
Uma vez que a profundidade do canal induzido depende directamente da quantidade de cargas negativas acumuladas abaixo do dieléctrico, que por sua vez depende da ddp entre a Gate e o canal, deduz-se que:
VDS VGS - VT
VDS = 0 ID=0
Quanto maior for VDS, menor será essa ddp e; Mais estreito o canal se tornará próximo ao dreno.
Quando VGD = VT ou VGS - VDS = VT , o canal fecha-se, “pinched off”.– A camada de inversão desaparece junto ao Dreno (D). – Mas a corrente de Dreno ID, não desaparece, fica constante (similar ao JFET)…!
Transistores MOSFETs
Análise para aumento de VDS
MOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n) - Caracteristicas
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 23
n+ n+
S G D
B
Substrato tipo –P (Corpo)
Óxido (SiO2)Canal tipo n
induzido
Zona de Deplexão no Substrato
+++++++++++++
VGS
------------------------
+
n+ n+
S G D
B
Substrato tipo –P (Corpo)
Óxido (SiO2)
L
Zona de Deplexão no Substrato
VGS
VGS < VTVGS > VT
VDS 0
Transistores MOSFETs
Sintetizando o Funcionamento
VDS 0
MOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n) - Caracteristicas
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 24
n+ n+
iS= iD
iG= 0
iD
Substrato tipo –P (Corpo)
S G D
B
n+ n+
iS= iD
iG= 0
iD
Substrato tipo –P (Corpo)
S G D
B
n+ n+
iS= iD
iG= 0
iD
S G D
B
Substrato tipo –P (Corpo)
Transistores MOSFETs
Sintetizando o Funcionamento
VDS V(pequeno)
VDS = VGS–VT
VDS > VGS–VT
MOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n) - Caracteristicas
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 25
S G D
n+ n+
S G D
n+ n+
VDS = VGS–VT
O canal induzido ou “camada de Inversão” estreita-se no lado do Dreno (D).
Análise para VGS VT e VDS 0V – Saturação (Pinch-off)
Transistores MOSFETs
VDS > VGS–VT
LL
VDVDSat À medida que VDS aumenta acima VGS-VT VDSAT, o
comprimento da região estreita (pinch-off), L aumenta:
A Tensão "extra" (VDS - VDsat) é dissipada na distância L. A queda de tensão na resistência do canal induzido, permanece Vdsat.
A corrente de Dreno, ID satura.Nota: Os electrões são arrastados para o Dreno pelo campo-E, quando entram região de pinch-off.
MOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n) - Caracteristicas
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 26
Regiões de operação do MOSFET A operação de um MOSFET pode assim, ocorrer em três diferentes regiões, dependendo
das tensões aplicadas sobre os seus terminais. Para o transistor NMOS os modos são:
REGIÃO DE CORTE: quando VGS < VT
VGS é a tensão entre a Porta (Gate) e a Fonte (Source) e VT é a tensão de threshold (limiar) de condução do dispositivo. Nesta região o transistor permanece desligado e não há condução entre o Dreno (Drain) e a Fonte (Source).
TGS VV 0ID
Transistores MOSFETs
n+ n+
VGS=0v VGD
- - -- -- - -- -- - -- -
- - -- -- - -- -- - -- -
+ + + + + + + + + + + + +
++
+
+
+ + + + + + + + + + + +
+ + + + + ++
+
+
Não há Canal.IDS=0.
Com zero volts aplicados á Porta (G), existem dois diodos back-to-back em série entre Dreno (D) e Fonte(S).
"Eles" evitam a condução de corrente do Dreno para a Fonte, quando é aplicada uma voltagem VDS, produzindo resistência muito alta (1012ohms)
MOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n) - Caracteristicas
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 27
REGIÃO DE TRIODO (ou região linear): Quando VGS > VT e VDS < VGS – VT Onde VDS é a tensão entre Dreno (D) e Fonte (S). O transistor é ligado, e o canal que é
criado permite o fluxo de corrente entre o Dreno e a Fonte. O MOSFET opera como uma resistência, controlada pela tensão da porta (G).
OVnTGSnD
DSDS
VL
WkVV
LW
kI
Vr
'1
)('1
A corrente de Dreno é controlada não só por VDS mas também por VGS.
A profundidade do canal muda de uniforme a forma afunilada no lado do Dreno.
A corrente do dreno para a fonte é:
V2
DSDSthGSoxn
D VVV2L
W
2
CI
Regiões de operação do MOSFET
Transistores MOSFETsMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n) - Caracteristicas
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 28
n+ n+
VGS VT VGDVT
IS=ID IDVDSVGS-VT
REGIÃO DE SATURAÇÃO:
Canal estreita-se junto ao DrenoIDS independente de VDS.Dispositivo satura.Similar a uma fonte de corrente.
IDS
Se VDS > VGS - VT, então VGD < VT, e o canal fica estrangulado (pinched-off), pois a camada de inversão, não atinge a Drain (D).
Neste caso, a condução é provocada pelo mecanismo de dispersão de electrões sob a influência da tensão positiva da Drain (D).
Como os electrões são negativos deixam o canal, e são acelerados em direção á Drain(D). A Tensão através do canal estrangulado tende a permanecer fixa em (VGS - VT), e a
corrente do canal permanece constante com o aumento da VDS.
Regiões de operação do MOSFET
Transistores MOSFETsMOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 29
REGIÃO DE SATURAÇÃO: quando VGS > VT e VDS > VGS – VT
A corrente de Dreno(D) é agora relativamente independente da tensão de Dreno VDS e é controlada somente pela tensão da porta (VGS) de tal forma que:
2TGSoxn
D VVL
W
2
CI
K
IVV D
TGS
G
S DSaturado
+- VDS – VDSsat
Canal
L-L+- VDSsat =VGS - VT
LL
o valor da corrente deixa de aumentar, assumindo um valor constante – Zona de Saturação. O MOSFET tem comportamento de fonte de corrente.
Regiões de operação do MOSFET
Transistores MOSFETsMOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 30
Análise para VGS VT e VDS 0V – Saturação (Pinch-off)
G
S DPinched-off channel
L
L-L+- VDSsat =VGS - VT
L+- VDS – VDSsat
Os electrões passam através da zona limitada (Pinched-off) em alta velocidade, e a fluxo constante, assim como um jacto de água por um orifício apertado…
Transistores MOSFETsMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n) - Caracteristicas
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 31
Descrição matemática do comportamento de um MOSFET -n
Transistores MOSFETs
Aprendemos muito sobre MOSFETs de enriquecimento, mas ainda não estabelecemos uma relação matemática entre iD, VGS, ou VDS. Como podemos determinar os valores numéricos correctos para tensões e correntes de um MOSFET num determinado momento?
A descrição matemática do comportamento do MOSFET de enriquecimento é relativamente simples! Nós realmente precisamos de nos preocupar com apenas 3 equações.
Especificamente, nós expressarmos a corrente de Dreno iD, em função de VGS e VDS, para cada um dos três modos de funcionamento do MOSFET (Corte, Tríodo, e Saturação).
Além disso, precisamos definir matematicamente os limites entre cada um destes três modos!
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 32
Mas, primeiro, precisamos examinar alguns parâmetros físicos fundamentais, que definem o dispositivo MOSFET. Estes parâmetros incluem:
Descrição matemática do comportamento de um MOSFET
Transistores MOSFETs
k ′ Parâmetro do processo de Transcondutância [A/V2].
W/L - Relação do Aspecto físico do Canal (comprimento/largura). k′- Parâmetro do processo de Transcondutância, é uma constante que depende da
tecnologia de processo usado para fabricar um circuito integrado. Portanto, todos os transistores dum determinado substrato, irão tipicamente ter o mesmo valor deste parâmetro.
W/L - é simplesmente a proporção da largura (W) e do comprimento (L) do canal. Este é o parâmetro do dispositivo do MOSFET, que pode ser alterado e modificado pelo designer do circuito, para satisfazer as especificações dum circuito ou de um transistor.Nós também podemos combiná-las para formar um parâmetro único do MOSFET, o
Parâmetro K: 2VA
L
Wk
2
1K ......'
Agora podemos descrever matematicamente o comportamento de um MOSFET de enriquecimento. Vamos fazer um modo de cada vez.
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 33
Descrição matemática do comportamento de um MOSFET : Modos
Transistores MOSFETs
Corte (Cutoff)
Esta relação é muito simples, se o MOSFET está na corte, a corrente de Dreno iD, é simplesmente de zero!
iD=0 (CUTOFF mode)
Tríodo (Triode)Quando no modo de tríodo, a corrente de Dreno é dependente tanto VGS como de VDS:
2
DSDSTGSD V2
1VVV
L
Wk'i
2DSDSTGS VVVV2K (TRIODE mode)
Esta equação é válida para ambos os transistores NMOS e PMOS, (se estiverem no modo TRÍODO). Recorde-se que para os dispositivos PMOS, os valores de VGS e VDS são negativos, mas notar que isso dará resultado(correcto) de um valor positivo de iD.
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 34
Descrição matemática do comportamento de um MOSFET : Modos
Transistores MOSFETs
Saturação (Saturation)Quando estiver no modo de saturação, a corrente de Dreno do MOSFET é
(aproximadamente), dependente unicamente de VGS:
2TGS2
TGSD VVKVVL
Wk'
2
1i
(Saturation mode)
Assim, vemos que a corrente de Dreno iD, na saturação ,é proporcional ao excesso de tensão da Gate ao quadrado!
Esta equação é igualmente válida para os dois tipos de transistores NMOS e PMOS (se estiverem no modo de saturação).
OK, então agora sabemos a expressão para a corrente de Dreno iD, em cada um dos três Modos de funcionamento de um MOSFET, mas como saberemos em que modo está o MOSFET?
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 35
Descrição matemática do comportamento de um MOSFET : Limites dos Modos
Transistores MOSFETs
Temos que determinar os limites matemáticos de cada modo. Tal como antes, vamos fazer um modo de cada vez!
Corte (Cutoff)Um MOSFET está no corte quando nenhum canal foi induzido. Assim, para um dispositivo
NMOS de enriquecimento:
Se VGS-VT 0, então o NMOS está no CORTE
Similarmente, para um dispositivo PMOS de enriquecimento temos:
Se VGS-VT 0, então o PMOS está no CORTE
Tríodo (Triode)
Para o modo tríodo, sabemos que temos um canal induzido (ou seja, uma camada de inversão está presente).
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 36
Descrição matemática do comportamento de um MOSFET : Limites dos Modos
Transistores MOSFETs
Tríodo (Triode) (Cont)
Se VDS VGS-VT, então o NMOS está "pinched off"
Se VDS VGS-VT, então o PMOS está "pinched off"
Além disso, sabemos que quando em modo tríodo, a tensão VDS não é suficientemente grande para NMOS, ou suficientemente pequena (isto é, suficientemente negativa) para o PMOS, para estrangular (pinch off) o canal induzido.
Mas quão grande é que VDS precisa de ser, para “estrangular” um canal NMOS? Como podemos determinar se o estrangulamento ocorreu?
A resposta a essa pergunta é surpreendentemente simples. O canal induzido de um dispositivo NMOS está “estrangulado” se a tensão VDS é maior do que o excesso de voltagem da Gate!
