Experimento_MOSFET

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE 
CENTRO DE ENGENHARIA ELÉTRICA E INFORMÁTICA 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA 
LABORATÓRIO DE DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Experimento 5 
 
Transistor MOSFET 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LABORATÓRIO DE 
DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS 
Guia de Experimentos 
Experimento 5 – Características e Aplicações de Transistores 
de Efeito de Campo (FET) 
 
 
Objetivo 
 
 Os experimentos de laboratório aqui apresentados têm por objetivo 
familiarizar-se com o estudo das características básicas do transistor de efeito de campo 
(MOSFET) e iniciar a exploração de algumas de suas aplicações fundamentais 
(amplificadores, portas lógicas). 
 
Introdução Teórica 
 
Transistor de Efeito de Campo 
 
Um transistor bipolar de junção (TBJ) NPN ou PNP é um dispositivo de 
corrente controlada no qual estão envolvidas correntes de elétrons e lacunas. O 
transistor de efeito de campo (TEC) é unipolar. Ele opera como dispositivo de tensão 
controlada com a corrente de elétrons no canal N ou a corrente de lacunas no canal P. 
Os dispositivos TBJ ou TEC podem ser usados em um circuito amplificador (ou outros 
circuitos semelhantes, desde que sejam adequadamente polarizados). 
Existem dois tipos: o transistor de efeito de campo de junção 
(abreviadamente TECJ ou JFET – Junction Field Effect Transistor) e o transistor de 
efeito de campo de porta isolada (IGFET – Insulated Gate Field Effect Transistor), 
mais comumente chamado transistor metal-óxido-semicondutor (TECMOS ou 
MOSFET – Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). 
O transistor de efeito de campo difere do transistor de junção bipolar nas 
seguintes características importantes: 
 
1. É de fabricação simples e ocupa menos espaço. O MOSFET quando integrado 
ocupa menos da área da pastilha ocupada pelo transistor bipolar. Desta maneira, 
são amplamente utilizados para integração em larga escala (LSI). 
2. Em uma parte da faixa de operação dos MOSFET, eles atuam como elementos 
resistivos controlados por tensão e ocupam área muito menor que o resistor de 
CI correspondente. 
3. Apresenta alta impedância de entrada (até 1014Ω). Isto significa que a constante 
de tempo do circuito de entrada é bastante grande para possibilitar que a carga 
armazenada na pequena capacitância de entrada permaneça por tempo suficiente 
para que o dispositivo seja utilizável como elemento de memória em circuitos 
digitais. 
4. Possui capacidade de dissipar potências elevadas e comutar grandes correntes 
em alguns nanossegundos. 
5. É menos ruidoso do que um transistor bipolar, e, portanto mais adequando para 
estágios de entrada de amplificadores de baixo nível (é extensivamente usado 
em receptores FM de alta fidelidade). 
6. Os MOSFETS quando utilizados na configuração complementar CMOS, a 
dissipação de potência quiescente é essencialmente nula em baixas freqüências. 
 
As principais desvantagens do FET são apresentar uma relativamente pequena 
banda de ganho em comparação com o TBJ e maior susceptibilidade a danos quando 
manuseado. O uso de dielétrico de porta, normalmente dióxido de silício, apresenta uma 
das grandes vantagens do MOSFET, conferindo lhe altíssima impedância de entrada, 
comparada aos transistores BJTs. No entanto, este fato também traz uma grande 
desvantagem. O dióxido de silício apresenta ruptura dielétrica para campos elétricos da 
ordem de 2 x 107 V/cm. Assim, um transistor com espessura de óxido de porta de 10 
nm, rompe com tensão da ordem de 20 V. 
 
 Característica de Transferência 
 
A característica de transferência é um gráfico da corrente de dreno ID em função 
da tensão porta-fonte, VGS, para um valor constante da tensão dreno-fonte, VDS. A 
característica de transferência pode ser obtida diretamente a partir de medidas da 
operação do dispositivo ou desenhada a partir das características de dreno. 
 
Parâmetros do MOSFET 
 
Os fabricantes especificam vários parâmetros para descrever o 
dispositivo MOSFET e tornar possível a escolha entre várias unidades. Alguns dos 
parâmetros mais úteis especificados são: 
 
• Cox – Capacitância do óxido 
 
• Vt - Tensão de corte (estrangulamento) porta-fonte. A tensão porta-fonte, abaixo 
da qual, a corrente no canal dreno-fonte é nula. Nos catálogos dos fabricantes, 
denotada por VGS(OFF) ou Vt. 
 
