Relatório - Prática 3 - MOSFET

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1 Universidade Federal do ABC Relatório - Prática 3 - MOSFET Disciplina: EN2701 Fundamentos de Eletrônica Discentes: André Lucas de O. Duarte Douglas Nishiyama Felipe Jun Ichi Anzai Fernanda Silva Guizi Turma A1 Diurno Profa. Dra. Ariana Maria da Conceição Lacorte Santo André, 2013

2 Sumário 1. Introdução Objetivos Materiais e equipamentos Parte experimental e discussão Determinação do parâmetro de condutividade k', tensão de limiar Vt e levantamento da curva característica Id x Vds Amplificador Linear com polarização por divisor de tensão Porta lógica inversora Porta lógica inversora CMOS Conclusão Referências Bibliográficas

3 1. Introdução O transistor de efeito de campo metal-óxido semicondutor (MOSFET) é um dos dois tipos de dispositivos semicondutores de três terminais, junto com o transistor bipolar de junção (TBJ). Os MOSFETs são os dispositivos mais aplicados atualmente, principalmente no projeto de circuitos integrados, devido à sua capacidade de operação em baixa potência e a possibilidade de serem fabricados em dimensões muito pequenas. Além disso, ele é menos ruidoso que o TBJ e possui uma alta impedância de entrada, o que faz com que a constante de tempo do circuito seja muito grande, possibilitando o uso de MOSFET como dispositivo de memória. [1][2] A ideia do transistor de efeito de campo foi apresentada em 1925, pelo físico Julius Edgar Lilienfeld. Porém, somente em 1959 M. M. Atalla e Dawon Kahng, da Bell Laboratories desenvolveram o MOSFET. [3] A estrutura do MOSFET é composto por uma lâmina de silício tipo p, com duas regiões fortemente dopadas do tipo n difundidas no substrato tipo p. Essas regiões dopadas do tipo n recebem as nomenclaturas de fonte e dreno. A região entre a fonte e o dreno é coberta com uma camada de dióxido de silício e acima dela é depositado um metal, resultando assim no seu nome. São conectados terminais no metal acima do dióxido de silício, na fonte, no dreno e no substrato tipo p. Um esquema do MOSFET pode ser visto na Figura 1 [1] : Figura 1 Esquema do MOSFET Os MOSFETs possuem diversas aplicações na eletrônica analógica e digital, como amplificadores (quando operados na região de saturação), chave (quando operados na região de corte e triodo) e porta lógica inversora (CMOS). Essas aplicações do MOSFET serão analisadas no relatório a seguir. 2

4 2. Objetivos Introduzir os conceitos básicos sobre os transistores de efeito de campo (MOSFET) Demonstrar algumas de suas aplicações fundamentais (amplificadores e portas lógicas) 3. Materiais e equipamentos 1 Multímetro Portátil com adaptador jacaré em ambas as pontas de prova 1 Multímetro de bancada com adaptador jacaré em ambas as pontas de prova 2 Fontes de tensão contínua variável 1 Protoboard 1 Osciloscópio com duas pontas de prova 1 Gerador de funções com cabo BNC e ponta jacaré 2 Pares de cabos banana/banana 2 Pares de cabos banana/jacaré 1 CD4007UBE 1 Resistor de 56k Ω x 1/8W 1 Resistor de 2k2 Ω x 1/8W 1 Resistor de 100K Ω 1/8W 1 Capacitor eletrolítico de 100uF x 25V 4. Parte experimental e discussão 4.1. Determinação do parâmetro de condutividade k', tensão de limiar Vt e levantamento da curva característica Id x Vds. Foi montado no protoboard o circuito mostrado na Figura 2 abaixo: 3

5 Figura 2 Determinação dos parâmetros do transistor NMOSFET. Da figura 2 acima é claro perceber que Vd = Vg e, consequentemente, Vd > Vg Vt, o que implica que o transistor está operando na região de saturação. A tensão Vdd foi variada de maneira a completar as Tabelas 1 e 2 abaixo: Tabela 1 Valores medidos de Vgs e Id. Vdd (V) Vgs (V) Id (ma) Tabela 2 Valores medidos de Vgs e Id. Vdd (V) Vgs (V) Id (ma) Analisando os valores das Tabelas 1 e 2, percebe-se que surge corrente quando Vgs vale 1.137V, portanto, a tensão de limiar Vt (threshold) é aproximadamente 1.1V. Com os dados das Tabelas acima e notando-se da Figura que Vds = Vgs, é possível plotar a curva Id x Vds, conforme mostrado a seguir: 4

