eletronic a i

ELETRÔNICA I

Prof. Edison Puig Maldonado

2Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia

Referências

Básica:Básica:

1.1. Sedra, Adel S.; Smith, Kenneth C.; Sedra, Adel S.; Smith, Kenneth C.; MicroeletrônicaMicroeletrônica; 5ª Edição; Editora: ; 5ª Edição; Editora: Prentice Hall Brasil (2007)Prentice Hall Brasil (2007)

2.2. Adel S. Sedra, Laboratory Explorations for Microelectronic Circuits, 5 Ed., Adel S. Sedra, Laboratory Explorations for Microelectronic Circuits, 5 Ed., Oxford University Press (2007)Oxford University Press (2007)

3.3. Robert L. Boylestad, Louis Nashelsky, Robert L. Boylestad, Louis Nashelsky, Dispositivos Eletrônicos e Teoria Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitosde Circuitos, 8ª Ed., Prentice Hall Brasil (2004), 8ª Ed., Prentice Hall Brasil (2004)


Referências

Complementar:Complementar:

4.4. Sergio Rezende, Sergio Rezende, Materiais e Dispositivos EletrônicosMateriais e Dispositivos Eletrônicos, Livraria da , Livraria da Física (2004)Física (2004)

6.6. Albert Paul Malvino, Albert Paul Malvino, Eletrônica, v.1 Eletrônica, v.1 ee v.2 v.2, 4ª Ed., Makron (1997), 4ª Ed., Makron (1997)

5.5. Olival Freira Jr., Olival Freira Jr., Rodolfo Alves de Carvalho Neto, Rodolfo Alves de Carvalho Neto, Universo dos Universo dos Quanta: uma Breve História da Física ModernaQuanta: uma Breve História da Física Moderna, FTD (1997), FTD (1997)


Referências

Outras publicações, vídeos e sites:Outras publicações, vídeos e sites:

## MIT OpenCourseWare - MIT OpenCourseWare - Microelectronic Devices and CircuitsMicroelectronic Devices and Circuits (2005) (2005)http://ocw.mit.edu/OcwWeb/Electrical-Engineering-and-Computer-Science/6-012Fall-2005/CourseHome/index.htmhttp://ocw.mit.edu/OcwWeb/Electrical-Engineering-and-Computer-Science/6-012Fall-2005/CourseHome/index.htm

Paul Horowitz, Winfield Hill, Paul Horowitz, Winfield Hill, The Art of ElectronicsThe Art of Electronics, 2 Ed., Cambridge Univ. , 2 Ed., Cambridge Univ.

Press (1989)Press (1989)

Microelectronic Circuits - Today's Technology. Tomorrow's Engineers. Microelectronic Circuits - Today's Technology. Tomorrow's Engineers.

((http://www.sedrasmith.orghttp://www.sedrasmith.org))

SPICE 3 User's Manual SPICE 3 User's Manual

(http://newton.ex.ac.uk/teaching/CDHW/Electronics2/userguide/) (http://newton.ex.ac.uk/teaching/CDHW/Electronics2/userguide/)

Play-Hookey (Play-Hookey (http://www.play-hookey.com/http://www.play-hookey.com/) )

http://ocw.mit.edu/OcwWeb/Electrical-Engineering-and-Computer-Science/6-012Fall-2005/CourseHome/index.htm


Estrutura e Propriedades deMateriais Tecnológicos (estado sólido)

Semicondutores


Estrutura da Matéria & Natureza da Luz


As partículas são descritas como ondas ⇒ Probabilidades

As funções de onda de um elétron em um átomo de hidrogênio possuindo energias fixas (crescendo para baixo, na figura, n=1,2,3,...) e momento angular definido (crescendo para: s, p, d,...).

Regiões mais claras representam regiões com maior probabilidade para uma medida da posição do elétron. O momento angular e a energia são quantizados, ou seja, podem apenar apresentar valores definidos, como os mostrados.

Funções de Onda


DEF.:DEF.: É a parte da física que estuda o comportamento É a parte da física que estuda o comportamento dos sistemas “pequenos” dos sistemas “pequenos” ((efeitos quânticos são relevantes efeitos quânticos são relevantes em escalas de até 1000 átomosem escalas de até 1000 átomos))..

• Quantização da energia Quantização da energia ⇒⇒

• Dualidade onda-partícula.Dualidade onda-partícula.“As partículas são também ondas”,

e vice-versa" ⇒⇒ λ = h / p

E = nhν∆x ∆p ≥ / 2• Princípio da incerteza Princípio da incerteza ⇒⇒

• Princípio da exclusãoPrincípio da exclusão

A Mecânica Quântica


L i g a ç ã oL i g a ç ã o

• Estado da matéria onde átomos/moléculas estão relativamente próximos.

• Uma parte de seus elétrons se sobrepõem !

Sólidos


materiais cristalinosmateriais cristalinos materiais amorfosmateriais amorfos

vidrosvidros

polímerospolímeros

cerâmicascerâmicas

etc.etc.

metaismetais

semicondutoressemicondutores

cristaiscristais

saissais

etc.etc.diamantediamante carvãocarvão

Tipos de sólidos


Formas alotrópicas do Formas alotrópicas do carbono:carbono:

a) Diamantea) Diamante

b) Grafiteb) Grafite

c) Lonsdaleíta (meteoritos)c) Lonsdaleíta (meteoritos)

d) Fulereno (C60)d) Fulereno (C60)

e) C540e) C540

f) C70f) C70

g) Amorfo (carvão)g) Amorfo (carvão)

h) Nanotuboh) Nanotubo

Exemplo: Carbono


• Quando átomos formam ligações, os elétrons se movem mais próximos.Quando átomos formam ligações, os elétrons se movem mais próximos.

• Para evitar violação do Para evitar violação do Princípio da Exclusão de PauliPrincípio da Exclusão de Pauli, que ocorreria quando , que ocorreria quando elétrons com a mesma energia, etc., ocupam a mesma região do espaço, elétrons com a mesma energia, etc., ocupam a mesma região do espaço, os níveis de energia se deslocam levemente.os níveis de energia se deslocam levemente.

Dois átomosDois átomos

Bandas de EnergiaBandas de Energia

Seis átomosSeis átomos Sólido de N átomosSólido de N átomos

Deslocamento dos níveis


Bandas de EnergiaBandas de Energia

Bandas e intervalos


Bandas e níveis

Molecular-orbital energies corresponding to delocalization of valence electrons over increasing numbers of Li Molecular-orbital energies corresponding to delocalization of valence electrons over increasing numbers of Li atoms. A 1-mg sample of Li would contain nearly 10atoms. A 1-mg sample of Li would contain nearly 102020 atoms. The corresponding orbital energies are so closely atoms. The corresponding orbital energies are so closely spaced that they constitute essentially continuous bands.spaced that they constitute essentially continuous bands.


