FISICA MOSFET ch06v2

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Fundamentos de Microeletrônica
 CH1 Eletrônica x Microeletrônica
 CH2 Física Básica dos Semicondutores
 CH3 Aplicações de Circuitos com Diodos
 CH4 Física do BJT
 CH5 Amplificadores BJT
 CH6 Física dos Transistores MOSFET
 CH7 Amplificadores MOSFET
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Cap. 6 Física dos MOSFET
 6.1 Estrutura dos MOSFET
 6.2 Operação dos MOSFET
 6.3 Modelos de Grandes Sinais e de Pequenos Sinais 
 6.4 PMOS x NMOS
 6.5 Tecnologia CMOS
 6.6 Bipolar x MOSFET
CH 6 Physics of MOS Transistors 3
Sumário
CH 6 Physics of MOS Transistors 4
Capacitor de Metal Óxido Semicondutor (MOS)
A estrutura MOS pode ser vista como um capacitor de placas paralelas, com a 
placa superior positiva, o dielétrico composto de óxido, e o negativo 
conectado ao substrato de Silício dopado com impurezas doadoras ou 
aceitadoras, formando um material/substrato N ou P, respectivamente.
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Estrutura e Símbolo do MOSFET
 O dispositivo é simétrico em relação a um plano vertical;
 Assim, qualquer região semicondutora ( n+) pode ser Fonte (S) ou Dreno (D). 
CH 6 Physics of MOS Transistors 6
Estado da Arte da Estrutura MOSFET
 A Porta (G) é a placa condutora à base de polisilício, enquanto o 
isolante/dielétrico é composto de Dióxido de Silício.
CH 6 Physics of MOS Transistors 7
Formação do Canal
 Inicialmente, as lacunas são repelidas pela tensão positiva da Porta(G), 
criando íons negativos e formando uma região de depleção;
 Posteriormente, elétrons são atraídos para a interface, criando um canal, 
também chamado “camada de inversão”.
CH 6 Physics of MOS Transistors 8
Resistor Dependente da Tensão
 O canal de inversão de um MOSFET pode ser visto como um resistor. 
 Se a densidade de carga interna ao canal depende da tensão de Porta 
(G), essa resistência também depende.
CH 6 Physics of MOS Transistors 9
Aplicação - Atenuador Controlado por Tensão
 Quando a tensão de Porta(G) decresce, a saída diminui, pois a 
resistência do canal cresce.
 Esse tipo de controle de ganho encontra aplicações nos telefones 
celulares, que busca evitar a saturação desses equipamentos, 
circuitos e amplificadores ao se aproximarem das ERB.
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Características dos MOSFET
Se VG > Vth, ID <> 0. Caso contrário não há formação do canal e ID = 0;
 variando VG enquanto VD permanece constante, conforme visto em (b);
 variando VD enquanto VG permanece constante, conforme visto em (c);
 A Fig. (d) mostra a resistência do canal dependente de
 Vth é conhecida como Tensão de Threshold ou Limiar de Tensão.
CH 6 Physics of MOS Transistors 11
ID dependente de L and tox
 Comprimento (L) da Porta (G) e a espessura da camada do óxido (tox) 
alteram a resistência do canal e, portanto, modificam a corrente de 
dreno ID, conforme observado nas figuras.
CH 6 Physics of MOS Transistors 12
Influência da Largura da Camada de Óxido (W)
 Quando a largura (W) aumenta, a corrente de dreno aumenta devido à 
redução da resistência do canal, embora a capacitância também 
aumente, limitando a velocidade/resposta do circuito.
 Um aumento em W pode ser visto como dois dispositivos em paralelo.
CH 6 Physics of MOS Transistors 13
Variação do Potencial ao longo do Canal
 Desde que exista uma “resistência” ao longo do canal entre o Dreno 
(D) e a Fonte (S), e se VD > VS, o potencial cresce ao longo do canal, da 
Fonte para o Dreno.
 Assim, o potencial entre a Porta e o Canal decresce da Fonte para o 
Dreno.
