Tecnologia em Automação Industrial ELETRÔNICA II. Aula 05 MOSFET. Prof. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino

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1 Tecnologia em Automação Industrial ELETRÔNICA II Aula 05 MOSFET Prof. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino SP CAMPUS PIRACICABA

2 MOSFET Metal-óxido-semicondutor FET (transistor de efeito de campo de metal-óxido-semicondutor) Constituído de um eletrodo de metal sobre um óxido isolante, que por sua vez está sobre um substrato de semicondutor. O campo elétrico do eletrodo de metal do lado do óxido isolante tem um efeito sobre a resistência do substrato. Estabilidade térmica. Impedância de entrada extremamente alta. I G = 0, para as configurações de polarização CC

3 MOSFET Tipos: D-MOSFET: tipo depleção E-MOSFET: tipo enriquecimento (ou intensificação) MOSFET x JFET A impedância de entrada de um MOSFET é muitas vezes maior do que a de um JFET.

4 D-MOSFET: Deplação (normalmente ligado ON): a corrente de dreno pode fluir com potencial zero no gate. E-MOSFET: Intensificação (normalmente desligado OFF): corrente zero no dreno com potencial zero no gate. Ambos utilizam um campo elétrico produzido pela tensão de gate para alterar o fluxo de portadores de carga (elétrons para canal-n e lacunas para canal-p) através do canal drain-source

5 MOSFET: CIs Um dos dispositivos mais importantes do projeto e da construção de circuitos integrado para computadores digitais. São compostos exclusivamente por MOSFETS do tipo enriquecimento Vantagens: é relativamente simples, de baixo custo de fabricação, pequeno e consome muito pouca potência. Desvantagem: suscetibilidade de serem danificados por eletricidade estática. Devido a resistência de entrada muito alta, pode facilmente acumular grandes quantidade de carga estática, resultando ser facilmente danificado caso não se tenha cuidado com manuseio. Os dispositivos MOS ocupam muito menos espaço no chip que os transistores bipolares. A maioria dos CIs de tecnologia MOS é construída completamente de MOSFETs e nenhum outro componente. CIs MOS normalmente não usam elementos resistores nos Cis, os quais ocupam uma área relativamente grande nos chips de Cis bipolares. Alta densidade de encapsulamento CIs MOS podem acomodar um número muito maior de elementos de circuito em um único chip que os CIs bipolares A alta densidade de encapsulamento dos CIs MOS os torna especialmente adequados para CIs complexos tais como chips de microprocessadores e memórias. A fabricação de CIs MOS apresenta um terço da complexidade de fabricação de CIs bipolares (TTL, ECL, etc.).

6 MOSFET tipo DEPLEÇÃO (D-MOSFET) 6

7 MOSFET tipo depleção (D-MOSFET) Apresenta características semelhantes às de um JFET entre corte e saturação em I DSS Aspecto adicional: as curvas características se estendem até a região de polaridade oposta para V GS. I G = 0 I D = I DSS 1 V 2 GS V P (equação de Shockley)

8 MOSFET tipo depleção de canal n (D-MOSFET) Um MOSFET tipo depleção pode operar de dois modos: Modo depleção Modo intensificação (enriquecime nto) I D = I DSS 1 V GS V P 2

9 MOSFET tipo depleção de canal n Curva de transferência

10 MOSFET tipo depleção de canal n (D-MOSFET) Região de depleção: entre os valores de corte e saturação. Apresenta características semelhantes às de um JFET entre corte e saturação em I DSS Região de enriquecimento/intensificação: as curvas características se estendem até a região de polaridade oposta para V GS. região de tensões positivas de porta nas curvas características de dreno ou na curva de transferência A aplicação de uma tensão positiva porta-fonte intensificou o número de portadores livres no canal, em comparação ao estabelecido quando V GS =0V I D aumenta muito rapidamente para valores positivos crescentes de V GS A equação de Shockley pode ser aplicada às características do MOSFET tipo depleção tanto nas regiões de depleção quanto nas de enriquecimento. Deve-se apenas inserir o sinal de V GS apropriado e monitorá-lo durante as operações matemáticas.

11 MOSFET tipo depleção de canal n (D-MOSFET) O dreno (D) e a fonte (S) se conectam às regiões de tipo n. Essas regiões estão conectadas pelo canal n, que está conectado à porta (G) por uma fina camada isolante de dióxido de silício (SiO 2 ). A porta permanece isolada do canal n por uma camada muito fina do dielétrico, que estabelece campos elétricos opostos quando submetido a um campo externo aplicado. A camada isolante de SiO 2 na construção do MOSFET é a responsável pela desejável alta impedância de entrada do dispositivo. O material de tipo n fica sobre um substrato de tipo p, que pode ter uma conexão terminal adicional chamada de substrato (SS). Em alguns casos, o substrato está internamente conectado ao terminal da fonte. Entretanto, muitos dispositivos discretos oferecem um terminal adicional, denominado SS, resultando em um dispositivo com quatro terminais