• Banda de “condução” : banda de energia na qual

os elétrons devem ser promovidos para contribuir

com a condução elétrica.

• Banda de “valência” : banda de energia contendo

aqueles elétrons não localizados que são

compartilhados e contribuem para as ligações.

• Elétron localizado : está em um estado associado

com um átomo específico (camadas internas

“blindadas”).

bandgap

Bandas de Energia

Bandas e níveis


As bandas de energia e os “gaps” entre elas determinam a condutividade e outras propriedades dos sólidos.

Condutividade elétrica

• Nos metais a banda de valência é geralmente apenas parcialmente preenchida com elétrons.

• Nos semimetais, há uma pequena sobreposição entre a banda de condução e a de valência (mas têm menos portadores que os metais).

• Nos isolantes a banda de valência está cheia (não há estados disponíveis) e a energia do gap é muito maior que as energias térmicas típicas.

• Nos semicondutores o gap é pequeno e alguns elétrons da banda de valência saltam para a banda de condução com a energia térmica.

Em semicondutores naturais (ou intrínsecos), a condutividade não é causada apenas pelos elétrons que pularam para a banda de condução, mas também pelos buracos (também chamados lacunas) que eles deixaram na banda de valência. Um elétron vizinho a um buraco pode passar para enchê-lo, deixando um buraco no local que acaba de vir. Os buracos são como partículas positivamente carregadas que se movem.

E

condutores

ou

metais e semimetaismetais

valên

ciaco

ndução

valência

condução

semicondutores

E

valência

condução

isolantes

E

> 4 eV

valência

condução


Condutividade elétrica

σ [ 1/Ω m]

isolantes semicondutores"intrínsecos"

condutores

10 -20 10 -1410 -18 10 -1010 -16 10 -610 -12 10 -210 -8 10210 -4 10 610 0 10 4 10 8

quartzo

madeira seca

grafite

borracha

SiO2

porcelana

mica

vidro

GaAs Si

Ge

Si dopadoMn Fe

Ag

Cu

polietilenoconcreto (seco)

NaCl

poliestireno

tecidos biológicos

semicondutores"extrínsecos"


Dopagem


Efeitos de adição de impurezasEfeitos de adição de impurezas

Dopagem


Semicondutor tipo N

A adição de impurezas pentavalentes tais como o antimônio, arsênico ou fósforo contribui com elétrons livres, aumentando a condutividade do semicondutor intrínseco.

Tipo N


Semicondutor tipo P

A adição de impurezas trivalentes tais como o boro, o alumínio ou o gálio a um semicondutor intrínseco cria deficiências de elétrons de valência, chamadas “buracos".

Tipo P


Essa distribuição de cargas cria uma barreira a qual se oporá à difusão de mais portadores

Junção P-N


Polarização DiretaPolarização Direta

Polarização reversaPolarização reversa

A largura da região de depleção A largura da região de depleção diminuirá.diminuirá.

Corrente flui !Corrente flui !

A largura da região de A largura da região de depleção aumentará.depleção aumentará.

O potencial do campo O potencial do campo elétrico interno bloqueia o elétrico interno bloqueia o fluxo de corrente!fluxo de corrente!

O diodo de junção

catodoanodo


O diodo de junção


Diodo – características elétricas

Características elétricas dos diodos de junção

i=I S ev ¿ nV T−1

IS = corrente de saturação (10-15A @ ambiente)

VT = tensão térmica ≈ 25mVn = 1

Região direta:escala v

comprimida

escala

i

expan

did

a

operação reversaoperaçãodireta

ruptura



Características elétricas dos diodos de junção



Região direta:

Current-Voltage characteristics of a silicon diode under forward bias

http://ece-www.colorado.edu/~bart/book/book/chapter4/ch4_4.htm



i=I Se v /nV T−1

IS = corrente de saturação (10-15A @ ambiente)

VT = tensão térmica ≈ 25mVn = 1

Início da região reversa:

Região reversa:

Microdiodo (CI)



I D≃ I S . eV D /nV T

Análise de circuitos. Exemplo:

I D=V DD−V D

R

Incógnitas: ID , VD

Métodos numéricos???

Análise gráfica?

Silício: ~ 0,7 V

Germânio: ~ 0,2 V

diodo

Q (ponto quiescente)

reta de carga


Diodo - modelos

Análise de circuitos. Modelo simplificado do diodo (segmentos lineares):


Diodo - modelos

Análise de circuitos. Se v >> 0,7V :


Diodo - modelo de pequenos sinais

Modelo de circuito com diodo, para pequenos sinais.

vD(t) = VD + vd(t)

iD(t) = IS exp[(VD + vd)/(nVT)]

= IS exp[(VD )/(nVT)] . exp[(vd)/(nVT)]

= ID exp[(vd)/(nVT)]

≈ ID [1 + (vd)/(nVT)] = ID + id

Corrente dinâmica: id = ID vd / (nVT) ⇒ Resistência dinâmica: rd = nVT / ID


Diodo - modelo de pequenos sinais

Uso como regulador de tensão no modo direto (exemplo)

Assumindo cada diodo com 0,7 V:

I = (10 – 2,1) / 1000 = 7,9 mA

Resistência dinâmica de cada diodo:

rd = nVT / I = 2. 25mV / 7,9 mA = 6,3 Ω

Para variações na tensão (supondo 10%):

∆v0 = (2 volts) [3rd / (3rd + R)] = 37,1 mV


Diodo Zener

Diodo Zener

Diodo Zener é um tipo de diodo especialmente projetado para trabalhar na região de ruptura de tensão reversa da junção PN. (ver também: diodo avalanche)

Aplicações comuns: estabilização de tensao; proteção contra picos

O diodo Zener difere do diodo convencional pelo fato de receber uma dopagem (tipo N ou P) maior, o que provoca a aproximação da curva na região de avalanche ao eixo vertical. Isto reduz consideravelmente a tensão de ruptura e evidencia o efeito Zener que é mais notável à tensões relativamente baixas (~ 5,5V).

Cada diodo Zener possui uma tensão de Zener específica como, por exemplo, 5,1 V, 6,3 V, 9,1V, 12V e 24V.

A tensão de ruptura pode ser controlada de forma muito precisa pelo processo de dopagem. Tolerâncias na faixa de 0.05% são disponíveis, mais a maioria das tolerâncias é entre 5% e 10%.

Corrente máxima admissível: o valor indicado é o da potência.

Por exemplo, existem diodos Zener de 400 mW, 1W etc.

O diodo Zener se encontra normalmente associado com uma resistência em série, destinada a limitar a corrente a um valor admissível.


Diodo Zener

Operação na região reversa, na zona de ruptura.

In silicon diodes up to about 5.6 volts, the Zener effect is the predominant effect and shows a marked negative temperature coefficient. Above 5.6 volts, the avalanche effect becomes predominant and exhibits a positive temperature coefficient.