6 Figura 3 - curva Id x Vds do transistor NMOSFET. Como o transistor está operando na região de saturação, tem-se: i D = ( μ N C OX )( W 2 L )(V GS V T ) 2 i D = k ' (V GS V T ) 2 k ' = i D (V GS V T ) 2 Calculando-se k' para cada valor de Vgs > Vt e Id correspondentes fornecidos nas Tabelas acima e utilizando-se Vt = 1.137V e tirando-se a média, obtém-se um k' médio: k ' medio = ma/v 2 Considerando-se o desvio padrão da média como a incerteza, podemos expressar k' como: k ' = (0.318±0.025)(mA/V 2 ) Em seguida, algumas conexões foram alteradas invertendo as posições das conexões de fonte e dreno no circuito mostrado na figura 2. A fonte foi ligada ao Vdd, o dreno ao Vss e a porta à fonte e variou-se Vdd novamente de modo a preencher as Tabelas 3 e 4. 5

7 Tabela 3 Valores medidos de Vgs e Id (fonte e dreno invertido). Vdd (V) Vgs (V) Id (ma) Tabela 4 - Valores medidos de Vgs e Id (fonte e dreno invertido). Vdd (V) Vgs (V) Id (ma) Percebe-se que os valores permanecem praticamente inalterados após a alteração das conexões. Isso se deve ao fato de o NMOS ser um dispositivo simétrico, ou seja, se for trocado a fonte com o dreno, nada muda Amplificador Linear com polarização por divisor de tensão Montou-se o circuito amplificador mostrado pela figura 4 com Vi = 0 V. Em seguida mediuse as tensões Vg, Vd e Vs indicadas na Tabela 5. Figura 4 Amplificador linear. Tabela 5 Valores medidos das tensões Vg,Vd e Vs. Vg (V) Vd (V) Vs (V) 4,307 7,33 0 6

8 A seguir, aplicou-se um sinal senoidal Vi de 1 V de pico e frequência de 1 khz a entrada Vi. Com osciloscópio observou-se as curvas das tensões Vi e Vo mostradas pela Figura 5. Figura 5 Amplificador linear. Observa-se que a tensão de saída Vo possui um valor de pico maior do que a entrada. Considerando os valores de pico de Vo e Vi o ganho A v é dado por: A v = V o V i = 10 V 1 V =10 Com valor de Vg na Tabela 5 a corrente Id é obtida pela seguinte expressão: = 12V V D 2k2Ω = 12V 7,33 2K2Ω = 2,13 ma Considerando a tensão de limiar Vt = 1,1 V e as tensões Vg e Vd mostradas na Tabela 5 pode-se observar que Vd > Vg Vt : 7,33 V > 4,37 V -1,1 V 7,33 V > 3,27 V 7

9 Portanto o transistor NMOSFET está operando na região de saturação. Para a construção da reta de carga (figura 6) referente ao circuito amplificador da Figura 3 foram considerados dois pontos respectivos às situações onde Vds = 0 V e Vds = Vd = 12 V. Assim: Figura 6 Reta de carga do circuito amplificador linear. Para a construção da reta de carga (Figura 6) referente ao circuito amplificador da Figura 3 foram considerados dois pontos respectivos às situações onde Vds = 0 V e Vds = Vd = 12 V. Assim: = V D V DS R D = V D V DS R D V DS = 0V = (12V 0V) 2K2Ω V DS = V D = 12V = (12V 12V) 2K2Ω = 5,454 ma = 0mA O valor de Vds com base nos resultados da Tabela 5 é dado por: V DS = V D V S = 7,33 V 0V = 7,33V Substituindo este valor na função linear da reta de carga tem-se: = 0,4545 V DS +5,4545[mA] = 0,4545 7,33+5,4545 = 2,123[mA] 8