Similarmente, para um dispositivo PMOS de enriquecimento temos:
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 37
Descrição matemática do comportamento de um MOSFET : Limites dos Modos
Transistores MOSFETs
Tríodo (Triode) (Cont)
Estas condições, significam que um canal NMOS não está estrangulado se: VDS VGS-VT E consequentemente, um canal PMOS não está estrangulado se: VDS VGS-VT Assim, podemos dizer que um dispositivo NMOS está no modo de TRIODO:
Se VGS-VT 0 , e VDS <VGS-VT , então o NMOS está no modo TRIODO
Similarmente para um dispositivo PMOS:
Se VGS-VT 0 , e VDS VGS-VT , então o PMOS está no modo TRIODO
Saturação (Saturation)Lembremo-nos de que no de modo de Saturação, um canal está induzido, e que esse
canal está “estrangulado” ( pinched off). Assim, podemos afirmar que para um NMOS:
Se VGS-VT 0 , e VDS VGS-VT , então o NMOS está no modo SATURAÇÂO
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 38
Descrição matemática do comportamento de um MOSFET : Limites dos Modos
Transistores MOSFETs
Saturação (Saturation) (Cont)
E para um dispositivo PMOS:
Se VGS-VT 0 , e VDS VGS-VT , então o PMOS está no modo SATURAÇÂO
Podemos agora construir uma expressão completa (contínua) relativas á corrente de Dreno iD, para tensões VDS e VGS.
Se
Se
Se
e
e
Para um dispositivo NMOS:
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 39
Descrição matemática do comportamento de um MOSFET : Limites dos Modos
Podemos agora construir uma expressão completa (contínua) relativas á corrente de Dreno iD, para tensões VDS e VGS.
Transistores MOSFETs
Para um dispositivo PMOS:
Se
Se
Se
e
e
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 40
Descrição matemática do comportamento de um MOSFET : Limites dos Modos
Transistores MOSFETs
Vamos agora ver como estas expressões aparecem quando as representamos graficamente. Especificamente, para o um dispositivo NMOS, vamos representar a corrente iD em função de diferentes valores de VDS e VGS:
VDS VGS-VT Região Tríodo
VDS VGS-VT Região Saturação
VDS = VGS - VT
VGS VT Região Corte
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 41
Análise da corrente ID
corrente Dreno ID, saturada e apenas controlada pelos VGS
VDSsat=VGS-VT
VDS VGS-VT
Triodo
VDS VGS-VT
Saturação
VGSVT
A corrente satura, porque o canal estreita muito (pinch-off), junto ao Dreno, e VDS deixa de afectar o canal .
Quase um linha a direito, com a inclinação proporcional a (VGS-VT).
A linha dobra-se porque a resistência do canal aumenta com VDS.
Na região subliminar, a corrente de Dreno tem uma relação exponencial com VGS.
VGS cria o canal.
Aumentando VGS irá aumentar a condutância do canal.
Na região de saturação apenas VGS controla a corrente de Dreno.
Quando VDS aumenta a tensão VGD diminui até se tornar inferior a VT. O canal fecha-se do lado do Dreno (pinch-off), e o valor da corrente deixa de aumentar, assumindo um valor constante – Zona de Saturação.
Transistores MOSFETsMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n) - Caracteristicas
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 42
Curva Característica
Um MOSFET de enriquecimento de canal n com VGS e VDS aplicada e com as indicações normais de fluxo de corrente indicada.
As características ID-VDS de um dispositivo com K‘n (W / L) = 1,0 mA/V2..
ID
IS=IDIG=0
DSTGSn2
DSDSTGSnD VVVL
WkV
2
1VVV
L
WkI )(')('
Transistores MOSFETsMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n) - Caracteristicas
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 43
VGS= 4 V
VGS= 6 V
VGS= 5 V
VGS=2V= VTP
Na ausência de canal para VGS = 0 não há corrente ID. É necessário um valor mínimo de voltagem limiar VTP positiva de VGS para que se forme o canal. Aumentando VGS aumenta o valor da corrente de saturação.
VGS= 7 V
2)( TGSSatD VVKI
Curva de transferência e curvas características de Dreno típicas de um nMOS.
Curvas Característica
Transistores MOSFETsMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n) - Caracteristicas
53 7
ID (mA)
VGS (V)1 2 4 6 80
5
3
7
1
2
4
6
8
10
9
10
VDS
ID (mA)
0
5
3
7
1
2
4
6
8
9
VT
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 44
Curvas Características : O valor de K
Transistores MOSFETsMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET
Se os valores VGS(on) e ID(on) tiverem sido fornecidos, eles podem ser utilizados como o segundo ponto conhecido da curva, restando apenas determinar outros dois.
Sugestão: 3° ponto: arbitrar VGS entre VT e VGS(on). 4° ponto: arbitrar VGS > VGS(on). Caso se conheça os parâmetros construtivos do MOS ao invés de um ponto específico da
curva, sugere-se arbitrar os pontos para VGS=2VT, VGS=3VT, e VGS=4VT.ID (mA)
VGS (V)
ID=0 mA)
VT
ID(on)
VGS(on)
ID1
VGS1 VGS2
ID2
2TGSD VVkI )( Curva de transferência de um nMOS tipo
enriquecimento esboçada a partir de um ponto conhecido da curva.
L
Wk'
2
1K oxnCk'
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 45
Polarização :
Transistores MOSFETsMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET
As curvas de transferência de um MOSFET tipo Deplexão e tipo Enriquecimento são bastante distintas entre si.
VGS(Th)
53 7
ID (mA)
VGS (V)1 2 4 6 80
5
3
7
1
2
4
6
8
10
9
9
ID(on)
VGS(on)
A polarização fixa continua existindo, sendo seu método de resolução idêntico ao do tipo Deplexão.
Enriquecimento
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 46
53 7
ID (mA)
VGS (V)1 2 4 6 8
VT
0
Curvas Características
Transistores MOSFETs
Curva de transferência e curvas características de Dreno típicas de um nMOS.
MOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n) - Caracteristicas
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 47
Análise da Capacidade Quaisquer dois condutores separados por um isolante têm capacitância
A capacitância Gate/Canal é muito importanteCriam as cargas do canal, necessárias para a sua operação.
Source (S) e Drain (D) têm capacitância para o corpo (SS).
Através de diodos (junções) com polarização inversa.
A chamada capacitância de difusão porque está associada com a difusão Source/ Drain.
Fios de interconexão também têm capacitância distribuída.
Transistores MOSFETsMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n) - Caracteristicas
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 48
P
G
S D
Análise da Capacidade: Capacitância da Gate
Transistores de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor MOSFET
MOSFET de Enriquecimento – Características - canal n
Transistores
n+ n+
W
L
tox
SiO2 óxido da Gate(Bom isolante ox=3.90)
Cpermicron tem valor típico de 2fF/m
Cgs = eoxWL/tox = CoxWL = CpermicronW
Carga do canal - Q do Canal= CV
C = Cg = oxWL/tox = CoxWL (Cox = ox / tox)V = Vgc - VT = (VGS – VDS/2) - VT
Gate – óxido – Canal
DSDSTGSDS V2VVVL
WCox
t
QcanalI )/( DSDSTGS V2VVV )/(
L
WCox
Cox= ox / tox ox-Permissividade do Óxido
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 49
Análise da Capacidade: Resposta Dinâmica
Transistores de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor MOSFET
MOSFET de Enriquecimento – Características - canal n
Transistores
A resposta dinâmica (velocidade de comutação), de um circuito MOS é muito dependente de capacitâncias parasitas associadas ao circuito.
Região de Corte (off Region) VGSVT; Quando um dispositivo MOS está desligado (off), apenas CGB (devido à
combinação série do óxido da Gate e a capacitância da camada de deplexão) é diferente de zero.
Usar ferramentas para a extração de valores mais precisos a partir de layouts reais. Considere as capacitâncias vistas durante as diferentes regiões de operação.
Use uma aproximação simples para estimativas rápidas de capacitâncias.
CGB = Cox = A/tox, onde A é a área da Gate, e =0SiO2
0 é a permissividade do espaço vazio (8.854x104 F/m), e =0SiO2 é a constante dieléctrica do dióxido de Silício SiO2 (3.9)
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 50
Análise da Capacidade: Resposta Dinâmica
Transistores de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor MOSFET
MOSFET de Enriquecimento – Características - canal n
Região Linear (Linear Region)
Transistores
A região de Deplexão existe, formando dieléctrico da capacitância de Deplexão, Cdep, em série com Cox.
Assim que o dipositivo entra em condução, CGB é reduzida a 0.
A capacitância da Gate, é agora uma função da respectiva tensão .
Região de Saturação (Saturated Region)
Região sob a Gate está fortemente invertida, e a região do canal junto á Drain, estrangulada, reduzindo CGD a zero.
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 51
Source: Mlynik and Leblebici
EPFL web-based course
Análise da Capacidade: Resposta Dinâmica
Transistores de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor MOSFET
MOSFET de Enriquecimento – Características - canal n
Região Linear (Linear Region)
Transistores
Cut-off Saturated
LinearCGB
CGS
CGD
VTVT+VDS
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 52
Transistores
Análise da capacidade
Transistores de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor MOSFET
MOSFET de Enriquecimento – Características - canal n
SG
D
LComprimento do canal
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 53
Transistores
Análise da capacidade
Transistores de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor MOSFET
MOSFET de Enriquecimento – Características - canal n
SG
D
LComprimento do canalComprimento do canal
O Aumento de VDS afecta a região Dreno/Canal:Aumenta a barreira e a Deplexão.
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 54
Para determinar a corrente que fluirá no canal sob estas condições considere um elemento diferencial do canal, de área W.y(x) e espessura dx.
y(x)
dx
tox
L
W
x0
Na análise do MOSFET tipo Enriquecimento, podemos deduzir a corrente no canal através do fluxo de cargas que, conforme a é dada por:
dx
dQEI n
dx
xdVE
)(
Onde Q é a carga negativa (electrões livres) induzida no substrato pelo potencial positivo da Gate(G). Matematicamente, o campo
eléctrico é dado por:
Transistores MOSFETs
Análise da capacidade e o fluxo de correnteMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n) - Caracteristicas
Análise para VGS VT e VDS 0V – Saturação (Pinch-off)
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 55
Transistores MOSFETs
Análise da capacidade e o fluxo de corrente
MOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n) - Caracteristicas
Análise para VGS VT e VDS 0V – Saturação (Pinch-off)
Aplicando, a Equação da corrente assume a forma:dx
xdV
dx
dQI n
)(
A partir do momento em que VGS atinge o valor limiar (VT), a carga negativa induzida no substrato torna-se proporcional à diferença entre essa tensão e a do canal, logo:
)()( xVVVt
dxWCdVxdQ TGS
oxoxc
Sendo ox a constante dieléctrica do óxido da Gate(G) e V(x) a tensão na posição x do canal, cujo valor varia entre 0 (em x=0) e VDS (em x=L).
0
V
xL
VDS
Potencial da placa inferior (canal n)
Potencial da placa superior (Gate)ddp
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 56
ID
VDS
ID
VDS
Dependência de L e tox
Comprimento pequeno da Gate e espessura do óxido, baixam a resistência do canal, o que irá aumentar a corrente de Drain ID.