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Estrangulamento do Canal
 Quando a diferença de potencial entre Dreno (D) e Porta (G) torna-se mais 
positiva, a camada de inversão (canal) abaixo da interface começa a estrangular 
em torno do Dreno (D);
 Assim, quando VD = VG - Vth, o canal está totalmente estrangulado no Dreno; e
 Quando VD > VG - Vth, o comprimento do canal começa a decrescer, ie, L1 < L.
CH 6 Physics of MOS Transistors 15
Densidade de Carga no Canal → Q = C.V
A Densidade Linear de Carga (Q [C/m]) no Canal é igual a 
Capacitância da Porta por unidade de área (Cox [F/m2]) “vezes” a 
largura do transistor (W [m]) “vezes” a Tensão da Porta (VGS) que 
ultrapassa a Tensão de Limiar (Vth). 
Q=WCox(VGS−V TH)
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Densidade de Carga em um Ponto 
 Seja x um ponto ao longo do canal da Fonte para o Dreno, e V(x) seu potencial;
 A equação acima expressa a densidade de carga linear ao longo do canal.
Q( x )=WCox[VGS−V ( x )−V TH ]
CH 6 Physics of MOS Transistors 17
Densidade de Carga e Corrente
 A corrente (I [C/s]) que flui em uma barra semicondutora está relacionada 
com a densidade de carga linear(Q [C/m]) e com a velocidade das cargas 
(v [m/s]).
I=Q⋅v
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Corrente de Dreno 
v = u. E , E = V/x
v =+μn
dV
dx
ID=WCox [VGS−V (x )−V TH ]μn
dV ( x )
dx
ID=
1
2
μnCox
W
L [2(VGS−V TH )V DS−V DS
2 ]
 Note que se VG é considerado constante, tem-se uma 
relação parabólica entre ID e VDS. 
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Parábola ID x VDS
 
 A corrente máxima ocorre para VDS = VGS- VTH. 
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ID x VDS para diferentes valores de VGS
ID ,max∝(VGS−V TH )
2
CH 6 Physics of MOS Transistors 21
 Resistência Linear 
 A Parábola pode ser aproximada a uma reta para pequenos valores de VDS ;
 Assim, se VDS << 2.(VGS -Vth) o transistor pode ser visto como um resistor dependente da tensão 
de Porta (VGS).
 Em particular, quando VGS = Vth , Ron tende ao infinito e o dispositivo funciona como um 
comutador eletrônico.
Ron=
V DS
ID
= 1
μnCox
W
L (VGS−V TH )
CH 6 Physics of MOS Transistors 22
Aplicação - Comutador Eletrônico
 Em um sistema de telefonia sem fio no qual uma única antena é 
usada tanto para transmissão como para a recepção, um comutador 
eletrônico é usado para conectar a antena ou o receptor ou o 
transmissor.
CH 6 Physics of MOS Transistors 23
Efeitos de Ron
 Para minimizar a atenuação do sinal, a resistência (Ron) da 
comutação deve ser a menor possível;
 Isso implica uma elevada razão de aspecto (W/L) e maior VGS. 
Ron=
1
μnCox
W
L (VGS−V TH )
CH 6 Physics of MOS Transistors 24
Diferentes Regiões de Operação
CH 6 Physics of MOS Transistors 25
Como Determinar a Região de Operação
 Quando VDS > VGS – Vth, o MOSFET está na região de Saturação. 
 Na região de Saturação o transistor MOS pode operar como uma fonte de corrente.
 Quando VDS < VGS – Vth, o MOSFET está na região Triodo.
 Na região triodo o transistor MOS opera de modo quadrático, mas sob certas 
condições pode ser considerado Linear.
CH 6 Physics of MOS Transistors 26
Exemplo - Triodo x Saturação
 Quando a região não é conhecida, supõe-se um modo de operação 
(Triodo ou Saturação) e confirma-se posteriormente.
