semicondutores: e-mosfets

Semicondutores: Transistores – E-MOSFETs

10-04-2023 Por : Luís Timóteo 1

MOSFETs

Não concordo com o acordo ortográfico



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



Símbolos de Transistores


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

http://encyclobeamia.solarbotics.net/articles/transistor.html

http://encyclobeamia.solarbotics.net/articles/bip_junct_trans.html

http://encyclobeamia.solarbotics.net/articles/npn.html


http://encyclobeamia.solarbotics.net/articles/bip_junct_trans.html

http://encyclobeamia.solarbotics.net/articles/pnp.html


http://encyclobeamia.solarbotics.net/articles/jfet.html


http://encyclobeamia.solarbotics.net/articles/jfet.html


http://encyclobeamia.solarbotics.net/articles/mosfet.html









Enriquecimento Deplexão Enriquecimento Deplexão

MOSFETS de Enriquecimento e de Deplexão – Comparação de símbolos e canais




Transistores de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor MOSFET


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).



– 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).




Canal N

Canal P


G

D

STipo Enriquecimento

G

D

STipo Deplexão

D

Tipo Enriquecimento

G

S

G

D

STipo Deplexão




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





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


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).



Transistores MOSFETsEncapsulamentos….



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



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


Estrutura



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


Estrutura



+

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).


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



+



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


Análise para VGS 0V e VDS ≈ 0V



+VGS

+

n+ n+



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





+VGS

+

n+ n+


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.





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



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 .




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



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




n+ n+

S G DiS= iD

iG= 0

iD


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.


Análise para aumento de VDS




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)…!


Análise para aumento de VDS




n+ n+

S G D

B


Óxido (SiO2)Canal tipo n

induzido

Zona de Deplexão no Substrato

+++++++++++++

VGS

------------------------

+

n+ n+

S G D

B


Óxido (SiO2)

L

Zona de Deplexão no Substrato

VGS

VGS < VTVGS > VT

VDS 0


Sintetizando o Funcionamento

VDS 0




n+ n+

iS= iD

iG= 0

iD


S G D

B

n+ n+

iS= iD

iG= 0

iD


S G D

B

n+ n+

iS= iD

iG= 0

iD

S G D

B



Sintetizando o Funcionamento

VDS V(pequeno)

VDS = VGS–VT

VDS > VGS–VT




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)


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.




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


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)




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




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.


Transistores MOSFETsMOSFET de Enriquecimento canal n – Princípios de funcionamento



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.






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…




Descrição matemática do comportamento de um MOSFET -n


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!



Mas, primeiro, precisamos examinar alguns parâmetros físicos fundamentais, que definem o dispositivo MOSFET. Estes parâmetros incluem:

Descrição matemática do comportamento de um MOSFET


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.



Descrição matemática do comportamento de um MOSFET : Modos


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.



Descrição matemática do comportamento de um MOSFET : Modos


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?



Descrição matemática do comportamento de um MOSFET : Limites dos Modos


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).





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:





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





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:




Podemos agora construir uma expressão completa (contínua) relativas á corrente de Dreno iD, para tensões VDS e VGS.


Para um dispositivo PMOS:

Se

Se

Se

e

e





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



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.




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 )(')('




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


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



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'



Polarização :


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



53 7

ID (mA)

VGS (V)1 2 4 6 8

VT

0

Curvas Características


Curva de transferência e curvas características de Dreno típicas de um nMOS.




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.




P

G

S D

Análise da Capacidade: Capacitância da Gate


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



Análise da Capacidade: Resposta Dinâmica



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)






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.



Source: Mlynik and Leblebici

EPFL web-based course




Região Linear (Linear Region)

Transistores

Cut-off Saturated

LinearCGB

CGS

CGD

VTVT+VDS



Transistores

Análise da capacidade



SG

D

LComprimento do canal



Transistores

Análise da capacidade



SG

D

LComprimento do canalComprimento do canal

O Aumento de VDS afecta a região Dreno/Canal:Aumenta a barreira e a Deplexão.



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:


Análise da capacidade e o fluxo de correnteMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET (n) - Caracteristicas





Análise da capacidade e o fluxo de corrente



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



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






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









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 )(




Análise da capacidade e o fluxo de corrente


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 )(



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


Variação do potencial do Canal



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


Variação do potencial do Canal



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




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




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




)( 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 ()




Resistência de saída de Drain ro.


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





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 .





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.