ID
VGSVT
Curto
Comprido
ID
VGSVT
Fina
Grossa
tox
Transistores MOSFETs
Análise da capacidade e o fluxo de correnteMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n) - Caracteristicas
Análise para VGS VT e VDS 0V – Saturação (Pinch-off)
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 57
ID
VDS
Efeito de W
W
Transistores
Quando a largura da Gate aumenta, a corrente aumenta devido a uma diminuição na resistência. No entanto, a capacitância da Gate também aumenta, assim, limitando a velocidade do circuito. Um aumento na W pode ser visto como dois dispositivos em paralelo.
ID
VGSVTh
WW
Transistores MOSFETs
Análise da capacidade e o fluxo de correnteMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n) - Caracteristicas
Análise para VGS VT e VDS 0V – Saturação (Pinch-off)
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 58
Transistores MOSFETs
Análise da capacidade e o fluxo de correnteMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n) - Caracteristicas
Análise para VGS VT e VDS 0V – Saturação (Pinch-off)
Aplicando, temos ID: dx
dVxVVVWCI TGSoxnD )(
Onde Cox é a capacitância por unidade de área, dada por:ox
oxox t
C
Passando dx para o outro lado da equação, podemos integrar ambos os lados como:
)( )(00
xdVxVVVWCIdxVDS
TGSoxn
L
Aplicando as integrações obtemos:
2
VVVV
L
WCI
2DS
DSTGSoxnD )(
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 59
Transistores MOSFETs
Análise da capacidade e o fluxo de corrente
MOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n) - Caracteristicas
Análise para VGS VT e VDS 0V – Saturação (Pinch-off) Se a tensão no canal for elevada até que VDS = VGS - VT, a ddp na extremidade do
canal cairá ao valor mínimo necessário (VT), para manter a existência do canal, e a corrente ID não crescerá mais, mesmo que se aumente VDS.
O valor de VDS para o qual a corrente através do canal satura é identificado como VDSsat, onde:
TGSDSsat VVV
Na saturação (VDS = VDSsat), a corrente ID torna-se:
2TGSoxnD VV
L
WC
2
1I )(
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 60
Resistência controlada por voltagem
G
S D
O canal de inversão de um MOSFET pode ser visto como uma resistência. Uma vez que a densidade de cargas no interior do canal depende da tensão da Gate, esta resistência é também dependente da voltagem.
G Como a tensão da Gate a decrescer, a saída cai porque a resistência de canal aumenta.
REGIÃO DE TRIODO (ou região linear): Quando VGS > VT e VDS < VGS – VT
Transistores MOSFETsMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n) - Caracteristicas
Variação do potencial do Canal
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 61
D
G
S
xdpp: =VG VG =VG - VD
ID
Uma vez que há uma resistência de canal entre o Dreno(D) e a Fonte(S), e o Dreno está mais polarizado do que a Fonte, o potencial do canal aumenta da Fonte para o Dreno, e o potencial entre a Porta (G) e o canal, diminuirá da Fonte para o Dreno.
V(x)
xL
VG
xL
VD - VG
Resistência controlada por voltagem
REGIÃO DE TRIODO (ou região linear): Quando VGS > VT e VDS < VGS – VT
Transistores MOSFETsMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n) - Caracteristicas
Variação do potencial do Canal
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 62
Embora a Equação de ID na saturação descreva a corrente ID como um valor independente do aumento de VDS, em dispositivos reais, observa-se um ligeiro aumento dessa corrente em função de VDS.
Para refletir esse aumento da corrente a equação pode ser adequada incluindo-se o fator (1+VDSe):
DSe2
TGSoxnD V1VVL
WC
2
1I
Onde VDSe é a tensão que excede à tensão de saturação do canal para o VGS adoptado, isto é: DSsatDSDSe VVV
Modulação de Canal ()
O aumento de VDS faz diminuir a largura efectiva do canal (L), resultando num aumento da corrente no Dreno.
N N
P
GS D
L
Transistores MOSFETsMOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 63
Tipicamente, varia entre 5x10-3 e 3x10-2 V-1.
ID
VDS
ID
O parâmetro de modulação do comprimento do canal () é definido como o inverso da Tensão Early (VA).
AV
1
Modulação de Canal () MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento
Transistores MOSFETs
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 64
Tensão de Early VA.
Fisicamente, a Tensão Early (VA) é directamente proporcional ao comprimento do canal (L).
Graficamente, corresponde ao ponto de intersecção com o eixo VDS das projecções das curvas das correntes de Dreno na região de saturação.
/1AV
)( mAID
DSV0
2.0VVV TGS
1.5VVV TGS
0r
1Inclinação
1.0VVV TGS
0.5VVV TGS
Triodo Saturação
Modulação de Canal () MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento
Transistores MOSFETs
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 65
)( mAID
DSV0
Ruptura
Corte/1AV
2.0VVV TGS
1.5VVV TGS
0r
1Inclinação
1.0VVV TGS
0.5VVV TGS
0VVV TGS
Triodo Saturação Corrente de Dreno ID, é modificada pela modulação do comprimento do canal.
)+()(' DS2
TGSn21
D V1VVL
WkI
300Va200VA D
O I
1r
Os transistores MOS não se comportam como uma fonte de corrente ideal, devido à modulação de comprimento de canal. A resistência de saída é finita:
D
A
DconstV
DS
Do I
V
λI
1
ΔV
Δir
GS
.
1
Tensão de Early VA.Modulação de Canal ()
Transistores MOSFETsMOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 66
Resistência de saída de Drain ro.
Transistores MOSFETsMOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento
Muitas vezes, o parâmetro de modulação do comprimento do canal λ, é expressa como a Tensão de Early, VA , que é simplesmente o inverso do valor de λ:
1
VA Assim, a corrente de Dreno iD, para um MOSFET na saturação,
pode igualmente ser expressa como:
A
DS2TGSD V
V1VVKi
Agora, vamos definir um valor ID, que é simplesmente a corrente de Dreno, na saturação, como se não houvesse nenhuma modulação do comprimento canal, por outras palavras, o valor ideal da corrente de Dreno na saturação: 2TGSD VVKI
Assim, podemos alternativamente escrever a corrente de Dreno na saturação como:
A
DSDD V
V1Ii
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 67
Resistência de saída de Drain ro.
Transistores MOSFETsMOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento
A expressão anterior, explicitamente mostra como a corrente de Dreno funciona em função da voltagem VDS.
Por exemplo, considere um caso típico onde VDS = 5.0 V e VA = 50,0 V. Descobrimos que:
DDDA
DSDD 1,1I0,11I
50
51I
V
V1Ii
Por outras palavras, a corrente de Dreno, é 10% maior do que o seu valor de ID "ideal".
Podemos, assim, interpretar o valor VDS/VA, como a percentagem de aumento da corrente de Dreno iD, sobre o seu valor ideal (ou seja, sem a modulação do comprimento do canal) na saturação : ID =K (VDS −VT)2.
Assim, como um aumento de VDS, a corrente de Dreno iD vai aumentar ligeiramente.
Agora, vamos introduzir uma terceira via (ou seja, além de, λ e VA) para descrever o aumento "extra” da corrente, criado pela modulação do comprimento do canal .
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 68
Resistência de saída de Drain ro.
Transistores MOSFETsMOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento
Definindo Resistência de saída de Drain ro:DD
Ao I
1
I
Vr
Usando esta definição, podemos escrever a expressão final da corrente na saturação como:
Assim, podemos interpretar a corrente de Dreno "extra" (devido à modulação do comprimento de canal) como a corrente que flui através de uma resistência saída de Dreno
ro.
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 69
)( mAID
DSV0
Transistores MOSFETs
Resistência de saída de Drain ro.
MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento
/1 AV
2.0VVV TGS
1.5VVV TGS
0r
1Inclinação
1.0VVV TGS
0.5VVV TGS
Triodo Saturação
VGS VT Região Corte
Finalmente, há três coisas importantes para lembrar sobre a “modulação do comprimento do canal:
Os valores de VA e de λ são parâmetros do dispositivo MOSFET, mas a resistência de saída de Dreno ro, não é (ro depende de ID!).
Muitas vezes, nós "negligenciamos “o efeito da modulação do comprimento do canal", o que significa que usamos o caso ideal para a saturação : id=K(VGS-VT)2. Efectivamente, assumimos que λ = 0, o que significa que um VA = e o ro = (ou seja, not VA= 0 e ro=0!).
A resistência de saída de ro não é o mesmo que a resistência do canal rDS!
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 70
Para um MODFET na Saturação.
Para um MODFET em modo Tríodo com VDS pequeno.
Transistores MOSFETs
Resistência de saída de Drain ro/rDS.
MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento
As duas resistências são diferentes em muitas, muitas maneiras:
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 71
Transistores MOSFETs
Resistência de Canal rDS
MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento
Nota: para essa situação, o MOSFET estará na região Tríodo.Lembre que a corrente iD será directamente proporcional à tensão VDS, desde que:
1. Um canal condutor tenha sido induzido.2. Que o valor de VDS seja pequeno.
Lembre também que à medida que aumentar o valor da VDS, o canal condutor vai começar a “estrangular” e a corrente iD, deixa de ser directamente proporcional à VDS.
Especificamente, existem dois fenómenos, à medida que aumentamos VDS, enquanto na região de Tríodo:
1. Aumentando VDS irá aumentar a diferença de potencial através do canal condutor, um efeito que ajuda aumentar proporcionalmente a corrente de dreno iD.
2. Aumentando VDS irá diminuir a condutividade do canal induzido, um efeito que funciona para diminuir a corrente de Dreno iD.
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 72
Isso é muita coincidência! Há dois fenómenos físicos, à medida que aumentamos VDS, e há dois termos na equação da corrente de Dreno em modo Tríodo!
Transistores MOSFETs
Resistência de Canal rDS
MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento
Isto não é coincidência! Cada termo da equação da corrente em modo tríodo, descreve efectivamente um desses dois fenómenos físicos .
Podemos, assim, separar a equação da corrente de Dreno em modo tríodo, nas duas componentes: iD =iD1+iD2
Vamos analisar cada termo individualmente.
Primeiro, devemos notar que este termo é directamente proporcional à VDS. – Se VDS aumenta de 10%, o valor do termo irá aumentar de 10%. Note que isto é verdade, independentemente da magnitude do VDS!
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 73
Transistores MOSFETs
Resistência de Canal rDS
MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento
“Graficando” este termo, temos:)( mAID
DSV
É evidente que este termo descreve o primeiro dos nossos fenómenos:
1. Aumentando VDS irá aumentar a diferença de potencial através do canal condutor, um efeito que ajuda aumentar proporcionalmente a corrente de dreno iD.
Por outras palavras, este primeiro termo descreve com precisão a relação entre iD e VDS quando o canal induzido no MOSFET, se comporta como uma resistência!
Mas, claro, o canal não se comporta como uma resistência! O segundo termo iD2, descreve o comportamento não resistivo do canal.
TDS VV
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 74
É evidente que iD2 não é directamente proporcional a VDS, mas sim proporcional a VDS ao quadrado!
Transistores MOSFETs
Resistência de Canal rDS
MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento
É evidente que este termo descreve o segundo dos nossos fenómenos:
2. Aumentando VDS irá diminuir a condutividade do canal induzido, um efeito que funciona para diminuir a corrente de Dreno iD.
