Transistor de Efeito de Campo de Porta Isolada MOSFET - Revisão
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- Rodrigo Brás Vilarinho
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1 Transisor de Efeio de Campo de Pora Isolada MOSFET - Revisão 1 NMOS: esruura física NMOS subsrao ipo P isposiivo simérico isposiivo de 4 erminais Pora, reno, Fone e Subsrao (gae, drain, source e Bulk) L = 0,065 aé 10 µm, W = 0,1 aéo 100 µm Tipicamene: Espessura da camada de óxido ( ox ) é na faixa de 2 a 50 nm. 1
2 Simbologia e erminais do MOSFET Símbolos MOS Símbolos PMOS TERMINAIS G: pora (gae) S: fone (source) : dreno (drain) B: subsrao (bulk) Funcionameno Sem poenciais aplicados (V = 0) as regiões de dreno e fone (ipo N) formam junções (diodos) com a região de subsrao (ipo P) envolvendo cada uma das junções surgem zonas de depleção (elérons livres da região N aravessam a inerface e preenchem as lacunas livres da região P, fazendo com que não sobrem cargas livres nessa região) como a concenração de dopanes das regiões de dreno e fone é muio maior que a do subsrao, a região de depleção para denro de dreno e fone é muio pequena 2
3 Funcionameno - depleção Pequeno poencial aplicado (V < V ) o poencial V aplicado enre pora e subsrao arai elérons livres e afasa lacunas livres da inerface óxido-subsrao: surge uma região de depleção enre a inerface e o subsrao, ligando as regiões de depleção das junções Funcionameno - inversão Aumeno do poencial aplicado (V > V ): condição de inversão se o poencial V aumenar, a concenração de elérons livres aumena na inerface óx-subs quando a concenração de elérons livres for maior que a de lacunas fixas (dopanes) ocorre a condição de INVERSÃO em inversão há o surgimeno de um canal de maerial ipo N induzido enre dreno e fone o valor de V em que ocorre a inversão é chamado de poencial de hreshold (V ) 3
4 Polarização de MOSFETs Regiões de operação: Nível de inversão: em relação com a densidade de carga de inversão (poradores) que é formada na superfície do subsrao e que compõe o canal enre dreno e fone. Esa carga é induzida devido ao efeio capacior MOS, esando relacionada à polarização V (ou V GB ). ivide-se em 3 níveis: fraca (WI), moderada e fore (SI). Polarização de MOSFETs Regiões de operação: Condição de sauração: em relação com a deformação do canal, provocada pela diferença de poencial aplicada enre dreno e fone. Em SI, quando o poencial V S for superior a V -V T, ocorre o esrangulameno do canal, o que provoca o aumeno súbio da impedância enre dreno e fone. ivide-se em 2 regiões: linear (ou ôhmica ou riodo) e sauração. 4
5 Funcionameno região ôhmica Operação do Canal Induzido na Região Ôhmica v > V v S pequeno (v S < v V ) isposiivo funciona como um resisor conrolado por v A conduância do canal é proporcional a v V A correne i é proporcional a (v V ) v S Região ôhmica i x v S Resisor linear conrolado por v Condição: v S deve ser manido pequeno (v S << v V ) 5
6 Região ôhmica canal gradual ependência de R canal em V S Aumenando v S :o nível de inversão varia ao longo do canal, como resulado da diferença de poencial enre a posição no canal e o erminal de pora O canal assume uma forma gradual. A resisência do canal aumena com o aumeno de v S. o comporameno i x v S passa a ser não-linear (v é manido consane em um valor al que v v S > V )) Região ôhmica canal gradual ependência de R canal em V S 6
7 Sauração do canal Sauração do canal: Redução da conduividade local em função de v S Quando v S = v V, o canal descola-se do dreno (pinch-off) Aumeno v S acima de v V em pouco efeio na forma do canal (correne passa a ser independene de v ) Sauração - i x v S Curva complea i x v S : sauração do canal v > V 7
8 Polarização de MOSFETs MOS: comporameno i x v S SI: WI: Polarização de MOSFETs I MOS: i x v em sauração e inversão fraca (WI) Sauração: = I 0 VS 4φ W V exp L nφ n 1,1 1,6;( ip.1,3) φ = kt / q Id [A] SI Vsub= 0 V Vsub= -2,5 V Vsub= -5 V WI Vds= 2V Vgs [V] 8
9 Polarização de MOSFETs MOS: i x v erros nas aproximações de WI e SI MOSFET Modelos 18 9