CH 6 Physics of MOS Transistors 27
Exemplo - Triodo x Saturação
 Hipótese inicial: M1 em saturação
 Assim, 
 Lançando os dados na fórmula, obtém-se ID = 200 uA;
Comprovação da hipótese inicial
 Vx = VDD – RD ID = 0.8 V;
 Logo a tensão de dreno-fonte é VDS = 0.8 V; 
 A Tensão de Sobrecarga ou Overdrive é (VGS – Vth)=1 – 0.4 = 0.6 V;
 Como VD > (VGS – Vth ) a hipótese inicial está confirmada e o 
transistor opera em saturação
ID=
1
2 μnCox
W
L (VGS−V TH )
2
CH 6 Physics of MOS Transistors 28
Modulação do Comprimento do Canal
 A observação inicial de que a corrente de saturação não varia com VDS não é precisa.
 A extremidade do canal move-se na direção da fonte quando VDS aumenta, como se o 
comprimento efetivo do canal diminuísse, provocando um aumento de ID . 
 Assim, à semelhançado efeito Early no BJT, a corrente de saturação função VDS .
ID=
1
2 μnCox
W
L (VGS−V TH )
2 (1+λV DS)
CH 6 Physics of MOS Transistors 29
 x L
 Ao contrário do efeito Early no BJT, o fator de modulação do canal 
pode ser controlado pelo projetista.
 Para grandes valores de L, o efeito da modulação do canal é menor 
que para valores pequenos.
CH 6 Physics of MOS Transistors 30
Transcondutância
 Transcondutância é a medida da variação da corrente de 
Dreno(D) com a tensão de Porta (G). 
gm=μnCox
W
L (V GS−V TH ) gm=√2 μnCoxWL I D gm= 2 IDVGS−V TH
CH 6 Physics of MOS Transistors 31
gm proporcional a W/L
 Se W/L é dobrado, efetivamente dois transistores equivalentes estão 
em paralelo;
 Assim, para (VGS-VTH) constante, a corrente de dreno dobra e gm 
também dobra
CH 6 Physics of MOS Transistors 32
Saturação de Velocidade
Campo Elétrico Grande (E) x Comprimento do Canal Pequeno (L)
 Desde que L seja muito pequeno e E elevado, não é preciso uma grande 
tensão de Dreno para que haja saturação de velocidade das partículas.
 Sob saturação de velocidade, a corrente de dreno torna-se uma função linear 
da tensão de Porta, e gm torna-se função de W, mas independente de L. 
ID=vsat⋅Q=vsat⋅WCox (V GS−V TH )
gm=
∂ ID
∂VGS
=vsatWCox
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Efeito Corpo
 Quando a tensão de Fonte torna-se mais positiva em relação ao 
Substrato (junção polarizada reversamente, ie, VSB > 0), a Tensão de 
Limiar Vth aumenta
V TH=V TH0+ρ (√2φF+V SB−√2φF )
CH 6 Physics of MOS Transistors 34
Modelos de Grandes Sinais
 Baseado em valores de VDS, o MOSFET pode ser representado por 
diferentes modelos de grandes sinais. 
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Exemplo: Comportamento de ID com V1
 Desde que V1 seja conectado à fonte, quando V1 aumenta a 
corrente diminui. 
ID=
1
2 μnCox
W
L (V DD−V 1−V TH )
2
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Modelo de Pequenos Sinais
 Quando o ponto de operação não é perturbado significativamente, o 
modelo de pequenos sinais pode ser usado.
 Para representar a modulação do canal, uma resistência de saída é 
inserida no modelo. 
ro≈
1
λID
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PMOS Transistor
 Exatamente como o BJT/PNP , é possível criar um dispositivo MOS 
em que as lacunas são portadores majoritários, chamados 
transistores PMOS. 
 Ele comporta-se como o NMOS com todas as polaridades invertidas. 
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Equações - PMOS 
ID,sat=
1
2 μpCox
W
L (VGS−V TH )
2(1− λV DS )
ID,tri=
1
2
μpCox
W
L [2(VGS−V TH )V DS−V DS
2 ]
ID,sat=
1
2
μpCox
W
L (|VGS|−|V TH|)
2(1+λ|V DS|)
ID,tri=
1
2
μpCox
W
L [2(|VGS|−|V TH|)|V DS|−VDS
2 ]
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Comparação entre BJT e MOS
 BJT tem maiores gm quando comparado ao MOSFET devido às 
características exponenciais (BJT) contra a característica quadrática 
(MOS), para as mesmas condições de polarização
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