2Di
DSV
Agora vamos adicionar os dois termos iD1 e iD2 juntos para obter o comportamento total da corrente de Dreno iD, no modo Tríodo:
TDS VV
DI
DSVÉ evidente que o segundo termo iD2 funciona no sentido
de reduzir o comportamento total da corrente de Dreno, do comportamento resistivo de iD1. Isto, naturalmente é fisicamente devido à redução da condutividade do canal, com o aumento de VDS.
TDS VV
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 75
TDS VV
DI
DSV
Mas repare! para pequenos valores de VDS, o termo iD2 é muito pequeno e, portanto, iD iD1 (quando VDS é pequeno)!
Transistores MOSFETs
Resistência de Canal rDS
MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento
Absolutamente verdade! Lembre-se isto é consistente com a nossa discussão anterior sobre a condutividade do canal induzido, começar a degradar significativamente somente quando VDS se torna suficientemente grande!
Assim, podemos concluir:
Para pequenos valores de
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 76
Transistores MOSFETs
Resistência de Canal rDS
MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento
Pelo que acabamos de ver, podemos afirmar, que o canal induzido, (para pequenos valores de VDS) se comporta como uma resistência rDS de valor aproximado = VDS/iDS.
Para pequenos valores de
Mas o que quer dizer "para pequenos valores de VDS“? O quão pequeno, é pequeno? Como podemos saber numericamente quando esta aproximação é válida?
Bem, podemos dizer que esta aproximação é válida quando iD2,é muito menor do que iD1 (isto é, iD2 é insignificante).
Matematicamente, podemos afirmar isso como:
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 77
Assim, pode-se aproximar dizendo que o canal induzido se comporta como uma resistência rDS, quando VDS é muito menor que o dobro do excesso da tensão da Gate:
Transistores MOSFETs
Resistência de Canal rDS
MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento
para
e
para
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 78
Precisamente quanto muito menor do que duas vezes o excesso de tensão da Gate deve ser o valor de VDS, para que a afirmação seja exacta?
Transistores MOSFETs
Resistência de Canal rDS
MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento
Lá vamos nós outra vez! A declaração VDS 2 (VGS-VT), é apenas um pouco mais útil, do que a afirmação "quando o valor de VDS é pequeno".
Nós não podemos dizer com precisão quanto menor VDS precisa de ser em relação a 2 (VGS-VT), a menos que indicamos com precisão, quanto precisa exigimos que seja a nossa aproximação!
Por exemplo, se queremos que o erro associado com a aproximação iD iD1= 2 K(VGS-VT)VDS, seja inferior a 10%, descobrimos que precisaremos que a tensão VDS seja inferior a 1/10 do valor 2 (VGS-VT).
Por outras palavras, se:
5
VV
10
VV2V TGSTGS
DS
e consequentemente
10
ii D1D2
Este critério do erro de 10% é uma típica "regra de ouro" para muitas aproximações em electrónica. No entanto, isso não significa que seja o critério "correcto" para determinar a validade desta (ou de outra) aproximação.
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 79
Transistores MOSFETs
Resistência de Canal rDS
MOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento
Algumas aplicações, podem exigir uma melhor precisão. Por exemplo, se precisarmos de erro a menos de 5%, veríamos que VDS (VGS-VT)/10.
No entanto, usando os critérios de erro de 10%, chega-se a conclusão de que:
e
para
para
Nós achamos que devemos usar estas aproximações quando o podermos fazer, pois tornam a nossa análise de circuitos muito mais fácil!
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 80
Efeito da Temperatura
VT diminui cerca de 2mV por oC.
K diminui com a temperatura (efeito dominante).
A Corrente diminui com a temperatura.
2TGSnD VVL
W'k
2
1I
Transistores MOSFETsMOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento
oxnn Ck ‘
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 81
Velocidade dos transportadores de carga(v)
A Carga é transportada por electrões. A Velocidade dos transportadores de carga (v), é proporcional ao campo eléctrico lateral
entre a Source(S) e a Drain (D).Ev Em que é a Mobilidade.
E = VDS/LTempo para um transportador atravessar o canal: t = L/v
Em modo linear a corrente IDS, pode ser obtida a partir da carga no canal e do tempo t,
que cada transportador o leva a atravessar…
DSDSTGSDS V2VVVL
WCox
t
QcanalI )/(
DSDSTGS V2VVV )/( L
WCox
Transistores MOSFETsMOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 82
Efeito da Corpo (body effect)-()
Transistores MOSFETsMOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento
Num circuito integrado usando MOSFETs, pode haver milhares ou milhões de transistores.
Como resultado, existem milhares ou milhões de terminais Fonte(S) de MOSFETs, mas, há apenas um corpo (Body) – (SS) o Substrato de Silício.
Assim, se fôssemos a ligar todos os terminais Fonte dos MOSFETs ao terminal único de corpo, estaríamos ligando todos os terminais de Fonte dos MOSFETs uns aos outros!
O resultado disso, seria certamente um IC inútil! Por isso, nos circuitos integrados, os terminais da Fonte dos MOSFETs não são ligados ao
corpo do substrato. Verificamos que a tensão VSB (tensão Fonte-corpo), não é necessariamente igual a zero
(isto é, VSB ≠ 0V)! …Pelo que existem dispositivos MOSFETs de quatro terminais. Há muitas ramificações deste efeito de corpo, talvez o mais significativo é o que diz
respeito à tensão de limiar VT.
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 83
Efeito da Corpo (body effect)-()
Transistores MOSFETsMOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento
Nós verificamos que, quando VSB ≠0V, há uma expressão mais precisa da tensão limiar (Threshold voltage) VT, que é a seguinte:
Onde e f são parâmetros do dispositivo MOSFET.
Observe-se que o valor VT0 é o valor da tensão limiar(VT), quando VSB = 0, isto é:
fSBfT0T 2V2VV 0.6V2 f Nível de fermi - (Parâmetro físico)
VT=VT0 quando VSB=0.0
ox
SA
C
Nq2
1/2típico V0.5
É assim evidente que o termo: fSBf 2V2 simplesmente expressa um valor extra, adicionado ao "ideal“ da tensão de limiar VT0 quando VSB ≠0V.
Para muitos casos, este efeito de corpo é relativamente insignificante, e pode ser ignorado… No entanto, não se deve concluir que o efeito de corpo é sempreinsignificante, pode em alguns casos, ter um tremendo impactosobre o desempenho do circuito MOSFET!
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 84
Amplia a camada de deplexão.Reduz a profundidade do canal.A tensão limiar (VT) é aumentada.A Corrente de Dreno é reduzida.
Nos circuitos integrados (Ics), o substrato dos circuitos NMOS, está ligado ao polo negativo da fonte de alimentação a fim de manter a junção pn inversamente polarizada.
Breakdown/Ruptura:Corrente de avalanche - Pode dar-se a ruptura da junção Drain-Body para valores de
VDS elevados. (50 a 100V).Perfuração S/D -Quando a tensão VDS atinge valores tais, (20v) que a região de
deplexão da junção Drain-body se estende través do canal até à Source.Disrupção do óxido da Porta (G) – quando VGS atinge valores de cerca de 50V.
Destrutiva. Diodos limitador
a tensão do corpo pode controlar a iD:
Efeito da Corpo (body effect)-()
Transistores MOSFETsMOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 85
Funcionamento do MOSFETs
Transistores MOSFETs
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 86
Ve = 50cos(wt) mV
Vs
+2V
RD
+ 3,5V
20K
1
2
3
NMOS
Regiões de operação do MOSFET
Transistores MOSFETsExercícios
Ex.: No circuito ao lado, o transistor nMOS cujo VT=1V e μnCoxW/L=0,1 mA/V2, opera como resistência variável.Determine:
c) O valor AC de VS.
a) O valor DC de VDS.b) O valor DC de ID.
a) Como o nMOS opera na região de triodo, é possível determinar ID com base na Equação:
2
VVVV
L
WCI
2DS
DSTGSoxnD )(
mA0,5V2,5V0,12
V1)V(3,50,1I 2
DSDS
2DS
DSD
Pelo circuito externo, a corrente é dada por: mA20
V2I DS
D
Igualando as duas equações, temos VDS = 0,354V.
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 87
Ve = 50cos(wt) mV
Vs
+2V
RD
+ 3,5V
20K
1
2
3
NMOS
Regiões de operação do MOSFET
Exercícios
Ex.: No circuito ao lado, o transistor nMOS cujo VT=1V e μnCoxW/L=0,1 mA/V2, opera como resistência variável.Determine:
c) O valor AC de VS.b) O valor DC de ID.
b) ID pode ser determinado a partir da malha de saída:
82A
mA20
V2I DS
D
20
0,3542ID
c) Como RD forma um divisor de tensão com a resistência do canal do nMOS, o valor AC de Vs pode ser calculado determinando-se RDSlin pela equação: 1
TGSoxnD
DSDSlin VV
L
WC
I
VR
)(RDSlin = [0,1(3,5-1)]-1 = 4 k
logo, Vs é:
t)50cos(420
4VS 8,33 cos(t) mV
Transistores MOSFETs
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 88
Regiões de operação do MOSFET
Transistores MOSFETsExercícios
Ex.: Para um nMOS cujo k'n(W/L)=0,2mA/V2, VT=1,5V e =0,02V-1, operando com VGS=3,5V, determine:
b) A resistência de saída RDSsat.
a) A corrente ID para VDS=2V e para VDS=10V.
a) Como VGS > VT e VDS VGS - VT, sabemos que o nMOS está operando na saturação. Desta forma, ID pode ser determinado pela Equação:
)()( DS2
TGSoxnD V1VVL
WC
2
1I
a) Para VDS= 2V: ID=0,5x0,2(3,5-1,5)2(1+0,02x2) = 416 APara VDS= 10V: ID=0,5x0,2(3,5-1,5)2(1+0,02x10) = 480 A
b) Na saturação, a resistência de saída é dada pela Equação:1
2TGSoxnDSsat VV
L
WC
2R
)(
Logo b)
123
DSsat 1,5(3,5100,22
0,02R ) 125K
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 89
Porta/Gate (G) Dreno/Drain (D)Fonte/Source (S)
Substrato/Body (SS)
Metal
SemicondutorÓxido
Transistores MOSFETsMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (p)
Funcionamento
As lacunas são os portadores de carga do canal; As tensões VGS e VDS são negativas; A tensão de limiar (VT) é negativa; A corrente ID atravessa o canal da Fonte(S) para o Dreno(D).
O MOSFET tipo enriquecimento canal p, ou simplesmente pMOS, opera pelos mesmos princípios de um nMOS, entretanto, algumas diferenças devem ser notadas:
Matematicamente, alguns termos das equações devem ser substituídos:μnμp. k'n k'p.
G
D
S
Símbolo
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 90
VDS
ID (mA)
VGS=-2V= VTN-5 -3-7
ID (mA)
VGS (V)-1-2-4-6
VT
VGS= -5 V
VGS= -4 V
VGS= -3 V
VGS= -6 V
Curva de transferência e curvas características de Dreno típicas de um pMOS.
0
Curvas Características
Transistores MOSFETs
5
3
7
1
2
4
6
8
MOSFET de enriquecimento- E- MOSFET - Caracteristicas
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 91
-5 -3 0
ID (mA) E-MOSFET(p)
VGS (V) -1-2-4-6
VTN
53
ID (mA)E-MOSFET(n)
VGS (V)1 2 4 6
VTP
Curvas de transferência típicas de um pMOS e um nMOS.
