Transistor de Efeito de
Campo de Porta Isolada
MOSFET - Revisão
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ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
NMOS: estrutura física
•
•
•
NMOS → substrato tipo P
Dispositivo simétrico
Dispositivo de 4 terminais
– Porta, Dreno, Fonte e
Substrato (gate, drain, source
e Bulk)
Tipicamente:
• L = 0,065 até 10 µm,
• W = 0,1 atéo 100 µm
• Espessura da camada de óxido (tox) é na faixa
de 2 a 50 nm.
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Simbologia e terminais do MOSFET
Símbolos MOS
TERMINAIS
G: porta (gate)
S: fonte (source)
D: dreno (drain)
Símbolos PMOS
B: substrato (bulk)
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Funcionamento
Sem potenciais aplicados (VGS = 0)
•as regiões de dreno e fonte (tipo N)
formam junções (diodos) com a
região de substrato (tipo P)
•envolvendo cada uma das junções
surgem zonas de depleção
(elétrons livres da região N
atravessam a interface e preenchem
as lacunas livres da região P,
fazendo com que não sobrem cargas
livres nessa região)
•como a concentração de dopantes
das regiões de dreno e fonte é muito
maior que a do substrato, a região
de depleção para dentro de dreno e
fonte é muito pequena
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Funcionamento - depleção
Pequeno potencial aplicado (VGS < Vt)
•o potencial VGS aplicado entre porta
e substrato atrai elétrons livres e
afasta lacunas livres da interface
óxido-substrato: surge uma região
de depleção entre a interface e o
substrato, ligando as regiões de
depleção das junções
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Funcionamento - inversão
Aumento do potencial aplicado (VGS > Vt): condição de inversão
•se o potencial VGS aumentar, a
concentração de elétrons livres
aumenta na interface óx-subs
•quando a concentração de elétrons
livres for maior que a de lacunas fixas
(dopantes) ocorre a condição de
INVERSÃO
•em inversão há o surgimento de um
“canal” de material tipo N induzido
entre dreno e fonte
•o valor de VGS em que ocorre a
inversão é chamado de potencial de
threshold (Vt)
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Polarização de MOSFETs
• Regiões de operação:
– Nível de inversão: tem relação com a densidade de
carga de inversão (portadores) que é formada na
superfície do substrato e que compõe o “canal” entre
dreno e fonte. Esta carga é induzida devido ao efeito
“capacitor MOS”, estando relacionada à polarização
VGS (ou VGB). Divide-se em 3 níveis: fraca (WI),
moderada e forte (SI).
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Polarização de MOSFETs
• Regiões de operação:
– Condição de saturação: tem relação com a
deformação do canal, provocada pela diferença de
potencial aplicada entre dreno e fonte. Em SI, quando
o potencial VDS for superior a VGS-VT, ocorre o
estrangulamento do canal, o que provoca o aumento
súbito da impedância entre dreno e fonte. Divide-se
em 2 regiões: “linear” (ou ôhmica ou triodo) e
saturação.
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Funcionamento – região ôhmica
Operação do Canal Induzido na Região Ôhmica
• vGS > Vt
• vDS pequeno (vDS < vGS – Vt’ )
• Dispositivo funciona como
um resistor controlado por vGS
• A condutância do canal é
proporcional a vGS – Vt’
• A corrente iD é proporcional
a (vGS – Vt) vDS
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Região ôhmica – iD x vDS
Resistor linear controlado por vGS
Condição: vDS deve ser mantido pequeno (vDS << vGS – Vt )
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Região ôhmica – canal gradual
Dependência de Rcanal em VDS
• Aumentando vDS:o nível de inversão
varia ao longo do canal, como
resultado da diferença de potencial
entre a posição no canal e o terminal
de porta
• O canal assume uma forma gradual.
• A resistência do canal aumenta com
o aumento de vDS.