)( mAID

DSV0



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!



Para um MODFET na Saturação.

Para um MODFET em modo Tríodo com VDS pequeno.


Resistência de saída de Drain ro/rDS.


As duas resistências são diferentes em muitas, muitas maneiras:




Resistência de Canal rDS


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.



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!




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!






“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



É evidente que iD2 não é directamente proporcional a VDS, mas sim proporcional a VDS ao quadrado!




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



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)!




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






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:



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:




para

e

para



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?




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.






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!



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


oxnn Ck ‘



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




Efeito da Corpo (body effect)-()


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.





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!



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:





Funcionamento do MOSFETs




Ve = 50cos(wt) mV

Vs

+2V

RD

+ 3,5V

20K

1

2

3

NMOS


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.



Ve = 50cos(wt) mV

Vs

+2V

RD

+ 3,5V

20K

1

2

3

NMOS


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 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



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



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



5

3

7

1

2

4

6

8

MOSFET de enriquecimento- E- MOSFET - Caracteristicas



-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.


Transistores MOSFETsMOSFET de enriquecimento- E- MOSFET - Caracteristicas

ID (mA)D-MOSFET(n)

ID (mA)D-MOSFET(p)




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.



Polarização :


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



Polarização : por Realimentação de Dreno


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





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.





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



VGS



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)



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



VGSQ

IDQ

ID (mA)

VGS (V)0 VG

VG

RS

Q

VT



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.





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





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





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



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.



Polarização :




JFET D-MOSFET E-MOSFET

Formulário: Comparações




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 .



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



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



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


Modelo de Alta frequência



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


Temos, vGS=VGS+vgs



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




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




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



Transistores MOSFETs : Como amplificador… Análise de pequemos sinais com circuito aberto


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 .



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




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




2k 3k

100k

10V

(t)vi (t)vo

10.005V K=0.4 mA/V2

VT=2.0V


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



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



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




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?




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.



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



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



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

||||

||

||



Rg2

VDD

Rs

RdRg1

VDD

Rg

VDD

Rs

VSS

Rd

Rg

VDD

Rd

Rg

VDD

Rd

Circuitos discretos:

Técnicas de polarização




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.



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.

http://www.google.pt/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=7E5HAsnVDXRu7M&tbnid=lLOsVMXXqtNW4M:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.compel.ru/lib/ne/2009/12/5-novoe-pokolenie-nizkovoltnyih-mosfet-tranzistorov-v-korpusah-so-8-pqfn-i-directfet/&ei=QUcaU4zuGciO7AahwoGoCQ&bvm=bv.62578216,d.ZGU&psig=AFQjCNHPLwqX-kIhLQmDpKZ7--rCYbSyeQ&ust=1394317459414389



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!....



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.



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.



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)



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



4N60B

G D S


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…



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 .


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.



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.

http://www.google.pt/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=u-iFEToWFQUQ6M&tbnid=1lWtwToaVVYV2M:&ved=0CAUQjRw&url=http://europlex.evonik.com/product/europlex/en/about/electrostatic-discharge/pages/default.aspx&ei=aspzU73YPOnn7AbtoIBo&bvm=bv.66699033,d.d2k&psig=AFQjCNEIHUifXPVRA_Yk0Kc5ADsNo5m5EA&ust=1400183737000133

http://www.google.pt/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=fsx_l90HINr9hM&tbnid=Psl01gCsE79YDM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.eetutorials.com/article/26/7/ElectroStatic-Discharge-(ESD)-Explained.html&ei=s8pzU77jKomHqgbC6YDoAw&bvm=bv.66699033,d.d2k&psig=AFQjCNEIHUifXPVRA_Yk0Kc5ADsNo5m5EA&ust=1400183737000133



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…



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




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.




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


MOSFET com extensão da Gate em trincheira

(EXTFET)

Drain

N+

N-P

N+Source

Body

Gate

Semicondutores de Potência: MOSFETs


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



PROFET

MOSFETDiagnostics

Short CircuitProtection

IntegratedCharge Pump

OverVoltage

Protection

Current Limit

OverTemperature

Protection

ReverseBattery

Protection

PROFETs: PROrected FETs MOSFETs: Outras estruturas…



HITFET

MOSFET

Diagnostics Requires external

components

Over Voltage Protection

Short CircuitProtection

Current Limit

OverTemperature

Protection

HITFETs: High Integration Temperature Protected FETs




Formulário: Como amplificador




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




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



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)


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.