10 Como se pode observar o Id resultado teórico obtido pela equação da reta de carga do circuito amplificador é muito próximo do valor calculado com base nos parâmetros experimentais. O cálculo do erro percentual entre os dois valores é calculado a seguir: Erro% = (2,123 ma 2,13 ma) 100 = 0,0032% 2,123 ma 4.3. Porta lógica inversora Montou se sobre o protoboard o circuito da Figura 7. Em seguida mediu-se com o multímetro portátil os valores de tensão e corrente Vds e Id respectivamente em duas situações: Vgs = 0 e Vgs = Vdd = 12 V. Figura 7 NMOSFET como chave inversora. Tabela 6 Valores medidos de Vds, Id. Id Vgs [V] Vds [V] [ma] 0,000 12, ,000 1,007 5,072 O funcionamento do circuito da Figura 7 pode ser explicado da seguinte maneira: quando Vgs = 0 V o transistor NMOSFET está operando na região de corte, ou seja, não conduz corrente 9

11 comportando-se, portanto, como uma chave em aberto desta maneira a tensão medida Vds será igual à tensão da fonte, neste caso, aproximadamente 12 V. Já na situação de Vgs = 12 V o transistor está operando na região de saturação comportando-se, portanto, como um curto-circuito assim a tensão Vds cai aproximadamente para 0 V e a corrente Id é máxima. O cálculo da potência dissipada pelo resistor Rd de 2k2 Ω nas duas situações é mostrado a seguir: P = V RD V RD = R D V GS = 0V = 0mA V RD = R D = =0V P = V RD = 0 0 = 0W V GS = 12,05 V = 5,07mA V RD = R D = , = 11,15V P = V RD = 11,15 5, = 56,57 mw 4.4. Porta lógica inversora CMOS Montou-se o seguinte circuito para a parte 4.4 do roteiro, um transistor CMOS inversor. Figura 8 - Porta lógica inversora CMOS Pode-se verificar que a função inversora realmente foi aplicada, se considerarmos 0V como nível baixo e 12V como nível alto. Quando Vi = 0V, Q P conduz e Q N entra em corte, fazendo com que a tensão Vo seja a própria V DD, ou seja, um sinal de entrada em nível baixo gera um sinal de saída de nível alto. 10

12 Quando Vi = V DD, o Q P é que entra em corte e o Q N conduz. Dessa forma, percebe-se que o valor de Vo deve ser 0V, ou seja, nível baixo. Os valores anotados de corrente no dreno seguem na Tabela 7: Tabela 7 - Valores medidos de Vds, Id. Vi (V) Vo (V) I d (ma) 0 12, ,526 Pode-se calcular a potência dissipada no CMOS aplicando a fórmula P = V O É fácil observar que a potência dissipada em ambos os casos será zero. Tipicamente, o CMOS possui dissipação de potência em frações de microwatts, ou seja, com a escala de medida adotada para tensão e corrente, não é possível constatar presença de potência dissipada. Essa característica do CMOS é que exalta a vantagem do inversor CMOS em relação ao circuito inversor NMOSFET. Enquanto o inversor NMOSFET dissipa cerca de 56,57 mw, o CMOS tipicamente não dissipa nem 1 μw. [1] 5. Conclusão A prática 3 auxiliou para ter conhecimento de como manusear, analisar qual o comportamento de um CI e as possíveis formas diferentes de se utilizar um transistor MOSFET, por exemplo, um amplificador de sinal linear e um inversor. Na primeira parte, com uma montagem simples variou-se a tensão no gate do transistor até que começasse a passar corrente, obtendo a tensão de threshold. Ao inverter a posição do dreno e da fonte se obteve os mesmo valores, pois o transistor se comporta de forma simétrica. Com os dados das tabelas 1 e 2 calculou-se o parâmetro k que se mostrou satisfeito. A utilização do transistor MOSFET como amplificador e inversor, se comportou de forma eficiente, onde foi observado na figura 5 que a saída do sinal esta amplificado e defasada em 90 o em decorrência ao capacitor associado. A mesma eficiência pode ser observada quando se utilizou como uma porta lógica inversora, isso se deve ao fato do transistor operar em região de corte e invertendo quando operada em região de saturação. 11

13 6. Referências Bibliográficas [1] SEDRA, Adel S. et al. Microeletrônica. 5. ed. São Paulo, SP: PRENTICE HALL BRASIL, p. ISBN [2] MALVINO, ALBERT; BATES, DAVID J.; MALVINO, A. P. Eletrônica: volume ed. São Paulo, SP: Mcgraw-Hill Brasil, p. ISBN [3] acessado em 27/06/2013. [4] Figura 1 Esquema do MOSFET. Disponível em: acessado em 27/06/