The breakdown voltage can be controlled quite accurately in the doping process. Tolerances to within 0.05% are available though the most widely used tolerances are 5% and 10%.


Outros diodos

Varicap

Varicap, diodo varicap ou capacitor variável, é um tipo de diodo que apresenta uma capacitância bastante variável, a qual é função da tensão à qual ele é submetido.

A espessura da região de depleção aumenta com o aumento da polarização inversa e ela quase não conduz (como um dielétrico), funcionando como um capacitor cuja capacitância varia de acordo com a tensão.

Sintonia de circuitos é a principal aplicação. São também usados em amplificadores paramétricos, osciladores paramétricos e osciladores controlados por tensão (como parte de malhas de captura de fase e sintetizadores de freqüências).


Outros diodos

Diodo PIN

Um diodo PIN (Positive Intrinsic Negative diode) é um diodo com uma região não-dopada (intrínsica) de semicondutor entre as regiões do tipo P e N.

A região larga intrínseca faz o diodo PIN um retificador inferior, mas o torna mais adequado para uso como atenuador, chave rápida (de RF) e fotodetetor.

Quando diretamente polarizado, buracos e elétrons são injetados na camada intrínseca i e suas cargas não se anulam de imediato, possibilitando a condução. Na polarização nula ou inversa, não há carga armazenada e o diodo se comporta como um capacitor em paralelo com uma resistência.

Com tensão contínua ou de baixa freqüência, o diodo PIN tem comportamento próximo do diodo de junção PN.

Em altas freqüências, age como um resistor variável (de 0,1 a 10 kΩ).


Outros diodos

Diodo Schottky

Diodo Schottky é um tipo de diodo que utiliza o efeito Schottky (junção metal-semicondutor especial).

Nesse caso, não há região de depleção no metal.

Apresenta baixa resistência, baixa queda de tensão direta (~0,2V) e ação de chaveamento rápida (~1ns).

Aplicações típicas incluem proteção contra descarga em células solares conectadas a baterias e em fontes de alimentação chaveadas.

Since 2001 another important invention was presented by Siemens Semiconductor (now Infineon): a silicon carbide Schottky diode. SiC Schottky diodes have about 40 times lower reverse leakage current compared to silicon schottky diodes and are available in 300V and 600V variants. As of 2007 a new 1200 volt 7.5A variant is sold as 2x2mm chip for power inverter manufacturers.


EDA

Electronic design automation


EDA

Electronic design automation (EDA) é a categoria de ferramentas para projeto e produção de sistemas eletrônicos, desde circuitos impressos (printed circuit boards - PCBs) a circuitos integrados (ICs). Às vezes também é denominada como ECAD (electronic computer-aided design) ou apenas CAD.

Seu uso teve origem no IEEE Design Automation Technical Committee.

1975 - SPICE - Simulated Program with Integrated Circuits Emphasis - Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação da Universidade da Califórnia (Berkeley). Software público, com versões comerciais.

1986 - Verilog - high-level design language (hardware description language) by Gateway (hoje Cadence)

1987 - VHDL - specification language (U.S. Department of Defense).


SPICE

SPICE (Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis) é um software de simulação de circuitos analógicos. É uma poderosa ferramenta usada para testar e prever o comportamento de circuitos contendo componentes discretos ou integrados.

O software foi desenvolvido no ano de 1975 pelos pesquisadores Larry Nagle e Donald Petterson nos laboratórios de pesquisas sobre eletrônica da Faculdade de Engenharia Elétrica e Ciências da Computação da Universidade da Califórnia, campus de Berkeley. É um software de domínio público.

Algumas versões comerciais mantém compatibilidade com a versão de Berkeley, mas outras adicionaram extensões. As versões mais recentes incluíram interfaces gráficas.

NI Multisim – National Instruments PSpice – MicroSim / Cadence LTspice – Linear Technology


SPICE

Para que o SPICE possa realizar a simulação, o usuário deve entrar os seguintes dados:

** Circuit Description **VD 1 0 DC 700mVDtest 1 0 1mA_diode* diode model statement.model 1mA_diode D (Is=100pA n=1.679)** Analysis Requests *** vary diode voltage and measure diode anode current.DC VD 0V 800mV 10mV** Output Requests **.plot DC I(VD).probe.end

** Circuit Description **VD 1 0 DC 700mVDtest 1 0 1mA_diode* diode model statement.model 1mA_diode D (Is=100pA n=1.679)** Analysis Requests *** vary diode voltage and measure diode anode current.DC VD 0V 800mV 10mV** Output Requests **.plot DC I(VD).probe.end

Exemplo.Spice As A Curve Tracer: Diode I -V Characteristics

1. Entrada da decrição do circuito: é feita na forma de uma série de declarações em arquivo texto (arquivo fonte) ou graficamente, via construção do circuito através de um programa de captura de esquemas.

2. Especificação das análises: os tipos de análises, por exemplo, cc, pequenos sinais, transiente, etc.

3. Especificação dos resultados: o tipo de resultado que se deseja, por exemplo, tabelas, gráficos, de quais valores e de quais componentes.

Arquivo de descrição: SPICE input file (*.cir)


SPICE


SPICE

SPICE Source Files

The SPICE-3 source is a text file comprising various types of lines each terminated by a new line character:

1. Title line: the first line of the file will be printed, but otherwise ignored.

2. Element lines: describe the components and how they are connected into a network.

3. Comment lines: start with a ‘∗’ and are ignored by SPICE.

4. Continuation lines: lines starting with a '+' are continuations of the statement on the preceding line.

5. Control lines: tell SPICE what type(s) of analysis; to perform on the circuit and how results are to be displayed.

6. Final line: must be ‘.end’

SPICE Source Files

The SPICE-3 source is a text file comprising various types of lines each terminated by a new line character:

1. Title line: the first line of the file will be printed, but otherwise ignored.

2. Element lines: describe the components and how they are connected into a network.

3. Comment lines: start with a ‘∗’ and are ignored by SPICE.

4. Continuation lines: lines starting with a '+' are continuations of the statement on the preceding line.

5. Control lines: tell SPICE what type(s) of analysis; to perform on the circuit and how results are to be displayed.

6. Final line: must be ‘.end’

Title LineThe title line must be the first in the input file. Its contents are printed verbatim as the heading for each section of output.

.END LineThe "End" line must always be the last in the input file. Note that the period is an integral part of the name.

CommentsThe asterisk in the first column indicates that this line is a comment line. Comment lines may be placed anywhere in the circuit description. Note that SPICE3 also considers any line with leading white space to be a comment.


SPICE

• Nome deve começar com a letra específica, e deve conter de 1 a 8 caracteres.• N+ e N- são os nós (o terra deve estar presente e deve ser o nó 0)• VALOR em unidades do SI.

Number fields may be integers or floating-point numbers.