• gm - a transcondutância 
 
O valor de gm diz quanto a corrente AC mudará quando se aplica uma tensão porta-
fonte AC. gm é medido em Siemens (S). 
 
Normalmente também são fornecidos pelos fabricantes vários outros 
parâmetros relacionados com a capacitância do dispositivo, tensão de ruído, tempos 
para ligar e desligar e potência de operação. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
O FET de Metal-Óxido-Semicondutor (MOSFET) 
 
A estrutura básica e o símbolo dos MOSFETs de canal N e canal P tipo 
depleção são mostrados nas Figura 1a e 1b respectivamente. As Figuras 1c e 1d 
mostram a estrutura básica e o símbolo dos MOSFETs de canal N e canal P tipo 
acumulação. 
 
Fonte DrenoPorta
Substrato tipo P
N N
Óxido
isolante
Metal
N
 
G
S
D
 
(a) 
Fonte DrenoPorta
Substrato tipo N
N N
Óxido
isolante
Metal
P
 
G
S
D
 
(b) 
Fonte DrenoPorta
Substrato tipo P
N N
Óxido
isolante
Metal
 
G
S
D
 
(c) 
Fonte DrenoPorta
Substrato tipo N
P P
Óxido
isolante
Metal
 
G
S
D
 
(d) 
Figura 1 – Diagrama esquemático e símbolo do MOSFET: (a) tipo depleção canal N; 
(b) tipo depleção canal P; (c) tipo acumulação canal N; (d) tipo acumulação canal P. 
 
 
 
 
A diferença básica entre os MOSFETs tipo acumulação e depleção está 
no canal, ou seja, no modo acumulação para se formar o canal, deve-se aplicar uma 
tensão de porta-fonte; no modo depleção o canal já é formado (fabricado), e a tensão 
porta-fonte controla a largura do mesmo. A Figura 2 mostra as curvas de transferência 
do JFET e dos MOSFET tipo depleção e acumulação. 
 
 
VGS 
ID 
-VP 
IDSS 
 
VGS 
ID 
VT 
IDSS 
 
VGS 
ID 
VGS,ON 
ID,ON
VT 
(a) (b) (c) 
Figura 2 – Características de transferência: (a) do JFET; (b) do MOSFET canal N modo 
de depleção; (c) do MOSFET canal N modo de acumulação. 
 
MOSFETs com Simetria Complementar (CMOS) 
 
É bastante comum, principalmente em circuitos digitais, conectar 
transistores MOS tipo P e tipo N internamente a um dispositivo complementar ou 
CMOS. A Figura 3a mostra a conexão básica do CMOS. A entrada é conectada a ambas 
as portas dos transistores MOS tipo P e tipo N. Uma entrada positiva desliga o MOS 
tipo P, liga o tipo N, com a saída caindo para 0 V. Uma entrada de valor baixo ligará o 
dispositivo MOS tipo P e desligará o tipo N, com a tensão de saída subindo até +VDD. A 
Figura 3b mostra um gráfico da relação entre as tensões de entrada e saída. 
O dispositivo CMOS é usado principalmente em circuitos digitais 
operando para fornecer saídas de 0 V ou 5 V e requerendo muito pouca potência da 
fonte. A maior parte dos circuitos integrados de baixa potência é construída com o 
emprego de chaves CMOS. 
 
VDD(+5 V)
SaídaEntrada
 
Ventrada 
Vsaída 
+V 
 
(a) (b) 
Figura 3 – Chave CMOS: (a) Conexão de CMOS básica; (b) Relação entrada-saída. 
 
 
 
Circuitos Digitais com MOSFET 
 
As mais comuns aplicações de dispositivos MOS são digitais, como por 
exemplo, portas lógicas e registradores ou conjuntos de memórias. Devido às 
capacitâncias parasitas localizadas de porta para dreno, porta para fonte e substrato, os 
circuitos MOSFET são mais lentos que os circuitos bipolares correspondentes. Contudo, 
a baixa dissipação de potência e a alta densificação na fabricação tornam os dispositivos 
MOS muito convenientese econômicos para muitas aplicações em baixa velocidade. 
Os circuitos digitais com MOSFET consistem somente em FETs e 
nenhum outro componente, tais como diodos, resistores ou capacitores. Por exemplo, 
consideremos o inversor com MOSFET da Figura 4. O dispositivo Q1 é o FET de 
entrada, enquanto Q2 atua como uma resistência de carga e é chamado carga FET. 
 
 VDD 
VO
VI Q1 
Q2 
 
VI VO
0 VDD
VDD 0
O IV V= 
Figura 4 – Circuito inversor com MOSFET, sua tabela verdade e função lógica. 
 
