Física de Semicondutores - MOSFET

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F́ısica de Semicondutores ET-33T - MOSFET
Prof. Dr. Pedro Carvalhaes Dias - UTFPR Campus de Cornélio Procópio
Segundo Semestre de 2016
1 Transistor MOS
2 Prinćıpio de Funcionamento do MOSFET
MOSFET - Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (Transistor de Efeito de Campo MOS)
A estrutura de um transistor MOS é apresentada na Fig. 1.
Figura 1: Estrutura de um MOSFET canal N.
Para um transistor MOS canal N, o substrato é tipo P e as regiões de Source e Dreno são tipo N. O substrato
é normalmente ligado ao terminal de Source.
O controle do transistor MOS (ouMOSFET) é realizado através do controle da formação da região do canal, na
Fig. 1 uma região N, ou seja um MOS Canal N. Se as posições das regiões P e N forem trocadas, o MOS será do
tipo Canal P.
Sem tensão no terminal do Gate, temos dois diodos, um constitúıdo pela junção pn formada pela região n+ do
Dreno e o substrato do tipo p, e o outro pela junção formada pelo substrato e a região n+ da Source. Os dois
diodos “back-to-back” fazem com que não circule corrente entre o Dreno e a Source se o Gate não estiver polarizado.
Nestas condições, a resistência entre Dreno e Source é muito elevada (da ordem de 1012Ω).
Os śımbolos elétricos do MOS são apresentados na Fig.2. A notação moderna (Fig. 2.c) não indica o substrato
(que normalmente já vem ligado ao Source), e é parecida com os transistores bipolares: flecha para fora canal N
(NMOS - NPN) e flecha para dentro canal P (PMOS - PNP).
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2.1 Criação de um canal para a condução de corrente
Figura 2: Śımbolos de transistores MOS canal N.
2.1 Criação de um canal para a condução de corrente
Figura 3: Transistor MOS com tensão aplicada ao Gate.
Vamos analisar a condição apresentada na Fig.3. A Source e o Dreno foram ligados ao terra, enquanto aplicamos
uma tensão positiva ao Gate. A tensão entre o Gate e a Source é chamda de VGS . A tensão positiva do Gate cria
um campo elétrico do Gate em direção ao substrato, através do óxido de siĺıcio sob o terminal do Gate, causando
tem dois efeitos.
Por um lado, faz com que as lacunas sejam repelidas da região do substrato situada abaixo do Gate (chamada de
região do canal). Estas lacunas são empurradas para baixo, deixando atrás uma região esvaziada de lacunas. Esta
região de depleção contém ı́ons fixos negativos, correspondentes aos átomos aceitadores que perderam as lacunas
que foram repelidas.
Por outro lado, a tensão positiva da porta atrai elétrons das regiões n+ da Source e do Dreno (onde existem em
abundância) para a região do canal. Quando o número de elétrons acumulados junto à superf́ıcie do substrato por
baixo da porta é suficiente, forma-se uma região n ligando a Source e o Dreno, como se indica na Fig. 3.
Se, agora, aplicarmos uma tensão positiva entre o Dreno e a Source, flui corrente nesta região n induzida,
transportada pelos electrões móveis. A região n induzida forma um canal por onde a corrente flui do Dreno para a
Source. O MOSFET da fig. 2 3 chamado MOSFET de canal n ou, alternativamente, tranśıstor NMOS. Note-se que
um MOSFET de canal n é formado num substrato do tipo p e o canal é criado invertendo a superf́ıcie do substrato
do tipo p para o tipo n. Por esta razão, o canal induzido é chamado uma camada de inversão.
O valor de VGS necessário para que um número suficiente de eletrons móveis se acumulem na região do canal
para formar um canal condutor é chamado de tensão limiar, e é designado por Vt. Para um NMOS o valor de
Vt é positivo e para um PMOS Vt é negativo. O valor de Vt é controlado durante a fabricação do dispositivo e,
tipicamente,temos |Vt| entre 1 e 3 V.
O Gate e o corpo (substrato) do MOS formam um capacitor de placas paralelas em que o dielétrico é a camada de
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2.2 Funcionamento com tensões VDS pequenas
óxido de siĺıcio. A tensão positiva do Gate faz com que se acumule carga positiva na placa superior do capacitor (o
eléctrodo da porta). A correspondente carga negativa da placa inferior é formada pelos elétrons do canal induzido.
Desenvolve-se, assim, um campo eléctrico vertical entre a porta e o substrato. É a intensidade deste campo eléctrico
que controla a quantidade de carga no canal, determinando assim a sua condutividade e, consequentemente, a
corrente que flui no canal quando se aplica uma tensão VDS .
2.2 Funcionamento com tensões VDS pequenas
Tendo já induzido um canal, apliquemos agora uma tensão vDS positiva entre o Dreno e a Source, como se mostra
na Fig. 4.
Figura 4: Transistor MOS com tensão aplicada ao Gate e tensão VDS pequena.
Consideremos, primeiramente, o caso em que VDS é pequena (cerca de 100 mV a 200 mV). A tensão VDS faz
com que flua uma corrente ID no canal n induzido. Esta corrente é constitúıda por elétrons que viajam da Source
para o Dreno (dáı os nomes Source e Dreno). A grandeza de ID depende da densidade de elétrons no canal, que,
por sua vez, depende da grandeza de VGS .