A floating-point number can be followed by an integer exponent or one of the following scale factors : T = 1012, G = 109, Meg = 106, K = 103, mil = 25.4x10-6, m = 10-3, u = 10-6, n = 10-9, p = 10-12, f = 10-15

Spice is not case-sensitive, so both scale-factors 'M' and 'm' mean 'milli'; use 'MEG' to represent 'mega'.

Letters following a number that are not scale factors are ignored, and letters following a scale factor are ignored .

• NC+ e NC- são os nós aos quais a tensão de controle está ligada. • VNOM é a fonte de tensão através da qual a corrente de controle flui.

• QUAL é um conjunto de atributos da fonte (cc, transientes, amplitudes, fase, etc.).

Linear :

Voltage-Controlled Current Sources

Voltage-Controlled Voltage Sources

Current-Controlled Current Sources

Current-Controlled Voltage Sources

EX

EM

PLO

S


SPICE

Descrever um dispositivo semicondutor para o SPICE exige uma declaração de elemento e uma de modelo.

• A declaração inicia com o nome do dispositivo (1ª letra indica o tipo)• Para um diodo, N+ é o nó do anodo e N- o nó do catodo.• Para um transistor bipolar de junção, NC, NB, NE e <NS> são os nós de circuito aos quais se ligam o

coletor, a base, o emissor e o substrato.

• Para um MOSFET, ND, NG, NS e NB são os nós aos quais se ligam o dreno, a porta, a fonte e o substrato.• MNOME indica o nome do modelo a ser usado.• <AREA> é um fator de escala de área (dipositivos em paralelo).

• L e W indicam o comprimento e a largura do canal MOSFET, em metros.

EX

EM

PLO

S


SPICE

Especificando as análises.

Especificando os resultados.

EX

EM

PLO

SEX

EM

PLO

S


O modelo de diodo do SPICE

O modelo de diodo do SPICE.

O SPICE inclui um modelo interno para o diodo (modelo de grandes sinais).

RS = resistência parasita.

iD = comportamento estático

CD = capacitor não-linear (comportamento dinâmico) : capacitância de difusão + capacitância de junção.

mas:não descreve bem a operação

do diodo na região de ruptura.


SPICE

SUBCIRCUITS

A subcircuit consists of SPICE elements that can be defined and referenced in a fashion similar to device models. The subcircuit is defined in the input file by a grouping of element lines; the program then automatically inserts the group of elements wherever the subcircuit is referenced. There is no limit on the size or complexity of subcircuits, and subcircuits may contain other subcircuits.

.SUBCKT line, general form:

.SUBCKT subnam N1 <N2 N3 ...>

ENDS line, general form:

.ENDS <SUBNAM>

Subcircuit calls, general form:

XYYYYYYY N1 <N2 N3 ...> SUBNAM

Subcircuits are used in SPICE by specifying pseudo-elements beginning with the letter X, followed by the circuit nodes to be used in expanding the subcircuit.


Modelando diodo zener no SPICE

Equivalent-circuit model used to simulate the zener diode in SPICE. Diode D1 is ideal and can be approximated in SPICE by using a very small value for n (say n = 0.01).


Circuitos com diodos

Robert L. Boylestad, Louis Nashelsky, Dispositivos Eletronicos e Teoria de Circuitos, (2004) CAPÍTULO 2: Aplicações de Diodos

Adel S. Sedra, Kenneth C. Smith, Microeletrônica, (2000)CAPÍTULO 3, tópicos 3.4 em diante


Retificação de meia-onda


Retificação de onda completa


Detector de pico

Figure 3.28 (a) A simple circuit used to illustrate the effect of a filter capacitor. (b) Input and output waveforms assuming an ideal diode. Note that the circuit provides a dc voltage equal to the peak of the input sine wave. The circuit is therefore known as a peak rectifier or a peak detector.


Detector de pico

Figure 3.29 Voltage and current waveforms in the peak rectifier circuit with CR @ T. The diode is assumed ideal.


Fonte

Adaptador de energia, doméstico (comum)


Fonte regulada

Block diagram of a dc power supply


Fonte regulada

Projeto de uma fonte regulada


Fonte (sem transformador)


Circuitos limitadores


Restaurador DC

Figure 3.36 The clamped capacitor or dc restorer with a square-wave input and no load.


Dobrador de tensão

Figure 3.38 Voltage doubler: (a) circuit; (b) waveform of the voltage across D1.


Dobrador de tensão


Multiplicador de tensão


Lógica a diodo

Figure 3.5 Diode logic gates: (a) OR gate; (b) AND gate (in a positive-logic system).


John John BardeenBardeen, Walter , Walter

Houser Houser BrattainBrattain, e William , e William

Bradford Bradford ShockleyShockley

receberam o prêmio Nobel receberam o prêmio Nobel

de física em 1956.de física em 1956.

Transistor bipolar de junção

1947:1947:Bell LabsBell Labs



http://www.porticus.org/bell/belllabs_transistor.html


Variando-se a corrente entre a “Variando-se a corrente entre a “basebase” e o “” e o “emissoremissor”, com um ”, com um sinalsinal, pode-se variar , pode-se variar o fluxo de corrente entre o o fluxo de corrente entre o emissoremissor e um terceiro terminal, o “ e um terceiro terminal, o “coletorcoletor”, causando ”, causando por exemplo a amplificação do sinal nesse terminal. por exemplo a amplificação do sinal nesse terminal.

Transistores de junção bipolar podem ser pensados como Transistores de junção bipolar podem ser pensados como fontes controladasfontes controladas. .




iiEE ≈ ≈ iiCC iiCC

iiB B <<<< iiCC



ModoModo EBJEBJ CBJCBJ

CorteCorte ReversaReversa ReversaReversa

AtivoAtivo DiretaDireta ReversaReversa

Ativo reversoAtivo reverso ReversaReversa DiretaDireta

SaturaçãoSaturação DiretaDireta DiretaDireta

Modos de operação :

NPN :


Transistor NPN

Modo ativo

Profiles of minority-carrier concentrations in the base and in the emitter of an npn transistor operating in the active mode: vBE > 0 and vCB ≥ 0.

fortemente dopado

levemente dopado

iC = α iE = IS exp(vBE /VT) ≈ iE (n ≈ 1)

onde: α = [β /(β +1)],

A corrente do coletor é, em princípio, independente do valor da tensão do coletor, VCB , enquanto a junção coletor-base permanecer polarizada reversamente.

No modo ativo: coletor ≅ fonte de corrente dependente.

Corrente no coletor: iC = β iB

β = 100 a 200, tipicamente.

Modelo deprimeira ordem.


Transistor NPN

Large-signal equivalent-circuit models of the npn BJT operating in the forward active mode. OBS: αF ≡ α

Modelo de circuito equivalente (modo ativo)



Bipolar transistors have five distinct regions of operation, defined mostly by applied bias:

1. Forward-active (or simply, active): The emitter-base junction is forward biased and the base-collector junction is reverse biased. The collector-emitter current is approximately proportional to the base current, but many times larger, for small base current variations.

