Transistores MOSFET. TE214 Fundamentos da Eletrônica Engenharia Elétrica

Transcrição

1 Transistores MOSFET TE214 Fundamentos da Eletrônica Engenharia Elétrica

2 Sumário Introdução Estrutura e Operação Física

3 Introdução Dispositivo semicondutor de três (3) terminais Aplicações: amplificadores de sinais, memórias, circuitos lógicos digitais Princípio básico: A tensão entre dois terminais controla o fluxo de corrente no terceiro terminal Amplamente utilizado em circuitos integrados (CIs)

4 Estrutura do MOSFET Estrutura física de um transistor NMOS tipo enriquecimento Tipicamente L varia entre 0,1 e 3 m e W entre 0,2 e 100 m. A espessura da camada de óxido (t ox ) é da ordem de 2 a 50 nm.

5 Operação com v G = 0 Há 2 diodos face a face em série entre dreno e fonte! Impedem a circulação de corrente do dreno para fonte quando v DS > 0V Este caminho tem alta resistência (10 12 )

6 Criando um Canal (v GS >0) As lacunas livres são repelidas (empurradas para baixo) do substrato na região da porta (G). A tensão positiva na porta (G) atrai elétrons das regiões n + para a região abaixo da porta (G) formando uma região n +.

7 Criando um Canal (v GS >0) Se v DS > 0, ocorre transporte de elétrons móveis por esta região. A região n + induzida forma um canal Logo, temos: MOSFET Canal n O valor de v GS para o qual o número suficiente de elétrons móveis se acumulam na região do canal para formar um canal de condução é: tensão de limiar (threshold voltage)(v t ). Normalmente 0,5V < V t < 1V

8 Aplicando uma Tensão v DS Pequena Se v DS 50mA, ocorre transporte de elétrons livres de S para D! A corrente i D circula pelo canal induzido. i D depende da densidade de elétrons no canal que depende de v GS A condutância do canal é proporcional a (v GS V t ). Como i G = 0, então i G = i S

9 Aplicando uma Tensão v DS Pequena Opera como uma resistência linear!

10 Operação com Aumento de v DS Mantemos v GS constante, sendo v GS > V t v DS aparece como uma queda de tensão na extensão do canal A tensão entre G e os pontos ao longo do canal diminui de v GS em S até (v GS v DS ) em D. Profundidade não uniforme!

11 Operação com Aumento de v DS Com o aumento de v DS o canal fica mais estreito. A curva i D x v DS não será mais linear! Se aumentamos v DS de modo que v GD = V t Canal estrangulado (pinched-off)

12 Operação com Aumento de v DS A partir deste ponto, o aumento de v DS não surte efeito. i D fica constante (satura!) v DS sat = v GS V t

13 Relação i D v DS na Região Triodo Região da porta e do canal formam um capacitor. Supondo v GS > V t e v DS >0 Camada de óxido é o dielétrico Capacitância: C ox t ox ox ox : permissividade do SIO 2 t ox : espessura do óxido

14 Relação i D v DS na Região Triodo A capacitância de uma porção infinitesimal da porta em x: C ox Wdx A carga eletrônica dq nesta porção é: dq ox Wdxv v( x V C ) GS t

15 Relação i D v DS na Região Triodo A tensão v DS produz um campo elétrico ao longo do canal. O campo elétrico faz dq se deslocar em direção ao dreno com velocidade: dx dt E( x) n n dv( x) dx n : mobilidade de elétrons no canal.

16 Relação i D v DS na Região Triodo A corrente resultante na região triodo: i D 2 C v V v v n ox W L GS t DS 1 2 DS

17 Relação i D v DS na Região de Saturação Na região de saturação temos: v DS v GS V t substituindo, obtemos a corrente na região de saturação: i D 1 2 C v V 2 n ox W L GS t

18 Relação i D v DS n C ox é uma constante determinada pela tecnologia do processo de fabricação. n C ox é chamado de parâmetro de transcondutância do processo k n C n ox i D W kn L i D 2 vgs Vt vds vds 1 W kn 2 L v V 2 GS t 1 2 (Triodo) (Saturação)

19 MOSFET Canal p É fabricado sobre um substrato tipo n com regiões p+ para dreno e fonte. Opera de maneira similar ao canal n, somente: v GS negativo v DS negativo V t negativo A corrente i D entra pela fonte e sai pelo dreno

20 CMOS (MOS Complementar)