•o comportamento iD x vDS passa a ser
não-linear
(vGS é mantido constante em um valor
tal que vGS – vDS > Vt ))
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Região ôhmica – canal gradual
Dependência de Rcanal em VDS
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Saturação do canal
Saturação do canal:
• Redução da condutividade local em função de vDS
• Quando vDS = vGS – Vt, o canal “descola-se” do dreno
(pinch-off)
• Aumento vDS acima de vGS – Vt tem pouco efeito na forma
do canal (corrente passa a ser independente de vGS )
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Saturação - iD x vDS
Curva completa iD x vDS : saturação do canal
vGS > Vt
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Polarização de MOSFETs
MOS: comportamento iD x vDS
SI:
WI:
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Polarização de MOSFETs
MOS: iD x vGS em saturação e inversão fraca (WI)
Saturação: VDS ≥ 4φt φt = kT / q
V
W
I D = I D 0 exp GS
L
 nφt



Id [A]
SI
n ≅ 1,1 → 1,6; (tip.1,3)
Vsub= 0 V
Vsub= -2,5 V Vsub= -5 V
WI
Vds= 2V
Vgs [V]
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Polarização de MOSFETs
MOS: iD x vGS erros nas aproximações de WI e SI
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MOSFET
Modelos
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Modelagem de Dispositivos MOS
Comportamento Físico versus Modelo Analítico :
– o conhecimento do comportamento físico de um
dispositivo é essencial no desenvolvimento de
circuitos
– modelo é uma representação matemática que se
comporta de forma parcialmente análoga a um
sistema físico real
– o comportamento físico é relacionado ao modelo
através de parâmetros elétricos extraídos
experimentalmente
– o projeto de circuitos eletrônicos depende do modelo
dos dispositivos utilizados:
• modelos simples (e imprecisos) para cálculo analítico (à
mão)
• modelos complexos (e precisos) para simulação elétrica
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Modelagem de Dispositivos MOS
O modelo de um dispositivo consiste de equações,
circuitos equivalentes e parâmetros que representam
seu comportamento elétrico.
– Modelo de grandes sinais:
•
•
•
•
Modelos não-lineares (dispositivos não-lineares)
Modelos estáticos: comportamento DC
Modelos dinâmicos: comportamento AC (Capacitâncias)
Efeitos de segunda ordem: efeito de corpo, modulação do
comprimento de canal, efeitos de canal curto, subthreshold...
• Componentes parasitas externos: L, R e C.
– Modelo de pequenos sinais: modelo linearizado
(incremental)
– Modelo de ruído
– Efeito da temperatura (modelo térmico)
– Outros...
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Modelo Analítico Simples
NMOS: curva completa iD x vDS
VDS < VGS − Vt
Triodo:
I D = kn'
W
L
1 2 

(VGS − Vt )VDS − 2 VDS 
k’n (W/L) = 1.0 mA/V2.
Saturação: VDS ≥ VGS − Vt
ID =
1 'W
2
k n (VGS − Vt )
2 L
k n' = µ nCox
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NMOS em Saturação
NMOS: curva iD x vGS em saturação
Saturação: VDS ≥ VGS − Vt
ID =
Vt = 1 V, k’n W/L = 1.0 mA/V2
1 'W
2
k n (VGS − Vt )
2 L
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Modelo para Grandes Sinais
Transistor NMOS
Modelo para grandes sinais em saturação
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Tensões nos Terminais
Transistor MOS
Níveis relativos de tensão entre os terminais
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Condutância de Saída
Efeito de modulação do comprimento efetivo do canal
em função de vDS , em saturação
Aumentando vDS além de vDSsat causa o distanciamento do ponto
de pinch-off em relação ao dreno, reduzindo o comprimento efetivo
do canal por ∆L.→ pequena variação de iD com vDS .
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Condutância de Saída
Dependência de iD com vDS: o efeito Early
VA: tensão de Early
ro ≅
VA
I DQ
• O parâmetro VA depende da tecnologia de processo.