Parâmetros n-MOSFET (D)

Formulário: MOSFETS Deplexão canal n


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



Equações n-MOSFET (D)Formulário: MOSFETS Deplexão canal n


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



Linear/Saturation Boundary Drain to Source Voltage TNGSDS VVV





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



http://web.itu.edu.tr/~ozayan/ele222/mosfeteqs1d.pdf





Parâmetros p-MOSFET (D)

Formulário: MOSFETS Deplexão canal p


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



Equações p-MOSFET (D)



Cut-off Mode Drain current 0ID Gate to Source Voltage TPGS VV


Linear Mode

Linear Drain Current(|VDS|<1V)

DSTPGSpD VVVL

WkI ).(

Triode Drain Current ]/).[( 2 2VVVVL

WkI DSDSTPGSpD



Saturation Mode

Drain Current2

TPGSpD VVL

WkI ).(


TPGSpD V1VVL

WkI

Gate to Source Voltage TPGS VV

Gate to Drain Voltage TPGD VV

Linear/Saturation Boundary Drain to Source Voltage TPGSDS VVV






Transcondutance [A/V] ).( TPGSpm VVg

Transcondutance [A/V] Dpm IL)(W2kg ./

Transcondutance [A/V]TPGS

Dm VV

2Ig




2C


0

SB

sb0sb

V

V

CC

10

SB

db0db

V

V

CC

1


mT CC2

gf



Parâmetros n-MOSFET (E)

Formulário: MOSFETS Enriquecimento canal n


Process parameter [A/V2] OXnn Ck

L

Wknn .Current Gain [A/V2]

Early Voltage

AV

1

Body Effect Parameter [ V] OXa CqN /2


OOXOX t

KC

Threshold Voltage fSBfTOTN VVV 22

Depletion n-MOSFET Threshold Voltage

0TNV



Equações n-MOSFET (E)


Cut-off Mode Drain current 0ID Gate to Source Voltage TNGS VV


Linear Mode

Linear Drain Current(VDS<1V)

DSTNGSnD VVVL

WkI ).(

Triode Drain Current ]2/).[( 2DSDSTNGSnD VVVV

L

WkI



Saturation Mode

Drain Current2

TNGSnD VVL

WkI ).(


TNGSnD V1VVL

WkI



Linear/Saturation Boundary Drain to Source Voltage TNGSDS VVV

Formulário: MOSFETS Enriquecimento canal n



Formulário: MOSFETs Enriquecimento canal n



Transcondutance [A/V] ).( TNGSnm VVg

Transcondutance [A/V] Dnm IL)(W2kg ./

Transcondutance [A/V]TNGS

Dm VV

2Ig




2C


0

SB

sb0sb

V

V

CC

10

SB

db0db

V

V

CC

1


mT CC2

gf




Formulário: MOSFETs Enriquecimento canal n




Parâmetros p-MOSFET (E)

Formulário: MOSFETs Enriquecimento canal p


Process parameter [A/V2] OXpp Ck

L

Wk pp .Current Gain [A/V2]

Early Voltage

AV

1

Body Effect Parameter [ V] OXd CqN /2


OOXOX t

KC

Threshold Voltage fSBfTOTP VVV 22



Equações p-MOSFET (E)


Cut-off Mode Drain current 0ID Gate to Source Voltage TPGS VV


Linear Mode

Linear Drain Current(|VDS|<1V)

DSTPGSpD VVVL

WkI ).(

Triode Drain Current ]/).[( 2 2VVVVL

WkI DSDSTPGSpD



Saturation Mode

Drain Current2

TPGSpD VVL

WkI ).(


TPGSpD V1VVL

WkI

Gate to Source Voltage TPGS VV

Gate to Drain Voltage TPGD VV

Linear/Saturation Boundary Drain to Source Voltage TPGSDS VVV






Transcondutance [A/V] ).( TPGSpm VVg

Transcondutance [A/V] Dpm IL)(W2kg ./

Transcondutance [A/V]TPGS

Dm VV

2Ig




2C


0

SB

sb0sb

V

V

CC

10

SB

db0db

V

V

CC

1


mT CC2

gf





Transistores MOSFETsFormulário: MOSFETs Enriquecimento canal p



Transistores MOSFETsFormulário: Tipos de MOSFETs



Dúvidas?



OBRIGADO PELA ATENÇÃO !...



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/

semicondutores: e-mosfets

Technology