12 MOSFET tipo depleção de canal n (D-MOSFET) Dependendo da magnitude da polarização negativa estabelecida por V GS, um nível de recombinação entre elétrons e lacunas reduzirá o número de elétrons livres disponíveis para condução no canal n. Quanto mais negativa for a polarização, maior será a taxa de recombinação. O valor resultante da corrente de dreno é, portanto, reduzido. Para valores positivos de V GS, a porta com potencial positivo atrai elétrons adicionais (portadores livres) do substrato do tipo p devido à corrente de fuga reversa e estabelece novos portadores por meio de colisões resultantes entre partículas aceleradas. A aplicação de uma tensão positiva porta-fonte intensificou o número de portadores livres no canal, em comparação ao estabelecido quando V GS =0V. Por isso, a região de tensões positivas de porta nas curvas características de dreno ou na curva de transferência é geralmente chamada de região de intensificação; A região entre os valores de corte e saturação de I DSS chama-se região de depleção A equação de Shockley pode ser aplicada às características do MOSFET tipo depleção tanto nas regiões de depleção quanto nas de intensificação. Devese apenas inserir o sinal de V GS apropriado e monitorá-lo durante as operações matemáticas. I D aumenta muito rapidamente para valores positivos crescentes de V GS.

13 MOSFET tipo ENRIQUECIMENTO (E-MOSFET) 13

14 MOSFET tipo enriquecimento (E-MOSFET) I G = 0 I D = k(v GS V T ) 2

15 MOSFET tipo enriquecimento de canal n (E-MOSFET) E - enhancement As características do MOSFET tipo enriquecimento são bastante diferentes do tipo depleção. A curva de transferência não é definida pela equação de Shockley A corrente de dreno é nula até a tensão porta-fonte (V GS ) atingir um determinado valor O controle da corrente no E-MOSFET canal n é realizado por uma tensão positiva portafonte (V GS ). No JFET canal n e no D-MOSFET canal n, o controle é feito por tensões negativas. É chamado MOSFET tipo enriquecimento pois: o canal não existe com V GS =0v e é intensificado pela aplicação de uma tensão V GS positiva. Os dois tipos de MOSFETs (D e E) possuem regiões de enriquecimento, mas o nome foi dado a apenas um por ser seu único modo de operação

16 O nível de V GS que produz um aumento significativo da corrente de dreno é chamado de tensão limiar (V T ou V GS(Th) ) Se mantivermos V GS constante e aumentarmos o valor de V DS, a corrente de dreno eventualmente alcançará o valor de saturação A manutenção de I D em um valor fixo ocorre devido ao processo de pinch-off, que torna o canal induzido mais estreito próximo ao dreno. Qualquer aumento adicional de V DS, estando fixa a tensão V GS, não afetará o nível de saturação de I D até que as condições de ruptura sejam alcançadas. V DS sat = V GS V T

17 MOSFET tipo intensificação de canal n (E-MOSFET) O dreno (D) e a fonte (S) se conectam às regiões de tipo n Não há canal A porta (G) se conecta ao substrato tipo p por uma fina camada isolante de dióxido de silício (SiO 2 ). O material de tipo n fica sobre um substrato tipo p que poder ter uma conexão terminal chamada de substrato (SS) O substrato às vezes está conectado internamente ao terminal de fonte e, em outras, temos um quarto terminal (denominado SS) disponível para o controle do potencial do substrato.

18 MOSFET tipo intensificação de canal n (E-MOSFET) Se V GS =0V e é aplicada uma tensão V DS, a ausência de um canal n (com uma quantidade generosa de portadores livres) resultará em uma corrente efetiva de 0A. Com V DS positiva, V GS =0V e o terminal SS conectado diretamente à fonte, há, na verdade, duas junções p-n reversamente polarizadas entre as regiões dopadas do tipo n e os substratos p que se opõem a qualquer fluxo significativo entre o dreno e a fonte. Quando V DS e V GS são positivas, estabelecem um potencial positivo para o dreno e para a porta em relação à fonte O potencial positivo na porta pressionará as lacunas (uma vez que cargas iguais se repelem) no substrato p ao longo da borda da camada isolante de SiO 2 para que deixem a região e penetrem no substrato até as camadas mais profundas O resultado é uma região de depleção próxima à camada isolante SiO 2 livre de lacunas. Os elétrons do substrato p (os portadores minoritários do material) serão atraídos para a porta positiva e se acumularão próximo à superfície da camada de SiO 2. Essa camada isolante evitará que os portadores negativos sejam absorvidos pelo terminal de porta. Conforme V GS aumenta de valor, a concentração de elétrons próximo da superfície de SiO 2 se intensifica até um nível em que a região induzida tipo n possa suportar um fluxo mensurável entre o dreno e a fonte. O nível de V GS que produz um aumento significativo da corrente de dreno é chamado de tensão limiar (V T ou V GS(Th) )