2. Reverse-active (or inverse-active or inverted): By reversing the biasing conditions of the forward-active region, a bipolar transistor goes into reverse-active mode. In this mode, the emitter and collector regions switch roles. Since most BJTs are designed to maximize current gain in forward-active mode, the β f in inverted mode is several (2 - 3 for the ordinary germanium transistor) times smaller. This transistor mode is seldom used, usually being considered only for failsafe conditions and some types of bipolar logic. The reverse bias breakdown voltage to the base may be an order of magnitude lower in this region.

3. Saturation: With both junctions forward-biased, a BJT is in saturation mode and facilitates high current conduction from the emitter to the collector. This mode corresponds to a logical "on", or a closed switch.

4. Cutoff: In cutoff, biasing conditions opposite of saturation (both junctions reverse biased) are present. There is very little current flow, which corresponds to a logical "off", or an open switch.

5. Avalanche breakdown region

While these regions are well defined for sufficiently large applied voltage, they overlap somewhat for small (less than a few hundred millivolts) biases.


Transistor NPN

Modelo de circuito equivalente (modo ativo reverso)

Model for the npn transistor when operated in the reverse active mode (i.e., with the CBJ forward biased and the EBJ reverse biased).



Estrutura de transistores reais


Transistor PNP

Current flow in a pnp transistor biased to operate in the active mode.


Transistor PNP

Large-signal model for the pnp transistor operating in the active mode.



Símbolos e convenções



Exemplo :


BJT – Curvas características

Características elétricas

The iC – vBE characteristic for an npn transistor.




Effect of temperature on the iC – vBE characteristic. At a constant emitter current (broken line), vBE changes by –2 mV/°C.




The iC – vCB characteristics of an npn transistor.


BJT – Efeito Early


1. A dependência de iC com vBE é a conhecida: iC = IS exp(vBE /VT)

2. A dependência de iC com vCB é praticamente nenhuma, sendo que iC = α iE

3. A dependência de iC com vCE é o conhecido efeito Early:

iC = IS exp(vBE /VT) (1 + vCE /VA)

onde, VA ≈ 50 a 100 V


BJT como amplificador

O transistor como amplificador Condições de polarização cc :

Corrente de coletor e transcondutância :



O transistor como amplificador


Resistência de entrada da base


Relação entre a resistência de entrada na basee a resistência de entrada do emissor :



Graphical determination of the signal components vbe, ib, ic, and vce when a signal component vi is superimposed on the dc voltage VBB


BJT – Modelos para pequenos sinais

Modelos para pequenos sinais: Modelo π-híbrido

Two slightly different versions of the simplified hybrid-π model for the small-signal operation of the BJT. The equivalent circuit in (a) represents the BJT as a voltage-controlled current source (a transconductance amplifier), and that in (b) represents the BJT as a current-controlled current source (a current amplifier).



Modelos para pequenos sinais: Modelo T

Two slightly different versions of what is known as the T model of the BJT. The circuit in (a) is a voltage-controlled current source representation and that in (b) is a current-controlled current source representation. These models explicitly show the emitter resistance re .



Modelo π-híbrido com efeito Early

r0 = VA / IC , onde IC é a corrente cc do coletor. Também, vπ = vbe


BJT – Esquemas básicos de polarização

POLARIZAÇÃO: usando uma fonte de alimentação simples :

Também, para que IE fique insensível às variações de temperatura:

Thévenin



POLARIZAÇÃO: usando duas fontes de alimentação (flexível e eficaz) :

Biasing the BJT using two power supplies. Resistor RB is needed only if the signal is to be coupled to the base. Otherwise, the base can be connected directly to ground, or to a grounded signal source, resulting in almost total β-independence of the bias current.



POLARIZAÇÃO: arranjo alternativo, com resistor de retorno (simples e eficaz) :

A common-emitter transistor amplifier biased by a feedback resistor RB.

(apropriado para amplificadores na configuração emissor comum)



Polarização por fonte de corrente

(a) A BJT biased using a constant-current source I.


BJT – Modelo para grandes sinais

iDE=I SEev BE /V T−1

Modelo de Ebers-Moll

The Ebers-Moll (EM) model of the npn transistor.

• Descreve o TBJ em qualquer modo de operação.

• É a base do modelo do TBJ usado no SPICE.

• Modelo para baixas freqüências.

iDC= I SCe v BC /V T−1

sendo que,ISC ≈ 2 ISE a 50 ISE

αF ISE = αR ISC = IS

OBS: αF = alfa direto ; αR = alfa reverso


BJT – SPICE

O modelo do SPICE para TBJ

The SPICE large-signal Ebers-Moll model for an npn BJT.


BJT – SPICE

O modeloO modelodo do SPICESPICEpara opara o BJTBJT


Design de amplificadores BJT: Emissor Comum

Amplificador BJTAmplificador BJT emissor comum emissor comum

Amplificadores BJT de emissor comum têm geralmente um ganho alto.

Tensão de sinal no coletor:

vc = -Rc ic = -Rc gm vbe

Ganho de tensão:

Av = vc / vbe = - gm Rc

Tensão de sinal no coletor:

vc = -Rc ic = -Rc gm vbe

Ganho de tensão:

Av = vc / vbe = - gm Rc

Obs.: vbe = vsigObs.: vbe = vsig



Amplificador BJTAmplificador BJT emissor comum emissor comum

Instabilidade é um problema associado a circuitos de alto ganho, devido a realimentações positivas que possam ocorrer.

Outro problema é a pequena faixa dinâmica de entrada (pelo limite de pequeno-sinal, vbe < 10mV) ⇒ leva a distorções!!

Obs.: uma maneira comum de atenuar estes problemas é o uso de feedback negativo, principalmente na forma de degenerescência do emissor (próximo slide).

Obs.: no exemplo, suponha a fonte de sinal com resistência série igual a 4 kΩ




Amplificador BJTAmplificador BJT emissor comum degenerado emissor comum degenerado

Uma maneira comum de atenuar os problemas de instabilidade de alto ganho e pequena faixa dinâmica de entrada é o uso de degenerescência do emissor .


Degenerescência do emissor: (Re1 ≠ 0)

(surgirá um novo valor de tensão vbe ≠ vsig)

vbe = vsig - ic Re1 = vsig - gm vbe Re1 (feedback negativo)

⇒ vsig = vbe (1 + gm Re1 ) (obs.: gm = ic / vbe = IC / VT)

A nova transcondutãncia efetiva será: gm* = ic / vsig

gm* = ic / vbe (1 + gm Re1 ) = gm / (1 + gm Re1 )

Novo ganho em tensão: Av = - gm Rc / (1 + gm Re1 ) ≈ -Rc / Re1

Degenerescência do emissor: (Re1 ≠ 0)

(surgirá um novo valor de tensão vbe ≠ vsig)

vbe = vsig - ic Re1 = vsig - gm vbe Re1 (feedback negativo)

⇒ vsig = vbe (1 + gm Re1 ) (obs.: gm = ic / vbe = IC / VT)

A nova transcondutãncia efetiva será: gm* = ic / vsig

gm* = ic / vbe (1 + gm Re1 ) = gm / (1 + gm Re1 )

Novo ganho em tensão: Av = - gm Rc / (1 + gm Re1 ) ≈ -Rc / Re1


Design de amplificadores BJT: Base Comum

Amplificador BJTAmplificador BJT base comum base comum

=


Este arranjo é utilizado menos que as outras configurações (em circuitos de baixa frequência), porém é comumente utilizado para amplificadores que requerem uma baixa impedância de entrada.