O Circuito Integrado 4007 
 
14
13
12
11
10
9
8
1
2
3
4
5
6
7
P
P
P
N
N
N
VDD
VSS
 
Figura 5 – Circuito Integrado 4007. 
 
Os substratos dos dispositivos canal N estão conectados a VSS e dos 
dispositivos canal P a VDD. Desta maneira, VDD deve ser conectado ao potencial mais 
positivo e VSS ao potencial mais negativo do circuito. 
 
 
 
 
 
 
 
 
PARTE EXPERIMENTAL 
 
 
Curva Característica 
 
1. Monte o circuito da Figura 1. 
2. Varie a tensão VDD de 0-20V. Meça a tensão VGS. Preencha a Tabela I. 
3. A partir dos valores medidos determine os parâmetros K e Vt. 
 
 
Figura 1 
 
 
 
 
 
VDD 0,5V 1,0V 1,5V 2,0V 3,0V 4,0V 5,0V 6,0V 7,0V 
VGS 
ID 
 
VDD 8,0V 10,0V 12,0V 14,0V 16,0V 18,0V 19,0V 20,0V 
VGS 
ID 
Tabela I 
 
Amplificador Linear 
 
4. Monte o circuito da Figura 2. 
5. Meça as tensões de polarização VG, VD, VS e VGS. A partir dos valores 
medidos determine (calcule) a corrente de polarização de dreno ID. 
6. Escreva a expressão da reta de carga. 
7. Aplique um sinal na entrada e meça o ganho do amplificador. 
8. Determine a transcondutância gm, a impedância de entrada e a freqüência 
de corte. 
 
Figura 2 
 
 
Porta Lógica Inversora 
 
9. Monte o circuito da Figura 3. 
10. Meça a tensão VDS para VGS = 0V e VGS = 12V. 
11. Construa a Tabela da Verdade para este circuito. 
 
 
Figura 3 
 
Porta Lógica Inversora CMOS 
 
12. Monte o circuito da Figura 4. 
13. Meça a tensão VDS para VGS = 0V e VGS = 12V. 
14. Construa a Tabela da Verdade para este circuito. 
 
 
Figura 4 
 
 
 
 
 
 
 
 
Regiões de operação do MOSFET 
A operação de um MOSFET pode ocorrer em três diferentes regiões, dependendo das 
tensões aplicadas sobre seus terminais. Para o transistor NMOS os modos são: 
ƒ REGIÃO DE CORTE: quando VGS < VT 
VGS é a tensão entre a porta (gate) e a fonte (source) e VT é a tensão de threshold 
(limiar) de condução do dispositivo 
Nesta região o transístor permanece desligado e não há condução entre o dreno e 
a fonte. 
ƒ REGIÃO DE TRIODO (ou região linear): 
 Quando VGS > VT e VDS < VGS – VT onde VDS é a tensão entre dreno e 
fonte. 
O transistor é ligado, e o canal que é criado permite o fluxo de corrente entre o 
dreno e fonte. O MOSFET opera como um resistor, controlado pela tensão na 
porta. A corrente do dreno para a fonte é, 
 
Resistência Linear 
Se VDS for suficientemente pequeno para desprezar o termo temos uma 
relação linear entre a corrente e a tensão VDS constituindo-se, portanto em um 
resistor linear com valor controlado pela tensão na porta VGS. 
2
DSV
 
 
 
ƒ REGIÃO DE SATURAÇÃO: quando VGS > VT e VDS > VGS – VT 
O transístor fica ligado e um canal é criado permitindo o fluxo de corrente entre 
o dreno e a fonte. A corrente de dreno é agora relativamente independente da 
tensão de dreno e é controlada somente pela tensão da porta de tal forma que, 
 K
IVV DTGS += 
 
 
 
 
 
AMPLIFICADOR DE ALTO GANHO 
 
Observando-se a curva Vi xVo, do circuito inversor, verifica-se que na 
realidade, podemos ter um amplificador de ganho muito elevado, para tensões 
de entrada em torno de VDD/2. Com esta característica é possível, portanto, se 
construir um amplificador de alto ganho para pequenos sinais, calculando-se 
os resistores R1 e R2 de forma que o amplificador fique polarizado em VDD/2, 
ou seja, muito próximo do ponto onde ocorre a transição na saída. 
 
 
 
 
	LABORATÓRIO DE DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS
	Transistor MOSFET
	Experimento 5 – Características e Aplicações de Transistores de Efeito de Campo (FET) 
	Objetivo
	Introdução Teórica
	Transistor de Efeito de Campo