• VA é proporcional ao comprimento do canal L.
• Quanto maior o L maior a impedância de saída.
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Condutância de Saída
NMOS: modelo para grandes sinais em saturação,
incluindo o efeito Early
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Transistor PMOS
PMOS: símbolos e polarização
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Transistor PMOS
PMOS: níveis relativos de tensão entre os terminais
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Resumo
NMOS
PMOS
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MOSFET
Polarização
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Modelos Grandes Sinais
MOS
PMOS
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Polarização
Região de Saturação:
ID =
VDS ≥ VGS − Vt
1 'W
2
kn (VGS − Vt )
2 L
VGS + RS I D= VSS
VDS < VGS − Vt
Região de Triodo:
I D = kn'
k n' = µ nCox
Tensão de Overdrive
VOVD = VGS − Vt
W
L
1 2

(VGS − Vt )VDS − 2 VDS 
VGS + RS I D= VSS
VDS = VDD + VSS − (RD + RS )I D
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Autopolarização
VDS = VGS
VDS > VGS − Vt
O transistor está sempre em
Saturação!
Região de Saturação:
ID =
1 'W
2
kn (VGS − Vt )
2 L
VGS + RI D= VDD
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Espelho de corrente
Necessita transistores IDÊNTICOS!!!
VGS 2 = VGS1
I D 2 ≅ I D1
Desde que ambos estejam saturados!
A corrente de dreno de Q2 é resultado da
corrente de dreno de Q1.
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Polarização na região de triodo
Dados:
VGS = VDD VDS = 0,1V
Supondo:
Vt = 1V
VDS < VGS − Vt
Calcular ID e RD . Estime rds.
Região de Triodo:
I D = kn'
W
L
1 2

(VGS − Vt )VDS − 2 VDS 
VGS = VDD
VDS = VDD − RD I D
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Estabilidade de ponto Q
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Estabilidade de ponto Q – Rs
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O inversor CMOS – push-pull
ível lógico “0” na entrada
Tensão intermediária na entrada
PMOS – O
MOS – OFF
ível lógico “1” na entrada
PMOS – OFF
MOS – O
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Modelos Simplificados
• Os modelos utilizados para o projeto e compreensão do
funcionamento do circuito são simples
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Modelos Elétricos - SPICE
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O MOSFET como
Amplificador
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Amplificador Básico
Amplificador Fonte Comum
Topologia Básica
Representação Gráfica da Reta de Carga
Determinação da Curva de Transferência
vO = vDS = VDD − RDiD
iD = f (vGS ) → saturado
iD = f (vGS , vDS ) → triodo
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Curva de Transferência
Determinação da Curva de Transferência
A curva de transferência
mostra a operação como
amplificador, com o
MOST polarizado no
Ponto Q.
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Reta de Carga
Influência da Reta de Carga na Excursão de Sinal
Ponto Q1 não deixa espaço
suficiente para excursão
positiva do sinal, muito
próximo de VDD
Ponto Q2 não deixa
espaço suficiente para
excursão negativa do
sinal, muito próximo
da região de Triodo.
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Pequenos Sinais
Circuito conceitual para estudo do modelo de pequenos sinais
Fonte de Sinal
Fonte de Polarização
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Pequenos Sinais
Aplicação de um sinal de entrada de 150 mVpp
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Pequenos Sinais
ID =
1 'W
2
kn (VGS − Vt )
2 L
gm =
dI D
dVGS
g m = k n'
W
(VGS − Vt ) = k n' W VOV
L
L
VOV – Tensão de overdrive
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Pequenos Sinais
Resposta de saída do amplificador Fonte Comum
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Pequenos Sinais
Tensões instantâneas vGS e vD no
circuito abaixo.
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Modelo para Pequenos Sinais
Modelo Simplificado
Modelo Extendido
Considerando o efeito de modulação do
comprimento do canal (EARLY) que é
modelado por ro = |VA| /ID
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