Curvas Características
Transistores MOSFETsMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET - Caracteristicas
ID (mA)D-MOSFET(n)
ID (mA)D-MOSFET(p)
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 92
Curvas Características
Transistores MOSFETsMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET - Caracteristicas
Uma rápida análise da (ID = k(VGS – VT)2,revela que há apenas um ponto notável, isto é, ID para VGS=VT, que neste caso é igual a zero.
Por essa razão, o esboço da curva de transferência deste dispositivo conta apenas com um ponto conhecido (ID=0, VGS=VT), sendo os demais 3 pontos (no mínimo) determinados directamente através da Equação: 2
TGSD VVkI )( A inexistência de um valor limite de corrente nesta equação, e a presença do expoente
quadrático tornam desvantajosa a elaboração de uma tabela para acelerar o esboço da curva, como foi feito para o JFET.
Desta forma, o primeiro passo para o esboço da curva de transferência é a determinação do valor de k.
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 93
Polarização :
Transistores MOSFETsMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET
As curvas de transferência de um MOSFET tipo Deplexão e tipo Enriquecimento são bastante distintas entre si.
VGS(Th) 4
I SSD
-2-4 0
ID (mA)
VGS (V)-6 -5 -3 -1
VP
0,3VP
2
4
1
2
I SSD
SSDI 8
DeplexãoEnriquecimento
ID(on)
VGS(on)
A polarização fixa continua existindo, sendo seu método de resolução idêntico ao do tipo Deplexão.
Deplexão
953 7
ID (mA)
VGS (V)1 2 4 6 80
5
3
7
1
2
4
6
8
10
9
Enriquecimento
VP/2
10,9
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 94
Polarização : por Realimentação de Dreno
Transistores MOSFETsMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET
Polariza o dispositivo simplesmente através de uma resistência entre os terminais da Porta(G) e do Dreno(D) (RG ou RGD).
Caracteriza-se por “reinjectar” na entrada (Gate) parte do sinal de saída.
O ponto de polarização torna-se dependente da malha de saída (VDD, RD, ID e VDS). Uma vez que a polarização é definida em regime de corrente contínua (DC), os
condensadores devem ser eliminados nessa análise. Iniciando a análise pela tensão de Gate, temos: VG=V D logo: VGS = VDS
Substituindo VDS, temos: VGS=VDD-RD x ID
Esta Equação descreve uma recta com 2 pontos notáveis:
VGS=0, ID=VDD /RD
VGS=VDD ID=0
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 95
Polarização : por Realimentação de Dreno
Transistores MOSFETsMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET
VGSQ
IDQ
ID (mA)
VGS (V)0 VDD
VDD
RD
Q
VT
A intersecção da recta descrita pela Equação: VGS=VDD-RD x ID com a curva de transferência do dispositivo, determinam o ponto de funcionamento (Q) definido pelo par IDQ e VGSQ.
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 96
Polarização : por Realimentação de Dreno
Transistores MOSFETsMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET
Ex.: Para o nMOS seguinte determine:a) IDQ e VGSQ.
b) VDS.
a) 1° passo: Determinar o valor de k:
2
3
2TonGS
onD
3)(8
106
VV
Ik
)( )(
)( 0,24x10-3 A/V 2
2° passo: Determinar os pontos da curva de transferência:1° pt: para VGS=VT ID=0 (ID=0, VGS=3V).
D
GS
2° pt: para VGS=VGS(on) ID=ID(on) (ID=6mA, VGS=8V).3° pt: para VGS=6V ID=k(6-3)2 (ID=2,16mA, VGS=6V).4° pt: para VGS=10V ID=k(10-3)2 (ID=11,76mA, VGS=10V).
3° passo: Determinar a equação da recta de polarização:
VGS =VDD-RD x ID = 12-2x103 x I D
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 97
VGS
Polarização : por Realimentação de Dreno
Transistores MOSFETsMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n)
4° passo: Traçar a curva de transferência e...
VT
ID(on)
VGS=10V , ID=11,76mA
A recta de polarização:
11 12
VGS=6V , ID=2,16mA,).Q
6,4VGSQ
IDQ 2,75mA
VDD
VDD
RD
D
GS
RD
5° passo: Extrair os parâmetros do ponto de operação (Q) a partir da intersecção no gráfico:
IDQ 2,75 mA VGSQ 6,4 V
VDS = VGS VDSQ=6,4V
VGS(on)
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 98
Polarização : por Divisor de Tensão
Transistores MOSFETsMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET(n)
Polariza o dispositivo estabelecendo a tensão de Gate através de um divisor de tensão (R1 e R2).
IG=0A
+VGS_Permite estabelecer o ponto de operação com um grau
arbitrário de dependência da saída, através do ajuste de RS.
Quanto maior o valor de RS, maior o grau de dependência do ponto de operação com a corrente de saída.
Eliminando os condensadores para a análise de polarização e iniciando a análise pela tensão na Gate, temos:
21
2DDG RR
RVV
A tensão na Fonte(S) é dada por: VS=RS x IDLogo, VDS será : VGS =VG-VS =VG-RS x ID
O que dá uma recta com 2 pontos notáveis:VGS=0, ID=VG / RS
VGS=VG , ID=0
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 99
VGSQ
IDQ
ID (mA)
VGS (V)0 VG
VG
RS
Q
VT
Polarização : por Divisor de Tensão
Transistores MOSFETsMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n)
A interseção da recta descrita pela Equação VGS =VG-VS =VG-RS x ID com a curva de transferência do dispositivo, determinam o ponto de funcionamento (Q) definido pelo par IDQ e VGSQ.
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 100
Polarização : por Divisor de Tensão
Transistores MOSFETsMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n)
Ex.: Para o nMOS seguinte determine:a) IDQ e VGSQ.b) VDS.
a) 1° passo: Determinar o valor de k:
2
3
2TonGS
onD
3)(10
103
VV
Ik
)( )(
)( 0,12x10-3 A/V2
2° passo: Determinar os pontos da curva de transferência:
1° pt: para VGS=VT ID=0 (ID=0, VGS=5V).2° pt: para VGS=VGS(on) ID=ID(on) (ID=3mA, VGS=10V).3° pt: para VGS=15V ID=k(15-5)2 (ID=12mA, VGS=15V).4° pt: para VGS=20V ID=k(20-5)2 (ID=27mA, VGS=20V).
RD
RS
R1
R2
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 101
Polarização : por Divisor de Tensão
Transistores MOSFETsMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n)
a) 3° passo: Determinar a equação da recta de polarização:
VG=VDDxR2 /(R1+R2)= 40x18/(22+18)= 18VVGS = VG-RSxID = 18-0,82x10-3x I D
4° passo: Traçar a curva de transferência e a recta de Polarização.
VGSQ
12,5V
IDQ=6,7mA VT
ID (mA)
VGS (V)0 5 10 15 20
10
20
30
25
VG
RS=21,95mA
VG=18V
Q
RD
RS
R1
R2
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 102
Polarização : por Divisor de Tensão
Transistores MOSFETsMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n)
a) 5° passo: Extrair os parâmetros do ponto de funcionamento (Q) a partir da intersecção no gráfico:
b) Para determinar o valor de VDS basta aplicar a IDQ encontrada na equação da malha de saída:
VGSQ
12,5V
IDQ=6,7mAQ
V GSQ = 12,5 V
IDQ = 6,7 mA
VT
ID (mA)
VGS (V)0 5 10 15 20
10
20
30
25
VG
RS=21,95mA
VG=18V
VDS=VDD-IDQ(RD+RS)
RD
RS
R1
R2
VDS= 40-6,7x10-3(3x103+0,82x103) =14,4V
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 103
Transistores MOSFETs : Break -down
Disrupção
• Pode dar-se a disrupção da junção Drain-Boby para valores de Vds elevados. (50 a 100V).
Punch Through
• Quando a tensão Vds atinge valores tais (20V), que a região de Deplexão da junção Drain-body se estende través do canal até à Source.
Disrupção do Óxido
• Quando Vgs atinge valores de cerca de 50V. Destrutiva. Diodos limitadores.
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 104
Polarização :
Transistores MOSFETsMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n)
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 105
JFET D-MOSFET E-MOSFET
Formulário: Comparações
Transistores MOSFETs
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 106
Modelo
Dn IL
Wkgm 2
TGS
D
VV
Igm
2
ou
ou
Transistores MOSFETs : Como amplificador… Análise de pequemos sinais
TGSn VVL
Wkgm
G D
S
gsv
o
dsgsC r
Vvgmi .
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 107
D
AO I
Vr
ro modela o efeito de modelação de canal. Pode ser considerado como a resistência de saída da fonte de corrente.
G D
S
gsv
Modelo aumentado…
Transistores MOSFETs : Como amplificador… Análise de pequemos sinais: incorporando o efeito de Early
G
S
D
B
vBS
+
-gm.vGS
ro gmB.vBS +
-
gmv
igm
BS
DB
SBf V
22
Para Vsb=0 0.3220.62
0.5
Transcondutância de corpo
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 108
gsvgm.
Cgd
Cgs
G
ro
S
B
Csb
Cdb
bsvgm.
D
Modelo simplificado:Cgd
Cgs
G
ro
S
D
gsvgm.
Produto ganho largura de banda:
Transistores MOSFETs : Como amplificador…
Modelo de Alta frequência
)(2 gdgsT CC
gmf
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 109
Capacidade da gate
OXgdgs CLWCC2
1
Tríodo Saturação Corte
03
2
gd
OXgs
C
CLWC
OXgb
gdgs
CLWC
CC
0
OXOVgdgdOXOVgsgs CLWCCCLWCC
O
SB
sbsb
VV
CC
1
0
O
DB
dbdb
VV
CC
1
0
Capacidade das junções
Transistores MOSFETs : Como amplificador…
Modelo de Alta frequência
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 110
gsGSGS vVv
Montagem para análise do MOSFET como um amplificador.
•Analisemos para pequenos sinais:
Sinal total (mM)
Grande sinal ou componente DC (MM).
pequeno sinal ou componente AC (mm)
A variação do pequeno sinal vgs vai provocar a variação da corrente id que por sua vez irá provocar a variação de vo.
GSvVGS
M1vgs
R11k
VDD
Vo
Transistores MOSFETs : Como amplificador…
Temos, vGS=VGS+vgs
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 111
gsGSGS vVv Pequenas variações em vgs produzem variações
em vo. Desde que estas variações sejam pequenas a relação é linear.
gsVo vAv oOO vVv
Transistores MOSFETs : Como amplificador… Análise de pequemos sinais
VGS
M1vgs
R11k
VDD
vO
GSv
Temos:
VA - Ganho de tensão
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 112
Transistores MOSFETs : Como amplificador…
Vamos considerar um amplificador NMOS simples: (t)iI(t)i dDD
Vi(t)
RD 5k
15V
4.0V
K=0.25mA/V2
VT=2.0V
Podemos realizar uma análise e determinar o ganho de tensão AVO para pequenos sinais com circuito aberto ….