19 MOSFET tipo intensificação de canal n (E-MOSFET) Quando V GS aumenta além do valor de limiar, a densidade de portadores livres no canal induzido cresce, o que resulta em um aumento na corrente de dreno Se mantivermos V GS constante e aumentarmos o valor de V DS, a corrente de dreno eventualmente alcançará o valor de saturação A manutenção de I D em um valor fixo ocorre devido ao processo de pinch-off, que torna o canal induzido mais estreito próximo ao dreno. Considerando: V DG =V DS -V GS, se V GS for mantido em um valor fixo, e V DS for aumentado, a tensão V DG aumentará, e a porta se tornará cada vez menos positiva com relação ao dreno. Tal redução da tensão porta-dreno reduzirá as forças de atração para os portadores livres (elétrons) nessa região do canal induzido, provocando uma redução na largura efetiva desse canal. O canal será reduzido até o ponto de pinch-off e uma condição de saturação será estabelecida. Qualquer aumento adicional de V DS, estando fixa a tensão V GS, não afetará o nível de saturação de I D até que as condições de ruptura sejam alcançadas. V DS sat = V GS V T

20 MOSFET tipo intensificação de canal n (E-MOSFET) O E-MOSFET opera somente no modo intensificação V GS é sempre positiva Só há condução de I D a partir do momento que V GS >V T. À medida que V GS aumenta, a I D aumenta À medida que V GS se mantém constante e a V DS aumenta, a I D satura e o nível de saturação (V DSsat ) é alcançado. V DSsat = V GS V T - V T é a tensão limiar do E-MOSFET. - O espaçamento entre as curvas é ampliado conforme V GS aumenta de valor, o que resulta em aumentos sempre crescentes na corrente de dreno - Para valores de V GS > VT: I D = k(v GS V T ) 2 - O termo quadrático é responsável pela relação não linear entre I D e V GS. - O termo k é uma constante que é uma função da estrutura do dispositivo e valores em um ponto específico: I D(ligado) k = 2 V GS(ligado) V T

21 MOSFET tipo intensificação de canal n (E-MOSFET) Curva de transferência: I D = 0A para V GS V T I D = k(v GS V T ) 2 para V GS > V T

22 CMOS 22

23 CMOS: MOSFET complementar É um circuito construído com transistores MOSFET tipo intensificação de tipos opostos (canal n e canal p) Enquanto um conduz o outro está em corte A entrada V i é aplicada a ambas as portas com a saída tomada dos drenos conectados Funciona como inversor lógico Consumo de potência extremamente baixo. Reduz a corrente de dreno de um circuito digital. Como os dois MOSFETs estão em série, a corrente de dreno quiescente é determinada pelo dispositivo em corte. Uma vez que sua resistência está em megaohms, o consumo de potência quiescente se aproxima de zero. É mais rápido. Menor densidade de integração Aumento de complexidade para a fabricação do CI Muito utilizado em circuitos digitais:

24 CMOS: MOSFET complementar

25 FETs resumo 25

26 RESUMO BJT JFET D-MOSFET E-MOSFET Equação de transferência Controle por corrente I B Controle por tensão V GS < 0 I C = βi B I D = I DSS 1 V GS V P Controle por tensão V GS > 0 2 I D = k(v GS V T ) 2 correntes I E = I C + I B I D = I S I E I C I G 0 V BE 0,7V

27 FETs - TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO

28 POLARIZAÇÃO de MOSFETs 28

29 D-MOSFET (tipo depleção) de canal n Polarização CC Folha de dados fornece: Tensão de pinch-off: V P Corrente de saturação: I DSS

30 D-MOSFET (tipo depleção) de canal n Polarização CC por autopolarização Equação de polarização: V GS = I D R S

31 D-MOSFET (tipo depleção) de canal n Polarização CC por divisor de tensão Divisor de tensão: V G = V DD R 2 R 1 +R 2 Equação de polarização: V GS = V G I D R S

32 E-MOSFET (tipo intensificação) de canal n Polarização CC Folha de dados fornece: Tensão de limiar: V GS(Th) = V T Um ponto de operação específico: I D(ligado) V GS(ligado) Determinar k k = I D(ligado) V GS(ligado) V T 2

33 E-MOSFET (tipo intensificação) de canal n Configuração de polarização com realimentação I G = 0mA V RG = 0V V D = V G V DS = V GS Equação de polarização: V GS = V DD I D R D

34 MOSFET tipo intensificação de canal n Configuração de polarização por divisor de tensão Divisor de tensão: V G = V DD R 2 R 1 +R 2 Equação de polarização: V GS = V G I D R S Para a seção de saída: V DS = V DD I D R S + R D

35 links BJT JFET E-MOSFET

36 BIBLIOGRAFIA BOYLESTAD, Robert L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 11ª ed. São Paulo: Pearson Prentice-Hall do Brasil, SEDRA, A.S.; SMITH, K.C. Microeletrônica. 4ª ed. São Paulo: Pearson Makron Books, MALVINO, A,. BATES, D.J. Eletrônica. V. 1. São Paulo: Mcgraw Hill, MALVINO, A,. BATES, D.J. Eletrônica. V. 2. São Paulo: Mcgraw Hill, 2008.