Como por exemplo temos o pré-amplificador de microfones com bobina móvel.


Design de amplificadores BJT: Coletor Comum

Amplificador BJTAmplificador BJT coletor comum coletor comum (seguidor de emissor)(seguidor de emissor)


O circuito coletor comum possui um ganho de tensão muito próximo da unidade, significando que os sinais em CA que são inseridos na entrada serão replicados quase igualmente na saída, assumindo que a carga de saída não apresente dificuldades para ser controlada pelo transistor.

O circuito possui um ganho de corrente típico que depende em grande parte do hFE (ou parâmetro β ) do transistor.


Design de amplificadores BJT: Darlington

Par Par DarlingtonDarlington

Na eletrônica, o transistor Darlington é um dispositivo semicondutor que combina dois transístores bipolares no mesmo encapsulamento (as vezes chamado “par Darlington”).

A configuração (originalmente realizada com dois transistores separados) foi inventada pelo engenheiro Sidney Darlington dos Laboratorios Bell.

Esta configuração serve para que o dispositivo seja capaz de proporcionar um grande ganho de corrente (hFE ou parâmetro β do transistor)

Um dispositivo típico tem um ganho de corrente de 1000 ou superior. Comparado a um transistor comum, a tensão base-emissor também é maior: consiste da soma das tensões base-emisor, e para transistores de silicio é superior a 1,2V.

Darlington pairs are available as integrated packages or can be made from two discrete Darlington pairs are available as integrated packages or can be made from two discrete transistors.transistors.


Design de amplificadores BJT: Cascata & Cascode

AmplificadorAmplificador cascode cascode(combina emissor comum e base comum)(combina emissor comum e base comum)No exemplo, suponha a fonte de sinal com resistência série igual a 4 kΩ

Amplificador Amplificador cascata cascata coletor comum – emissor comumcoletor comum – emissor comum

The cascode arrangement offers high gain, high stability, and high input impedance.


A conceptually similar structure was proposed and patented independently by Julius Edgar Lilienfeld (1930) and Oskar Heil (1935), but was not successfully demonstrated until 1960.

Transistor de efeito de campo

O transistor de efeito de campo (TEC ou FET) é O transistor de efeito de campo (TEC ou FET) é de grande importância tecnológica atualmente.de grande importância tecnológica atualmente.

Enquanto nos transistores bipolares o sinal Enquanto nos transistores bipolares o sinal de saída é controlado por uma de saída é controlado por uma correntecorrente de de entrada, nos FETentrada, nos FETss ele é controlado por uma ele é controlado por uma tensãotensão de entrada. de entrada.

São fáceis de produzir, usam menos silício, São fáceis de produzir, usam menos silício, consomem praticamente nenhuma corrente.consomem praticamente nenhuma corrente.

Apresentam entretanto menor produto ganho-Apresentam entretanto menor produto ganho-banda passante que nos BJT.banda passante que nos BJT.

1960 : Dawon Kahng and Martin Atalla at Bell Labs



EXEMPLO 1: JFET

Entre S e D, o semicondutor tipo-N age como um resistor.

O fluxo de corrente consiste de portadores majoritários (elétrons).

Modulando-se a tensão em G, modula-se a corrente no dispositivo.

Como a junção G é polarizada reversamente, e como nenhum portador minoritário contribui para o fluxo de corrente no dispositivo, a impedância de entrada é extremamente alta (mega-ohms).

EXEMPLO 2: IGFET

O transistor FET de porta isolada (IGFET) difere do JFET pela adição de uma camada de material dielétrico sob a entrada G.

O resultado é um dispositivo com impedância de entrada ainda maior.

Dispositivos usualmente empregando essa estratégia são os MOSFETs (metal oxide - field effect transistors).

Eles atingem impedâncias de entrada da ordem de 1015 ohms.

É o tipo mais simples de FET. regiões de depleção

É o tipo mais usado de FET.



Diferente do transistor de junção bipolar, o transistor de efeito de campo é um dispositivo de alta impedância.

(a tecnologia de semicondutores para a construção dos FETs só aparece no início dos anos 50)

Alguns tipos principais de FETs :


FET

IB = β -1 IS exp(vBE /VT)

99% dos ICs são feitos de FETsQual seria a corrente total de entrada, consumida se nossos

atuais chips, com ~109 transistores, fossem implementados com BJTs ? (assumindo uso simultâneo de 100% destes)

?

MESFET and JFET applications


JFET

JFET = JFET = junction FET junction FET (junção PN)(junção PN) símbolos:

fontefonte

(source)(source)

drenodreno

(drain)(drain)

porta porta (gate)(gate)+

+

VDS

VGS

I

regiões de depleção

p

p

canal n

estrutura geral (exemplo):


JFET

ATENÇÃO: Correntes ATENÇÃO: Correntes diretasdiretas acima de 10mA podem acima de 10mA podem

queimar o JFET !queimar o JFET !


MESFET


JFET

JFET : curvas características

região linear região de saturação ruptura

Veja também: animação N-channel JFET

http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/jfet.html


JFET

JFET : curvas características

configuração-base: fonte comum

vDS

-vGS


JFET

Common Source JFET Amplifier

A configuração mais freqüentemente encontrada para um amplificador JFET é o circuito de fonte comum.

A fonte é comum (apenas) para (o sinal de) a entrada e a saída, como mostrado no diagrama, pois a polarização é realizada usando-se apenas uma fonte de tensão (VDD).

Nesse circuito, valem as expressões da página anterior.


JFET

Exemplo: amplificador JFET (fonte comum)

VG = 0VS =ID RS = 1000 ID

RD

RS

RRoutout

VGS = -ID ; (ID em mA)

JFET 2N5486 ⇒ VP ≈ -4,2 V ; Assim: VDS ≥ VGS + |VP| .