Definimos que para VGS = Vt, onde Vt é chamada de tensão de threshold ou tensão de limiar, o canal está no
limite inicial de ser induzido e a corrente é ainda muit́ıssimo pequena. À medida que VGS se torna maior do que Vt,
mais elétrons são atráıdos para o canal, aumentando a sua profundidade, fazendo com que a condutância do canal
seja proporcional à tensão da porta em excesso (VGS − Vt). Portanto, a corrente ID será proporcional a VGS − Vt
e, obviamente, também proporcional à tensão VDS que permite que ID flua.
Vemos que o MOSFET funciona como uma resistência linear cujo valor é controlado por VGS . A resistência é
infinita para VGS < Vt, e o seu valor diminui à medida que VGS se torna maior do que Vt. A descrição anterior
indica que para o MOS conduzir, é necessário induzir um canal. O aumento de VGS acima da tensão limiar Vt
enriquece o canal, e dáı as designações MOSFET tipo enriquecimento. Finalmente, notemos que a corrente que
sai do terminal da Source (IS) é igual à corrente que entra pelo terminal do Dreno (ID) e que a corrente da porta
IG = 0. A fig. 5 mostra um esboço de ID versus VDS para vários valores de VGS .
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2.3 Funcionamento com VDS maior
Figura 5: ID versus VDS para vários valores de VGS , para tensão VDS pequena.
2.3 Funcionamento com VDS maior
Figura 6: Forma do canal para VGS > Vt e para tensão VDS maiores.
Consideremos agora a situação em que VDS se torna maior. Para isso, admitamos que VGS é mantida constante
num valor maior do que Vt. Notemos que VDS aparece como uma queda de tensão ao longo do canal, i.e., se
percorrermos o canal desde a Source até ao Dreno, a tensão (medida em relação à Source) aumenta de 0 até VDS .
Assim, a tensão entre o Gate e pontos ao longo do canal diminui desde o valor VGS , no terminal da Source, até ao
valor VGS − VDS , no terminal do Dreno.
Uma vez que a profundidade do canal depende desta tensão, conclúımos que, agora, o canal não tem mais uma
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2.3 Funcionamento com VDS maior
profundidade uniforme; pelo contrário, exibe a forma afunilada que se vê na Fig.6 , com maior profundidade do
lado da Source e menor do lado do Dreno.
Quando VDS aumenta, o canal torna-se mais afunilado e a sua resistência aumenta correspondentemente. Assim,
a curva IDxVDS deixa de ser reta, encurvando como se mostra na Fig. 7.
Note-se que à medida que VDS aumenta, vai diminuindo a tensão VGD = VGSxVDS, i.e., a tensão entre a porta
e o canal na extremidade do dreno. A certa altura, quando VDS atinge o valor que reduz a tensão VGD ao valor Vt,
i.e., VGS − VDS = Vt ou VDS = VGS − Vt, a profundidade do canal do lado do dreno diminui para zero, dizendo-se
então que o canal está estrangulado.
Aumentando VDS para além deste valor, é muito pequeno o efeito (teoricamente, nenhum) sobre a forma do
canal, e a corrente através do canal permanece constante no valor atingido para VDS = VGS−Vt. A corrente de dreno
satura, assim, neste valor, dizendo-se então que oMOSFET entrou na região de saturação do seu funcionamento.
Isso pode ser visto também nas Fig. 7 e Fig. 8.
Figura 7: A curva IDxVDS.
Deve notar-se que com VDS > VGS−Vt, a camada de inversão termina um pouco aquém da região do dreno, i.e.,
há uma curta região de depleção entre o extremo da camada de inversão e a região do dreno. A corrente atravessa
esta região porque existe um campo eléctrico intenso no sentido longitudinal do canal que produz um fluxo de
elétrons da extremidade da camada de inversão para o dreno.
A tensão VDS para a qual ocorre a saturação é designada por VDSsat = VGS − Vt.
Obviamente, para cada valor de VGS > Vt, há um valor correspondente de VDSsat. O tranśıstor opera na região
de saturação seVDS > VDSsat. A região das caracteŕısticas IDxVGS obtidas para VDS < VDSsat é chamada região de
tŕıodo, uma designação herdada do tempo das válvulas, cujo funcionamento se assemelha ao do MOS. Esta região
é ainda designada por outros autores como região ôhmica.
ATENÇÃO: Não se deve confundir a saturação do MOS com a saturação do BJT. A região de saturação do
MOS corresponde à região activa do BJT.
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Figura 8: A curva IDxVDS.
3 Equação do transistor MOS na saturação
Para tensões VGS ≥ Vt, a corrente de dreno no transistor MOS é dada por:
ID = k0 (VGS − Vt))2
W
l
(1)
onde W e l são, respectivamente, a largura e o comprimento do canal.
Para transistores discretos, onde os valores de W e l são pré-fixados na fabricação, normalmente o valor de W/l
fica embutido na constante da equação de ID − VGS e a equação se torna:
ID = k (VGS − Vt))2 (2)
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