(t)VV(t)V oDSO
(t)v
(t)vA
i
Ovo
1º Passo: Análise DCDesligar a pequena fonte de sinal deixa um circuito DC :
RD 5k
15V
4.0VAssumindo que os MOSFET está na saturação, impõe-se: 2
TGSD VVKI )( É evidente que: VGS=4.0VPortanto, a corrente de Dreno DC é: 2
TGSD VVKI )( =0,25(4-2)2=1.0mA
Análise de pequemos sinais com circuito aberto
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 113
Transistores MOSFETs : Como amplificador…
Assim, a tensão V DS pode ser determinada a partir KVL como:
RD5k
15V
4.0V
1º Passo: Análise DC (Cont.)
VDS=15-ID.RD=15-(1X5)=10V
ID
Confirmando: VGSVT =4.0 2V
e VDS: VDSVGS-VT =10V 2V
2ºPasso : Determinar os parâmetros dos pequenos sinaisNós achamos que a transcondutância é: gm=2K(VGS-VT) =2(0.25)(4.0 -2.0) =1mA/VNote-se que não foi dado nenhum valor de λ, por isso vamos assumir λ = 0, e, portanto, a resistência de saída ro= ∞.
3º e 4º Passos : Determinar o circuito para pequenos sinais.
Agora desligamos as duas fontes de tensão DC, e substituímos o MOSFET pelo seu modelo de pequenos sinais. O resultado é o nosso circuito pequenos sinais:
di
di
0ig
5k
(t)vo
gsmvg
G D
S
gsvvi(t)
Análise de pequemos sinais com circuito aberto
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 114
Transistores MOSFETs : Como amplificador… Análise de pequemos sinais com circuito aberto
3º e 4º Passos : Determinar o circuito para pequenos sinais.
di
di
0ig
5k
(t)vo
gsmvg
G D
S
gsVvi(t)
5º Passo : Analisar o circuito para pequenos sinais
A análise deste circuito para pequenos sinais é bastante simples. Em primeiro lugar, nota-se que:
igs vv gsgsgsmd vv1vgi do i5v
Combinando estas equações, encontramos que:
VGS
M1vgs
R15k
VDD
vO
GSv
io v5v E assim, o ganho de tensão para pequenos
sinais deste amplificador em circuito aberto é: 05(t)v
(t)vA
i
ovo .
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 115
Transistores MOSFETs : Como amplificador… Análise de pequemos sinais sem circuito aberto RD 1k
2k 3k
100k
10V
(t)vi (t)vo
10.005V K=0.4 mA/V2
VT=2.0V
1º Passo: Análise DC:
Os condensadores são circuitos abertos para DC, portanto, o circuito de DC é:
RD 1k
2k
100k
10V
Assumindo que o MOSFET está na saturação, assim impomos:
2TGSD VVKI )(
GSVDSV
ID
Como IG=0, vemos que VG =VD, e assim VGS =VDS . De KVL, encontramos:
0I(2)VI(1)10.0 DDSD Como VGS=VDS, VGS DGS I3010V .
2TGSD VVKI )( Combinando o anterior com Obtemos a função quadrática
de VGS:2
TGSGS VV3K010V )(. Cujas soluções são:
4.2VVGS 1.0VVGS e
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 116
Transistores MOSFETs : Como amplificador… Análise de pequemos sinais sem circuito aberto RD 1k
2k 3k
100k
10V
(t)vi (t)vo
10.005V K=0.4 mA/V2
VT=2.0V
1º Passo: Análise DC (Cont.)
RD 1k
2k
100k
10V
GSVDSV
ID
Cujas soluções são:
4.2VVGS 1.0VVGS e
Não entre em pânico! Apenas uma destas soluções satisfaz a nossa condição de saturação!
2V4.2VVV TGS
2ºPasso : Determinar os parâmetros dos pequenos sinais
gm=2K(VGS-VT) =2(0.4)x(4.2 -2.0) =1,76 mA/V 2TGS
o VVK
1r
)(
2o 2)(4.20.005(0.4)
1r 103 K
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 117
Transistores MOSFETs : Como amplificador… Análise de pequemos sinais sem circuito aberto RD 1k
2k 3k
100k
10V
(t)vi (t)vo
10.005V K=0.4 mA/V2
VT=2.0V
3º e 4º Passos : Determinar o circuito para pequenos sinais.
a) Desligar a fonte de tensão DC.b) Substituir os condensadores por curto-circuitos.
c) Substituir o MOSFET pelo seu modelo de pequenos sinais.
di
di
3k
(t)vo
gsv1.76
G D
S
gsvvi(t)
RD 1k
2k
100k
(t)vi
(t)vo3k 1i100K
1kro103K
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 118
Transistores MOSFETs : Como amplificador… Análise de pequemos sinais sem circuito aberto
3º e 4º Passos : Determinar o circuito para pequenos sinais (Cont)
c) Substituir o MOSFET pelo seu modelo de pequenos sinais.di
di
3k
(t)vo
gsv1.76
G D
S
gsvvi(t)
1i100K
1kro103K
Da análise nota-se que: igs vv Igualmente, usando KCL, a corrente i1é:
103
v
3
v
1
vv1.76i ooo
gs1
i1= 1.76 x vi+1,334 vo
Pela lei de Ohm nota-se que:100
vvi oi1
Combinando estas duas equações, encontramos:
vi-vo= 176 x vi+1,334 vo E a partir disto, descobrimos que o ganho de tensão para pequenos sinais é:
1.31134.4
175
(t)v
(t)vA
i
ovo
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 119
Transistores MOSFETs : Como amplificador… Análise de pequemos sinais em circuito PMOS
15VR2
1k
1k
1kR1 R3
R
ID
2.0VVT
K=0.75 mA/V2
VGS= -4.0V
Consideremos o circuito PMOS seguinte, onde sabemos (de alguma forma) que VGS = -4,0 V, mas não se sabe (por alguma razão), o valor da resistência R.
Vamos ver se podemos determinar o valor da resistência R.
Primeiro, vamos supor que o MOSFET está na saturação, e que portanto, a equação da corrente de Dreno será: 2
TGSD VVKI )( Agora vamos analisar o circuito:
15VR2
1k
1k
1kR1 R3
R
ID
DSVGSV
I1
I2
IG=0
I
VS
VD
VG Como sabemos que VGS = -4,0 V, e assumimos que o dispositivo PMOS estava na saturação, podemos determinar directamente a corrente de dreno ID: 2
TGSD VVKI )( 22.0))(4.00.75( 22.0)4.00.75( = 3 mA
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 120
Transistores MOSFETs : Como amplificador… Análise de pequemos sinais em circuito PMOS
e, assim, a tensão de dreno VD é:
3DD RI0.0V 1.0(3.0)0.0
= 3.0VOK, esta primeira parte foi fácil, mas o que vamos fazer agora?
A chave para "desbloquear" esta análise de circuito, está reconhecendo que a diferença de potencial através do resistência R2 é simplesmente a tensão VGS, da qual sabemos o valor (VGS =-4.0V)!
15VR2
1k
1k
1kR1 R3
R
ID
DSVGSV
I1
I2
IG=0
I
VS
VD
VG2.0VVT
K=0.75 mA/V2
VGS= -4.0V
–Assim, podemos determinar imediatamente a corrente I2, que é:
1
4.0
R
VI
2
GS2
=-4.0 mA–Da mesma forma, a partir de KCL, encontramos: 2G1 III –Mas, como a corrente de Gate, IG = 0, concluímos: 21 II –A voltagem de Gate VG será: 14.0)(RI0.0V 11G =4.0 V
=-4.0 mA
–A voltagem de Fonte (Source) VS será: 14.0)(4.0RIVV 22GS =8.0 V
–Como podemos determinar o valor da resistência R?
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 121
Transistores MOSFETs : Como amplificador… Análise de pequemos sinais em circuito PMOS
Continuando, podemos calcular a corrente I, que flui através da resistência R:
15VR2
1k
1k
1kR1 R3
R
ID
DSVGSV
I1
I2
IG=0
I
VS
VD
VG2.0VVT
K=0.75 mA/V2
VGS= -4.0V4.0)(3.0III 2D =7.0 mA
E assim, a partir da Lei de Ohm, podemos encontrar o valor de R:
7.0
8.015.0
I
V15.0R S
=1K
Mas espere! Nós ainda não terminamos! Devemos verificar se nossa suposição inicial estava correcta.
–Primeiro, vamos verificar se o canal está induzido: 2V4VVV TGS –Para se ver se o canal está estrangulado (Pinch-off). Aqui notamos que: VDS=VD-VS=3.0-8.0=-5V e a tensão de excesso da Gate VGS-VT=-4.0-(-2.0)=-2V, portanto:
2V5VVVV TGSDS - Assim, nossa hipótese está correcta, e R = 1K.
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 122
Transistores MOSFETs : Como amplificador… Montagem Fonte Comum (Common Source - CS)
0
Dout
in
Sm
D
Gv
RR
RRR
Rg1
R
RRR
RRA
21
21
21
||
||
||
0
SOmODout RrgrRR
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 123
Transistores MOSFETs : Como amplificador… Montagem Gate Comum (Common Gate - CG)
0
Dm
GmS
mSv Rg
Rg1R
g1RA
/||
/||
Sm
in Rg
1R
Dout RR
0
SOmODout RrgrRR
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 124
Transistores MOSFETs : Como amplificador… Montagem Seguidor de Fonte (Source Follower - SF)
0
Sm
Sv
Rg1
RA
Gin RR
Sm
out Rg
1R ||
0
Som
out
Gin
SOm
SOv
Rrg
1R
RR
Rrg1
RrA
||||
||
||
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 125
Rg2
VDD
Rs
RdRg1
VDD
Rg
VDD
Rs
VSS
Rd
Rg
VDD
Rd
Rg
VDD
Rd
Circuitos discretos:
Técnicas de polarização
Transistores MOSFETs : Como amplificador…
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 126
Source Comum
Grande Av < 0- Degradado por RS.
Grande Rin
- Determinado pelo circuito de polarização.
Rout RD
ro diminui Av & Rout
mas impedância vista pela Drain, pode ser "impulsionada" pela degeneração da Fonte.
Source Follower
• 0 < Av ≤ 1
• Grande Rin-Determinado pelo circuito de polarização -Pequena Rout
- Diminui com RS.
• ro diminui Av & Rout
Transistores MOSFETs : Como amplificador… Comparações de Montagens
Gate Comum
• Grande Av < 0- Degradado por RS.
• Pequena Rin
- Diminui com RS.
• Rout RD
• ro diminui Av & Rout
mas impedância vista pela Drain, pode ser "impulsionada" pela degeneração da Fonte.
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 127
Transistores MOSFETsTeste um MOSFETs :
Antes de começar é preciso determinar quais dos terminais do MOSFET são a Porta (G), o Dreno (D) e a Fonte (S). Esta informação encontra-se na folha de dados, (Data sheet) no site do fabricante.
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 128
A maioria dos transistores MOSFETs não pode ser testada com um multímetro. Este facto é devido á necessidade da Gate (G) precisar de uma tensão de 2V – 5V, para ligar o dispositivo MOSFE, e esta voltagem não está presente nas pontas de provas dos multímetros , em qualquer das escales de resistência dos mesmo aparelhos.
Transistores MOSFETsTeste um MOSFETs
É necessário construir o seguinte circuito de teste:
Tocando a Gate (G), aumentará a tensão da mesma, o MOSFET ligar-se-á e o LED se iluminará.