JFET 2N5486 (fonte comum) ⇒ IDSS ≈ 45 mA

Assim: ID = IDSS [ 1 + VGS / |VP| ]2 = 45 [ 1 - ID / 4,2 ]2 ≅ 3,1 mA

Transcondutância:

gm = 2(IDSS / |VP|).[ 1 + VGS / |VP| ]

= 21,5.[0,262] ≈ 5,6 mA / V

Sinal: vm = 100 mV

id = 5,6 . 0,1 = 0,56 mA

Efeito em VD :

vd = 2k . 0,56m = 1,12 V

Ganho em tensão é ~1,12 / 0,1 = 11,2

Ou seja, na região de saturação: RCanal ≳ 1 kΩ


Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET)

O MOSFET é um tipo de transistor de efeito de campo O MOSFET é um tipo de transistor de efeito de campo de de porta isoladaporta isolada (IGFET). (IGFET).

MOSFET

Usually the semiconductor of choice is silicon, but some chip manufacturers, most notably IBM, have begun to use a mixture Usually the semiconductor of choice is silicon, but some chip manufacturers, most notably IBM, have begun to use a mixture of silicon and germanium (SiGe) in MOSFET channels. Unfortunately, many semiconductors with better electrical properties of silicon and germanium (SiGe) in MOSFET channels. Unfortunately, many semiconductors with better electrical properties than silicon, such as gallium arsenide, do not form good gate oxides and thus are not suitable for MOSFETs.than silicon, such as gallium arsenide, do not form good gate oxides and thus are not suitable for MOSFETs.

Quando uma Quando uma tensãotensão é aplicada entre o é aplicada entre o gategate e o e o substrato (ou o substrato (ou o sourcesource), o campo elétrico gerado cria um ), o campo elétrico gerado cria um canal de inversãocanal de inversão no semicondutor abaixo. no semicondutor abaixo.

O canal de inversão é do mesmo tipo que O canal de inversão é do mesmo tipo que sourcesource e e draindrain, provendo um duto pelo qual a corrente pode , provendo um duto pelo qual a corrente pode passar. Variando-se a tensão entre passar. Variando-se a tensão entre gategate e o substrato, e o substrato, modula-se a condutividade desta camada e torna-se modula-se a condutividade desta camada e torna-se possível controlar o fluxo de corrente entre possível controlar o fluxo de corrente entre draindrain e e sourcesource. .

The "metal oxide" in MOS comes from the first devices that used a The "metal oxide" in MOS comes from the first devices that used a metal gate over oxide (silicon dioxide). Subsequently, poly-crystalline metal gate over oxide (silicon dioxide). Subsequently, poly-crystalline silicon was used for the gate, but MOS was never renamed.silicon was used for the gate, but MOS was never renamed.


Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET)

O MOSFET pode ser do O MOSFET pode ser do tipo depleçãotipo depleção ou do ou do tipo enriquecimentotipo enriquecimento..

MOSFET

by far the most common field-effect transistor in both digital and analog circuits.

S, B S, B

NMOS depleção (canal fisicamente implantado)

BB

NMOS enriquecimento

BB


NMOS tipo enriquecimento

Physical structure of the enhancement-type NMOS transistor: (a) perspective view; (b) cross-section. Typically L = 0.1 to 3 mm, W = 0.2 to 100 mm, and the thickness of the oxide layer (tox) is in the range of 2 to 50 nm.

É o mais usado !É o mais usado !



The enhancement-type NMOS transistor with a positive voltage applied to the gate. An n channel is induced at the top of the substrate beneath the gate.

Tensão de limiar: Vt ≈ 1 a 3 V



The iD–vDS characteristics of the considered MOSFET when the voltage applied between drain and source, vDS, is kept small. The device operates as a linear resistor whose value is controlled by vGS.



Operation of the enhancement NMOS transistor as vDS is increased. The induced channel acquires a tapered shape, and its resistance increases as vDS is increased. Here, vGS is kept constant at a value > Vt .

The drain current iD versus the drain-to-source voltage vDS for an enhancement-type NMOS transistor operated with vGS > Vt.



Na região de triodo:

iD=K [ 2 vGS−V t v DS−v DS2 ]

Na região de saturação (aproximado):

iD≈K vGS−V t 2

onde:

K=12 μn COX WL

Sendo:

µn = mobilidade de elétrons no canal (cm2 / V s)

COX = capacitância por unidade de área (porta-canal)

L é o comprimento do canal e W sua largura.

k’n = µnCOX = parâmetro de

transcondutância do processo



símbolo simplificado para o NMOS com substrato conectado à fonte

O MOSFET é um dispositivo simétrico.

Designa-se um terminal como fonte e outro como dreno por conveniência.G

Efeito de corpo:

V t=V t0γ [2φ f V SB−2φ f ]onde: γ ≈ 0,5 V1/2 e φf ≈ 0,6 V

Efeitos da temperatura: Vt diminui cerca de 2 mV para cada °Ck’ diminui com a temperatura (efeito dominante)⇒ assim, iD diminui com a temperatura.

Modelo equivalente na região de saturação:



Modulação do comprimento do canal:

O ponto de estrangulamento do canal se move do dreno para a fonte, com o aumento de vDS.

iD=K vGS−V t 2 1 λv DS

Assim:

Effect of vDS on iD in the saturation region. The MOSFET parameter VA depends on the process technology and, for a given process, is proportional to the channel length L.

⇒ Efeito similar ao Early

λ ≈ 0,005 a 0,03 V-1

VA ≈ 30 a 200 V



Large-signal equivalent circuit model of the n-channel MOSFET in saturation, incorporating the output resistance ro = VA / ID. The output resistance models the linear dependence of iD on vDS .


PMOS tipo enriquecimento

Positive Channel Metal Oxide Semiconductor

O MOSFET tipo enriquecimento canal p (PMOS) é fabricado sobre um substrato tipo n com regiões p+ para o dreno e a fonte, e nesse caso as lacunas são os portadores de carga.

O dispositivo opera do mesmo modo que o NMOS, exceto que as tensões vGS e vDS são negativas, e a tensão de limiar Vt é negativa ⇒ região de saturação: vDS ≤ vGS - Vt

Além disso, a corrente iD entra pelo terminal da fonte e sai pelo terminal do dreno.

OBS: NMOS é em geral menor, opera mais rápido e requer menor tensão de alimentação.

S

D

G B

S, B

D

G

S, B

D

G


NMOS x PMOS

SS


MOSFET como amplificador

Conceptual circuit utilized to study the operation of the MOSFET as a small-signal amplifier.

bias

;

;

tran

scon

dutâ

ncia

small signalsmall signal




Small signal:

Ganho em tensão:OBS :

VD > VGS – Vt (saturação)

vD < VDD (linearidade)



Small-signal models for the MOSFET: (a) neglecting the dependence of iD on vDS in saturation (the channel-length modulation effect); and (b) including the effect of channel-length modulation, modeled by output resistance ro = |VA| /ID.



Modelo com o efeito de corpo

Small-signal equivalent-circuit model of a MOSFET in which the source is not connected to the body.



Development of the T equivalent-circuit model for the MOSFET. For simplicity, ro has been omitted but can be added between D and S in the T model of (d).