10 Modelagem de isposiivos MOS Comporameno Físico versus Modelo Analíico : o conhecimeno do comporameno físico de um disposiivo é essencial no desenvolvimeno de circuios modelo é uma represenação maemáica que se compora de forma parcialmene análoga a um sisema físico real o comporameno físico é relacionado ao modelo aravés de parâmeros eléricos exraídos experimenalmene o projeo de circuios elerônicos depende do modelo dos disposiivos uilizados: modelos simples (e imprecisos) para cálculo analíico (à mão) modelos complexos (e precisos) para simulação elérica Modelagem de isposiivos MOS O modelo de um disposiivo consise de equações, circuios equivalenes e parâmeros que represenam seu comporameno elérico. Modelo de grandes sinais: Modelos não-lineares (disposiivos não-lineares) Modelos esáicos: comporameno C Modelos dinâmicos: comporameno AC (Capaciâncias) Efeios de segunda ordem: efeio de corpo, modulação do comprimeno de canal, efeios de canal curo, subhreshold... Componenes parasias exernos: L, R e C. Modelo de pequenos sinais: modelo linearizado (incremenal) Modelo de ruído Efeio da emperaura (modelo érmico) Ouros... 10
11 Modelo Analíico Simples NMOS: curva complea i x v S Triodo: I = k ' n W L V S ( V V) V V < V V S S k n (W/L) = 1.0 ma/v 2. Sauração: I 1 = k 2 ' n W L V S V ( V V) 2 V k = µ C ' n n ox NMOS em Sauração NMOS: curva i x v em sauração Sauração: V I 1 = k 2 ' n W L S V ( V V) 2 V V = 1 V, k n W/L = 1.0 ma/v 2 11
12 Modelo para Grandes Sinais Transisor NMOS Modelo para grandes sinais em sauração Tensões nos Terminais Transisor MOS Níveis relaivos de ensão enre os erminais 12
13 Conduância de Saída Efeio de modulação do comprimeno efeivo do canal em função dev S, em sauração Aumenando v S além de v Ssa causa o disanciameno do pono de pinch-off em relação ao dreno, reduzindo o comprimeno efeivo do canal por L. pequena variação de i com v S. Conduância de Saída ependência de i com v S : o efeio Early V A : ensão de Early V ro I A Q O parâmero V A depende da ecnologia de processo. V A é proporcional ao comprimeno do canal L. Quano maior o L maior a impedância de saída. 13
14 Conduância de Saída NMOS: modelo para grandes sinais em sauração, incluindo o efeio Early PMOS: símbolos e polarização Transisor PMOS 14
15 Transisor PMOS PMOS: níveis relaivos de ensão enre os erminais Resumo NMOS PMOS 15
16 MOSFET Polarização 31 Modelos Grandes Sinais MOS PMOS 16
17 Polarização Região de Sauração: I V + R I = V = 1 2 W k ' n L S ( V V) 2 SS V S V V k = µ C ' n n ox Tensão de Overdrive V OV = V V Região de Triodo: I S = k ' n W L S V + R I = V ( V V) V V SS SS V S S < V ( R R S ) I V = V + V + V S Auopolarização V S = V VS > V V O ransisor esá sempre em Sauração! Região de Sauração: I = 1 2 W k ' n L ( V V) 2 V + RI = V 17
18 Espelho de correne Necessia ransisores IÊNTICOS!!! I V 2 = V1 2 1 esde que ambos esejam saurados! I A correne de dreno de Q2 é resulado da correne de dreno de Q1. Polarização na região de riodo I ados: V = V Supondo: V S = k < V ' n W L V Região de Triodo: V S = 0, 1V V = 1V Calcular I e R. Esime r ds. V = V ( V V) V V S S V S = V R I 18
19 Esabilidade de pono Q Esabilidade de pono Q Rs 19
20 O inversor CMOS push-pull ível lógico 0 na enrada Tensão inermediária na enrada PMOS O MOS OFF ível lógico 1 na enrada PMOS OFF MOS O Modelos Simplificados Os modelos uilizados para o projeo e compreensão do funcionameno do circuio são simples 20
21 Modelos Eléricos - SPICE O MOSFET como Amplificador 42 21
22 Amplificador Básico Amplificador Fone Comum Topologia Básica Represenação Gráfica da Rea de Carga eerminação da Curva de Transferência v i i O = v S = f ( v = f ( v = V ) saurado, v S R i ) riodo Curva de Transferência eerminação da Curva de Transferência A curva de ransferência mosra a operação como amplificador, com o MOST polarizado no Pono Q. 22
23 Rea de Carga Influência da Rea de Carga na Excursão de Sinal Pono Q 1 não deixa espaço suficiene para excursão posiiva do sinal, muio próximo de V Pono Q 2 não deixa espaço suficiene para excursão negaiva do sinal, muio próximo da região de Triodo. Pequenos Sinais Circuio conceiual para esudo do modelo de pequenos sinais Fone de Sinal Fone de Polarização 23
24 Pequenos Sinais Aplicação de um sinal de enrada de 150 mvpp Pequenos Sinais I g g m m = 1 2 di = dv = k W k ' n L ' n W L ( V V) 2 W L ' ( V V) = kn VOV V OV Tensão de overdrive 24
25 Pequenos Sinais Resposa de saída do amplificador Fone Comum Pequenos Sinais Tensões insanâneas v e v no circuio abaixo. 25
26 Modelo para Pequenos Sinais Modelo Simplificado Modelo Exendido Considerando o efeio de modulação do comprimeno do canal (EARLY) que é modelado por r o = V A /I 26
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