Retirando o dedo, o LED apaga-se!....
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 129
G SD
D
Transistores MOSFETsTeste um MOSFETs : Com Multímetro analógico escala ( x10)
Primeiro, verifica-se a resistência entre a Gate (G) e os outros dois terminais, Dreno D) e Source (S), um a um. O multímetro não pode deflectir, nenhuma leitura pode aparecer entre os terminais G-D e G-S.
Se houver leitura neste estado. o MOSFET está em curto.
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 130
G SD
D
Transistores MOSFETsTeste um MOSFETs : Com Multímetro analógico ( x10)
Ao tocar a Gate(G) com a ponta de prova preta, o MOSFET é activado.
Ele vai conduzir em ambas as direcções D-S e S-D.
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 131
G SD
D
Ao tocar a Gate (G) com a ponta de prova vermelha, o MOSFET volta a sua condição inicial (desarmado), e vai conduzir apenas numa direcção (D-S). Não deve haver leitura entre S-D.
Transistores MOSFETsTeste um MOSFETs : Com Multímetro analógico ( x10)
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 132
4N60B
G D S
Transistores MOSFETsTeste um MOSFETs : Com Multímetro Digital
Os mesmos testes podem ser feitos com um multímetro digital, mas tenha em mente que as pontas de prova se invertem, tome como referências os métodos anteriores, mas as pontas de prova pretas terão o efeito das pontas de prova vermelhas e vice-versa.
1) Determinar quais dos terminais do MOSFET são a Porta (G), o Dreno (D) e a Fonte (S). Esta informação encontra-se na folha de dados, (Data sheet) no site do fabricante.
Primeiro, ligue o multímetro numa escala de resistência muito alta.
2) Verifique a resistência entre a Porta (G) e o Dreno (D).
Em seguida, coloque uma das pontas de prova do multímetro no terminal da Porta (G), e outro sobre o terminal do Dreno (D). Se o MOSFET estiver a trabalhar bem, a leitura de resistência será infinitamente alta.
Um MOSFET bom irá se comportar como um diodo, e irá conduzir. Invertendo as pontas de prova, não irá conduzir.
3. Ligue o multímetro na posição Teste de diodos. Isto é representado com um símbolo de diodo.
4. Coloque a ponta de prova preta do multímetro no Dreno (D), e a vermelha na Fonte (S).
Diodo de protecção
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 133
4N60B
G D S
Transistores MOSFETsTeste um MOSFETs : Com Multímetro Digital
A leitura do multímetro será de alguns milivolts. Um valor característico para um 4N60B é de 500 milivolts (Diodo?).
5. Active o MOSFET. Em primeiro lugar, deixe a ponta preta na Fonte(S). Em seguida, toque brevemente com a ponta vermelha na Porta (G), e depois coloque-a no
Dreno (D).
Deixe a ponta vermelha no Dreno(D), e retire a ponta preta da Fonte(S).
6. Desactive o MOSFET.
Quando a sonda preta é colocada de volta na Fonte(S), o display do multímetro irá mostrar que o MOSFET está mais uma vez não condutor
Em seguida, toque na Gate (G) com a ponta preta e volte a colocá-la na Fonte(S).
http://www.ehow.com/how_10020048_check-mosfet.html
Invertendo as pontas, preta no meio e vermelha na direita (condução) a leitura será de 150 milivolts…
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 134
Question 20:
O técnico obtém os seguintes medições na posição "verificação diodo", por esta ordem:
1. Ponta preta no terminal do meio, e ponta encarnada no terminal da direita = 0.583 volts (figura) .
2. Ponta encarnada no terminal do meio, ponta preta no terminal da direita = O.L. (aberto) .
3. Ponta preta no terminal do meio, e ponta encarnada no terminal da esquerda = O.L. (aberto).
4. Ponta preta no terminal do meio, e ponta encarnada no terminal da direita = 0.001 volts.
5. Ponta encarnada no terminal do meio, e ponta preta no terminal da direita = 0.001 volts .
Transistores MOSFETsTeste um MOSFETs : Com Multímetro Digital
Exercício
Explicar por que a quarta e quinta medições são tão diferente do primeiro e segundo, respectivamente, quando foram feitas entre os mesmos terminais do MOSFET. Dica: este MOSFET particular é um de canal-N, do tipo de enriquecimento.
O facto de fazer a terceira medida, coloca o MOSFET do estado de “activado”(saturado), por meio da tensão de saída do multímetro no modo de teste de diodo, no terminal da esquerda. O MOSFET permanece no seu estado de “activado” para a quarta e quinta medições.!
Onde é que as pontas de medida devem de ser conectadas, a fim de forçar o MOSFET a ir para o estado de “desactivado” (corte)? Ponta encarnada no terminal do meio, e ponta preta no terminal da esquerda.
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 135
Transistores MOSFETsManipulação de MOSFETs
Uma grande desvantagem de dispositivos MOSFETs é a sua extrema sensibilidade à descarga electrostática (ESD), devido ao isolamento entre as regiões Gate/Source.
A camada isolante de SiO2 é extremamente fina e pode ser facilmente perfurada por uma descarga electrostática.
A seguir indica-se uma lista de precauções na manipulação de MOSFETs:
Nunca insira ou remova MOSFETs de um circuito com a alimentação ligada.
Nunca aplique sinais de entrada quando a fonte de alimentação DC está desligada.
Use uma pulseira de aterramento no pulso quando manusear dispositivos MOSFET.
Ao armazenar MOSFETs, mantenha os fios do dispositivo em contacto com a espuma condutora, ou ligue um anel de curto-circuito em torno das ligações.
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 136
Tecnologia CMOSMOS Complementar (Complementary MOS).
(SSn) (Sn) (Gn) (Dn)Óxido isolante
(Dp) (Gp) (Sp) (SSp)
nMOS pMOS
Consiste no emprego de transistores MOS de ambas as polaridades, numa única pastilha.
Aplica-se tanto em circuitos analógicos como em circuitos digitais.
Úteis no design de circuitos lógicos, maior impedância de entrada, mais rápida comutação, e valores de níveis de potência operacionais mais baixos.
MOSFETs: Outras estruturas…
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 137
Gate (G)
Dreno (D)
Fonte (S)
n+
n- pn+ n+
Estructura planar (DMOS)
Tecnologia DMOS DMOS - Double-Diffused MOS
As características mais importantes são a tensão de ruptura e a resistência em condução.
DMOS é semelhante a um BJT, devido às características de alta tensão e de alta frequência.
Uma região de deriva (drift) ligeiramente dopada entre o contacto do Dreno e da região do canal, contribui para garantir uma tensão de ruptura muito alta.
n- drift region
A espessura da região de deriva, deve ser tão fina quanto possível, para minimizar a resistência de Dreno.
p
Normalmente utilizado em: Electrónica de Controlo Automóvel, cabeças de impressão a jacto de tinta e Fontes de alimentação
MOSFETs: Outras estruturas…
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 138
Tecnologia VMOS
Estrutura em ranhura (V MOS)Dreno
n+
n-pn+
PortaFonte
G
D
SIsso permite que o dispositivo possa
manipular correntes mais elevadas, proporcionando mais área superficial para dissipar o calor.
Estrutura vertical do MOSFET, aumenta a área de superfície do dispositivo.
A principal característica da estrutura do VMOS é a ranhura em forma de V.
A corrente flui verticalmente no dispositivo, em vez de na horizontal, como nos FETs padrão.
A tecnologia VMOS também proporciona tempos de comutação mais rápidos.
A principal desvantagem da tecnologia VMOS é que a estrutura é mais complicada do que a dos MOSFETs tradicionais, e isto faz com que sejam um pouco mais caros.
MOSFETs: Outras estruturas…
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 139
O MOSFET Umos é muito semelhante ao VMOS. É um desenvolvimento ligeiramente mais recente do mesmo princípio básico. UMOSFETs são capazes de fornecer uma função vantajosa em muitas aplicações de potência relativamente elevadas, tanto em fontes de alimentação e como em amplificação de potência de RF.
MOSFET com Gate em trincheira (trench) (UMOSFET)
Drain(D)
N+
N-
PN+
Source(S)
Body
Gate(G)Tecnologia UMOS
Ligação Source-body
MOSFETs: Outras estruturas…
MOSFET com extensão da Gate em trincheira
(EXTFET)
Drain
N+
N-P
N+Source
Body
Gate
Semicondutores de Potência: MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 140
MOSFET com dopagem graduada (GD) e Gate em trincheira.
Drain
N+
NPN+
Source
Body
Gate Ligação Source-body
Também para baixa tensão (tensão de ruptura é de cerca de 50 V).
ND-source
ND-drain-
ND-drain+
NA-body
Doping
Estrutura com carga acoplada na super-junção PN da região de deriva
(CoolMOS TM)
N+
N-
N+N+P+
P-
Drain
Source Gate
Body
Ligação Source-body
3 vezes melhor para dispositivos de 600 -800 V.
MOSFETs: Outras estruturas…Outras Tecnologias
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 141
PROFET
MOSFETDiagnostics
Short CircuitProtection
IntegratedCharge Pump
OverVoltage
Protection
Current Limit
OverTemperature
Protection
ReverseBattery
Protection
PROFETs: PROrected FETs MOSFETs: Outras estruturas…
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 142
HITFET
MOSFET
Diagnostics Requires external
components
Over Voltage Protection
Short CircuitProtection
Current Limit
OverTemperature
Protection
HITFETs: High Integration Temperature Protected FETs
MOSFETs: Outras estruturas…
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 143
Formulário: Como amplificador
Transistores MOSFETs
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 144
Parâmetros comuns a dispositivos NMOS e PMOSParameter description valueW Gate width of either NMOS or PMOSL Gate Length for either NMOS or PMOSLambda (l) Design parameter for scalable rules .35 micronsPMOS or NMOS minimum sized device
Smallest possible PMOS or NMOS device W = 3 = 10.5l m mL = 2 = .75l m m
Cox Gate capacitance per unit area ~2.5 fF/um2
Parâmetros específicos para dispositivos PMOS Parameter description valuemp Effective mobility of holesk’= (mp Cox)/2 -------VTP PMOS Threshold VoltageCjsw Source/drain Side wall capacitance (F/m)Cj Source/drain bottom plate capacitance Units (F/m2)
Cjswg Source/drain Side wall capacitance on drain side Units (F/m)
Cgdo Drain overlap capacitance (F/m)
Parâmetros específicos para dispositivos NMOS Parameter Description valuemn Effective mobility of electrons 446.9 cm2/V-sec k’= (mn Cox)/2 -------VTN NMOS Threshold VoltageCjsw Source/drain Side wall capacitance: (F/m)Cj Source/drain bottom plate capacitance Units (F/m2)
Cjswg Source/drain Side wall capacitance on drain side: Units (F/m)
Cgdo Drain overlap capacitance (F/m)
From: http://www.mosis.org/cgi-bin/cgiwrap/umosis/swp/params/ami-c5/t3af-params.txt
Formulário: Parâmetros
Transistores MOSFETs
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 145
Tensão de limiar VT0 V 0
Transcondutância do processo
KP A/V2 2E-5
Efeito de corpo GAMMA V(1/2) 0
Modelação de canal LAMBDA V-1 0
Espessura do oxido tOX m 0
Difusão lateral LD m 0
PHI V 0.6
Dopagem NSUB cm^-3
Mobilidade U0 cm^2/Vs 600
Resistência da fonte RS 0
T0V
nkpk
oxt
ovL
f2
AN DN
SR
Transistores MOSFETsFormulário: Parâmetros
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 146
Capacitância média da Porta (G)Operation Region Cgb Cgs Cgd
Cut-off effOXWLC 0 0
Triode 0 2WLC effOX / 2WLC effOX /
Saturation 0 effOXWL(2/3)C 0
Formulário: Capacitância média da Porta (G)
Transistores MOSFETs
Cut-off
No channel exists, CGC appears between Gate and Body.