Modelo T


Polarização de amplificadores MOS

Biasing using a fixed voltage at the gate, VG, and a resistance in the source lead, RS: (a) basic arrangement; (b) reduced variability in ID; (c) practical implementation using a single supply; (d) coupling of a signal source to the gate using a capacitor CC1; (e) practical implementation using two supplies.



Se Vt mudar para 1,5 V, teremos uma mudança em ID e por sua vez uma mudança em VGS .

ID = 0,5 (VGS – 1,5) 2 e 7 = VGS + 10 ID ⇒ ID = 0,445 mA (mudança de 9%)

Exemplo:

1. O circuito da figura ao lado deve apresentar uma corrente de dreno de 0,5 mA.

O MOSFET tem Vt = 1,0 V e K = 0,5 mA / V2. Assuma λ = 0 V-1.

2. Calcule também a mudança percentual em ID se Vt mudar para 1,5 V

• Escolha das tensões em RD, NMOS e RS : ⅓ de VDD para cada um.

VD = 10 V, ID = 0,5 mA ⇒ RD = 10 kΩ ; VS = 5 V, IS = 0,5 mA ⇒ RS = 10 kΩ

• Valor de VG : ID = K (VGS – Vt )2

0,5 = 0,5 (VGS – Vt )2 ⇒ (VGS – Vt )2 = 1

Assim, VGS = 2 V ; como VS = 5 V ⇒ VG = 7 V

• Para que VG = 7 V, podemos escolher : RG1 = 8 MΩ e RG2 = 7 MΩ



Biasing the MOSFET using a large drain-to-gate feedback resistance, RG.

(efeito estabilizador)



Fonte comum



Fonte comum com resistência de fonte



Porta comum


MOSFET tipo depleção

(a) Circuit symbol for the n-channel depletion-type MOSFET. (b) Simplified circuit symbol applicable for the case the substrate (B) is connected to the source (S).



The current-voltage characteristics of a depletion-type n-channel MOSFET for which Vt = –4 V and k’n(W/L) = 2 mA/V2:

(a) the iD–vGS characteristic in saturation ; (b) the iD–vDS characteristics.

(a) (b)



Sketches of the iD–vGS characteristics for MOSFETs of enhancement and depletion types, of both polarities (operating in saturation). Note that the characteristic curves intersect the vGS axis at Vt. Also note that for generality somewhat different values of |Vt| are shown for n-channel and p-channel devices.


MOSFET x BJT

MOSFETs x BJTs

MOSFET: Se ID ≈ 1 mA , k’n ≈ 20 µA / V2 , W / L ≈ 1 a 100 :

gm ≈ 0,2 mA / V a 2 mA / V

BJT: para IC ≈ 1 mA , gm ≈ 40 mA / V

Analog:

The bipolar junction transistor (BJT) has traditionally been the analog designer's transistor of choice.

Advantages of MOSFETs : low thermal runaway; linear region; can be formed into capacitors and inductors (complete analog circuits to be made on a silicon chip in a much smaller space).

Fabrication processes exist that incorporate BJTs and MOSFETs into a single device, these mixed-transistor devices are called Bi-FETs and BiCMOS.

Digital:

Success of the MOSFET : digital CMOS logic, which uses p- and n-channel MOSFETs as building blocks.

No current to flow, and thus no power to be consumed, except when the inputs to logic gates are being switched.

Over the past decades, the MOSFET has continually been scaled down in size; modern integrated circuits are incorporating MOSFETs with channel lengths of less than a tenth of a micrometer.


Modelo SPICE do MOSFET

O SPICE fornece três níveis de modelos para o MOSFET:

• O nível 1 é básico, e segue os modelos apresentados até aqui, neste curso.

• O nível 2 é um modelo fisicamente bastante elaborado.

• O nível 3 utiliza equações físicas e dados empíricos.



Exemplo 2


CMOS

Complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS)

A principal vantagem dos circuitos integrados CMOS é o baixíssimo consumo de energia, embora não sejam capazes de operar tão velozmente quanto circuitos integrados de outras tecnologias (MESFET, HEMT, HBT). Por causa disso, são largamente utilizados em calculadoras, relógios digitais, e outros dispositivos alimentados por pequenas baterias.

"CMOS" se refere a um estilo particular de projeto de circuitos integrados (chips), que usa NMOS e PMOS.

Duas características importantes de dispositivos CMOS são a alta imunidade a ruídos e o baixo consumo de potência.

CMOS é predominantemente usada para circuitos lógicos.

Potência é apenas Potência é apenas necessária quando os necessária quando os transistores estão mudando transistores estão mudando entre estados.entre estados.

Assim, dispositivos lógicos usando CMOS não produzem calor significativo.

CMOS também permite alta densidade de funções lógicas em um chip.


CMOS

Complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS)

CMOS é predominantemente usada para circuitos lógicos. CMOS permite alta densidade de funções lógicas em um chip.

Potência é apenas necessária quando os transistores estão mudando entre estados Potência é apenas necessária quando os transistores estão mudando entre estados (não produzem calor significativo)


CMOS

Cross-section of a CMOS integrated circuit. Note that the PMOS transistor is formed in a separate n-type region, known as an n well. Another arrangement is also possible in which an n-type body is used and the n device is formed in a p well. Not shown are the connections made to the p-type body and to the n well; the latter functions as the body terminal for the p-channel device.

Complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) : is a major class of integrated circuits.

Frank Wanlass at Fairchild Semiconductor (1963). Albert Medwin, RCA (1968).

CMOS technology is used in chips such as microprocessors, microcontrollers, static RAM, and other digital logic circuits. CMOS technology is also used for a wide variety of analog circuits such as image sensors, data converters, and highly integrated transceivers for many types of communication.

High noise immunity and low static power supply drain. Significant power is only drawn when its transistors are switching between on and off states.


FET - Resumo

FETFET

JFETJFETiG ≈ pA

MESFETMESFET ≈ 30 GHz

MOSFETMOSFETiG ≈ fA

enriquecimentoenriquecimento

depleçãodepleçãopouco usadopouco usado

NMOSNMOSmais usadomais usado

PMOSPMOS

Fonte comum

Região de saturação: VDS ≳ VGS + |VP| ;

VGS ≈ -1 V ; VP ≈ - 4,2 V ; RCanal ≳ 1 kΩ

Polarização: ID = IDSS [ 1 + VGS / |VP| ]2

Transcondutância: gm = 2(IDSS / |VP|).[ 1 + VGS / |VP| ] =

Fonte comum

Região de saturação:

VDS ≳ VGS - Vt ; Vt ≈ 1 a 3 V

Polarização:

ID ≈ K [ VGS - Vt ]2 ; K = ½ kp (W / L)

Transcondutância:

gm = 2K [ VGS - Vt ] ; ganho em tensão: Av ≡ -gm RD

Modulação do comprimento do canal: λMesmas expressões que o NMOS,

mas com |VGS|, |Vt|, |VDS |, |ID|, |λ|

eletronic a i

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