Resistive
Inversion layer is formed acting as conductor between Source and Drain. Cgb=0 (body electrode is shielded by channel) CGC divided evenly between Source and Drain.
Saturation
Channel is pinched off. Cgd 0 Cgb 0.
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 147
Parâmetros n-MOSFET (D)
Formulário: MOSFETS Deplexão canal n
Transistores MOSFETs
Process parameter [A/V2] OXnn Ck
L
Wknn .Current Gain [A/V2]
Early Voltage
AV
1
Body Effect Parameter [ V] OXa CqN /2
Oxide Capacitance [F/cm2]OX
OOXOX t
KC
Threshold Voltage fSBfTOTN VVV 22
Zero Potencial Current (VGS=0)2
TNn
DSS V2
I
Depletion n-MOSFET Threshold Voltage
0TNV
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 148
Equações n-MOSFET (D)Formulário: MOSFETS Deplexão canal n
Transistores MOSFETs
Cut-off Mode Drain current 0ID Gate to Source Voltage TNGS VV
Gate to Drain Voltage .
Linear Mode
Linear Drain Current(VDS<1V)
DSTNGSnD VVVL
WkI ).(
Triode Drain Current ]2/).[( 2DSDSTNGSnD VVVV
L
WkI
Gate to Source Voltage TNGS VV
Gate to Drain Voltage TNGD VV
Saturation Mode
Drain Current2
TNGSnD VVL
WkI ).(
Drain Current with )..().( DS2
TNGSnD V1VVL
WkI
Gate to Source Voltage TNGS VV
Gate to Drain Voltage TNGD VV
Linear/Saturation Boundary Drain to Source Voltage TNGSDS VVV
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 149
Formulário: MOSFETS Deplexão canal n
Transistores MOSFETs
Parâmetros para pequenos Sinais
Transcondutance [A/V] ).( TNGSnm VVg
Transcondutance [A/V] Dnm IL)(W2kg ./
Transcondutance [A/V]TNGS
Dm VV
2Ig
Transcondutance of Body [A/V] mmb gg .
Body Effect SBf V22 .
Gate Source Capacitance [F/cm2] OX0vOXgs CLWCLW3
2C
Gate Drain Capacitance [F/cm2] OX0vgd CLWC Source /Drain - Body Capacitance [F/cm2]
0
SB
sb0sb
V
V
CC
10
SB
db0db
V
V
CC
1
Maximum operating frequency [Hz] gdgs
mT CC2
gf
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 150
http://web.itu.edu.tr/~ozayan/ele222/mosfeteqs1d.pdf
Formulário: MOSFETS Deplexão canal n
Transistores MOSFETs
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 151
Parâmetros p-MOSFET (D)
Formulário: MOSFETS Deplexão canal p
Transistores MOSFETs
Process parameter [A/V2] OXpp Ck
L
Wk pp .Current Gain
Early Voltage
AV
1
Body Effect Parameter OXd CqN /2
Oxide Capacitance OX
OOXOX t
KC
Threshold Voltage fSBfTOT VVV 22
Zero Potencial Current (VGS=0)2
TPp
DSS V2
I
Depletion p-MOSFET Threshold Voltage
0TPV
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 152
Equações p-MOSFET (D)
Formulário: MOSFETS Deplexão canal p
Transistores MOSFETs
Cut-off Mode Drain current 0ID Gate to Source Voltage TPGS VV
Gate to Drain Voltage .
Linear Mode
Linear Drain Current(|VDS|<1V)
DSTPGSpD VVVL
WkI ).(
Triode Drain Current ]/).[( 2 2VVVVL
WkI DSDSTPGSpD
Gate to Source Voltage TNGS VV
Gate to Drain Voltage TNGD VV
Saturation Mode
Drain Current2
TPGSpD VVL
WkI ).(
Drain Current with )..().( DS2
TPGSpD V1VVL
WkI
Gate to Source Voltage TPGS VV
Gate to Drain Voltage TPGD VV
Linear/Saturation Boundary Drain to Source Voltage TPGSDS VVV
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 153
Formulário: MOSFETS Deplexão canal p
Transistores MOSFETs
Parâmetros para pequenos Sinais
Transcondutance [A/V] ).( TPGSpm VVg
Transcondutance [A/V] Dpm IL)(W2kg ./
Transcondutance [A/V]TPGS
Dm VV
2Ig
Transcondutance of Body [A/V] mmb gg .
Body Effect SBf V22 .
Gate Source Capacitance [F/cm2] OX0vOXgs CLWCLW3
2C
Gate Drain Capacitance [F/cm2] OX0vgd CLWC Source /Drain - Body Capacitance [F/cm2]
0
SB
sb0sb
V
V
CC
10
SB
db0db
V
V
CC
1
Maximum operating frequency [Hz] gdgs
mT CC2
gf
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 154
http://web.itu.edu.tr/~ozayan/ele222/mosfeteqs1d.pdf
Formulário: MOSFETS Deplexão canal p
Transistores MOSFETs
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 155
Parâmetros n-MOSFET (E)
Formulário: MOSFETS Enriquecimento canal n
Transistores MOSFETs
Process parameter [A/V2] OXnn Ck
L
Wknn .Current Gain [A/V2]
Early Voltage
AV
1
Body Effect Parameter [ V] OXa CqN /2
Oxide Capacitance [F/cm2]OX
OOXOX t
KC
Threshold Voltage fSBfTOTN VVV 22
Depletion n-MOSFET Threshold Voltage
0TNV
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 156
Equações n-MOSFET (E)
Transistores MOSFETs
Cut-off Mode Drain current 0ID Gate to Source Voltage TNGS VV
Gate to Drain Voltage .
Linear Mode
Linear Drain Current(VDS<1V)
DSTNGSnD VVVL
WkI ).(
Triode Drain Current ]2/).[( 2DSDSTNGSnD VVVV
L
WkI
Gate to Source Voltage TNGS VV
Gate to Drain Voltage TNGD VV
Saturation Mode
Drain Current2
TNGSnD VVL
WkI ).(
Drain Current with )..().( DS2
TNGSnD V1VVL
WkI
Gate to Source Voltage TNGS VV
Gate to Drain Voltage TNGD VV
Linear/Saturation Boundary Drain to Source Voltage TNGSDS VVV
Formulário: MOSFETS Enriquecimento canal n
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 157
Formulário: MOSFETs Enriquecimento canal n
Transistores MOSFETs
Parâmetros para pequenos Sinais
Transcondutance [A/V] ).( TNGSnm VVg
Transcondutance [A/V] Dnm IL)(W2kg ./
Transcondutance [A/V]TNGS
Dm VV
2Ig
Transcondutance of Body [A/V] mmb gg .
Body Effect SBf V22 .
Gate Source Capacitance [F/cm2] OX0vOXgs CLWCLW3
2C
Gate Drain Capacitance [F/cm2] OX0vgd CLWC Source /Drain - Body Capacitance [F/cm2]
0
SB
sb0sb
V
V
CC
10
SB
db0db
V
V
CC
1
Maximum operating frequency [Hz] gdgs
mT CC2
gf
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 158
http://web.itu.edu.tr/~ozayan/ele222/mosfeteqs1d.pdf
Formulário: MOSFETs Enriquecimento canal n
Transistores MOSFETs
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 159
Parâmetros p-MOSFET (E)
Formulário: MOSFETs Enriquecimento canal p
Transistores MOSFETs
Process parameter [A/V2] OXpp Ck
L
Wk pp .Current Gain [A/V2]
Early Voltage
AV
1
Body Effect Parameter [ V] OXd CqN /2
Oxide Capacitance [F/cm2]OX
OOXOX t
KC
Threshold Voltage fSBfTOTP VVV 22
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 160
Equações p-MOSFET (E)
Transistores MOSFETs
Cut-off Mode Drain current 0ID Gate to Source Voltage TPGS VV
Gate to Drain Voltage .
Linear Mode
Linear Drain Current(|VDS|<1V)
DSTPGSpD VVVL
WkI ).(
Triode Drain Current ]/).[( 2 2VVVVL
WkI DSDSTPGSpD
Gate to Source Voltage TNGS VV
Gate to Drain Voltage TNGD VV
Saturation Mode
Drain Current2
TPGSpD VVL
WkI ).(
Drain Current with )..().( DS2
TPGSpD V1VVL
WkI
Gate to Source Voltage TPGS VV
Gate to Drain Voltage TPGD VV
Linear/Saturation Boundary Drain to Source Voltage TPGSDS VVV
Formulário: MOSFETs Enriquecimento canal p
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 161
Transistores MOSFETs
Parâmetros para pequenos Sinais
Transcondutance [A/V] ).( TPGSpm VVg
Transcondutance [A/V] Dpm IL)(W2kg ./
Transcondutance [A/V]TPGS
Dm VV
2Ig
Transcondutance of Body [A/V] mmb gg .
Body Effect SBf V22 .
Gate Source Capacitance [F/cm2] OX0vOXgs CLWCLW3
2C
Gate Drain Capacitance [F/cm2] OX0vgd CLWC Source /Drain - Body Capacitance [F/cm2]
0
SB
sb0sb
V
V
CC
10
SB
db0db
V
V
CC
1
Maximum operating frequency [Hz] gdgs
mT CC2
gf
Formulário: MOSFETs Enriquecimento canal p
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 162
http://web.itu.edu.tr/~ozayan/ele222/mosfeteqs1d.pdf
Transistores MOSFETsFormulário: MOSFETs Enriquecimento canal p
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 163
Transistores MOSFETsFormulário: Tipos de MOSFETs
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 164
Dúvidas?
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 165
OBRIGADO PELA ATENÇÃO !...
Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs
10-04-2023 Por : Luís Timóteo 166
Bibliografias
http://wwwlasmea.univ-bpclermont.fr/Personnel/Francois.Berry/teaching/Microelectronics/composant.swf
http://www.williamson-labs.com/480_xtor.htm
http://www.powershow.com/view1/2291d5-MTc1M/Chapter_3__BJTs_Bipolar_Junction_Transistors_powerpoint_ppt_presentation
http://www.learnabout-electronics.org/Downloads/Fig316dl_bjt_operation.swf
http://www2.eng.cam.ac.uk/~dmh/ptialcd/
http://www.infoescola.com/quimica/dopagem-eletronica/
http://www.prof2000.pt/users/lpa
http://www.thorlabs.com/tutorials.cfm?tabID=31760
http://informatica.blogs.sapo.mz/671.html
http://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_6.html
http://www.learnabout-electronics.org/index.php
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003
http://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_6.html
http://www.ufpi.edu.br/subsiteFiles/zurita/arquivos/files/Dispositivos_7-FET-parte-II-v1_2.pdf
http://www.ittc.ku.edu/~jstiles/312/handouts/