Transcript Aula 14 - Univasf

Transistor de Efeito de Campo
MOS (MOSFET) – Parte I
Jadsonlee da Silva Sá
[email protected]
www.univasf.edu.br/~jadsonlee.sa
Universidade Federal do Vale do São Francisco - UNIVASF
Colegiado de Engenharia da Computação – CECOMP
Introdução
 MOSFET – Transistor de Efeito de Campo Metal-Óxido
Semicondutor.
 Fabricados em dimensões pequenas, ao contrário dos
TBJs.
 É possível integrar um número grande de MOSFETs em
pastilhas de CI.
 Circuitos VLSI (Very Large
Memórias e microprocessadores.
Scale Integration) –
 Requer menos potência para operação quando comparado
com o TBJ.
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Introdução
 MOSFET tipo enriquecimento – Mais utilizado.
 Dispositivo de três terminais:
 Porta – G;
 Fonte – S;
 Dreno – D.
 Idéia básica  Uma tensão aplicada na porta (G)
controla o fluxo de corrente entre o dreno (D) e a fonte
(S).
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Introdução
 MOSFETs.
Canal n
(NMOS)
Canal p
(PMOS)
 Existem três regiões de operação:
 Corte  Chave.
 Triodo  Chave.
 Saturação  Amplificador.
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Operação do Dispositivo Canal n
 Se vG = 0 e vDS ≠ 0.
 Não haverá circulação de corrente do dreno (D) para
fonte (S) – Não existe um canal de condução.
 Resistência do dreno para a fonte é alta (1012 Ω).
 Criando um canal para circulação de corrente.
• vGS > 0  Gera um canal
para circulação corrente.
• Se vDS > 0, uma corrente
circulará do dreno para
fonte.
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Operação do Dispositivo Canal n
 Criando um canal para circulação de corrente.
 O valor de vGS para formar um canal de condução é chamado
de tensão de limiar - Vt.
 Vt é fixado durante a fabricação e possui valor na faixa de
0,5 a 1,0 V.
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Operação do Dispositivo Canal n
 Aplicando um pequeno valor de vDS (50 mV).
iS=iD e iG=0
 Uma corrente iD circulará e sua intensidade depende do
valor de vGS.
 Para vGS = Vt  A corrente é desprezível.
 Na prática, a condutância do canal é proporcional ao
excesso de tensão (vGS - Vt)  Tensão efetiva.
 iD é proporcional a vGS-Vt.
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Operação do Dispositivo Canal n
 Aplicando um pequeno valor de vDS.
O MOSFET opera
como um resistor
linear cujo valor é
controlado por vGS.
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Operação do Dispositivo Canal n
 Resumindo...
 Para um MOSFET canal n conduzir é necessário:
 Criar um canal de condução  Aumentar vGS acima de Vt.
 Aplicar uma tensão vDS resultando na circulação de iD.
 iD é proporcional vGS-Vt.
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Operação do Dispositivo Canal n
 Aumentando vDS.
 Considere o circuito abaixo onde vGS é constante e maior que
Vt, e vDS é variável.
 Para vDS pequeno, o MOSFET opera como um resistor linear.
 Quando vDS aumenta, a resistência do canal aumenta e o
dispositivo não opera mais de forma linear.
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Operação do Dispositivo Canal n
 Aumentando vDS.
 A característica iD-vDS não será mais uma linha reta (será
uma curva).
vDS=vGS-Vt
iD constante
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Operação do Dispositivo Canal n
 Determinação da relação iD-vDS.
 Região de triodo  vGS > Vt e vDS < vGS - Vt.
1
W 
2
i D  (  n C ox ) 
  ( vG S  Vt ) v D S  v D S 
2
 L 

Onde:
- μn (Mobilidade de elétrons do canal N);
- Cox (Capacitância por unidade de área);
- W (Largura do canal);
- L (Comprimento do canal).
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Operação do Dispositivo Canal n
 Determinação da relação iD-vDS.
 Região de saturação  vGS > Vt e vDS ≥ vGS - Vt.
W 
2
i D  (  n C ox ) 
(
v

V
)
t
 GS
2
 L 
1
 Obs.: Na saturação, iD permanece constante para dado vGS
à medida que vDS varia.
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Características de Corrente-Tensão
 Considere o circuito abaixo com um MOSFET canal n e
suas tensões vGS e vDS aplicadas.
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Características de Corrente-Tensão
 Na região de triodo.
vG S  Vt
v DS  v GS  Vt
1
W 
2
i D  (  n C ox ) 
(
v

V
)
v

v
t
DS
DS 
  GS
L
2



 Se vDS for pequeno, podemos desprezar o termo vDS2.
iD
W 
(  n C ox ) 
 ( vG S  Vt ) v D S
 L 
Equação Linear
 O dispositivo opera como uma resistência linear rDS cujo
valor é controlador por vGS.
rD S 
vDS
iD


W 
  (  n C ox ) 
 ( vG S  Vt ) 
 L 


1
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Características de Corrente-Tensão
 Na região de saturação.
W 
2
(

C
)
(
v

V
)
vG S  Vt
v DS  v GS  Vt
n
ox 
t
 GS
2
L


 iD aparentemente não depende de vDS.
iD 
1
O MOSFET na saturação
opera como uma fonte de
corrente (iD) controlada
por tensão (vGS).
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Características de Corrente-Tensão
 Modelo equivalente para grandes sinais do MOSFET canal
n na região de saturação.
k n   n C ox
'
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Características de Corrente-Tensão
 Vimos que na região de saturação, iD independe de vDS.
iD 
W 
2
(  n C ox ) 
(
v

V
)
t
 GS
2
 L 
1
 Na prática, existe uma dependência linear.
ro 
Tensão
de Early
iD 
VA
ID
Resistência
de saída
W 
2
(  n C ox ) 
 ( v G S  V t ) (1   v D S )
2
 L 
1
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Características de Corrente-Tensão
 Modelo equivalente para grandes sinais do MOSFET canal
n na região de saturação considerando ro.
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Características de Corrente-Tensão
 MOSFET canal p.
• A tensão de limiar é negativa (Vt < 0).
• Para induzir um canal de condução
vG S  Vt
• Para ter circulação de corrente.
vDS  0
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Características de Corrente-Tensão
 MOSFET canal p.
 Na região de triodo.
v DS  v GS  Vt
1
W 
2
i D  (  p C ox ) 
  ( vG S  Vt ) v D S  v D S 
2
 L 

 Na região de saturação.
v DS  v GS  Vt
W 
2
i D  (  p C ox ) 
(
v

V
)
(1   v D S )
t
 GS
2
 L 
1
 vGS, vDS, Vt e λ são grandezas negativas.
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Circuitos com MOSFET em CC
 Projete o circuito abaixo para ID = 0,4 mA e VD = 0,5 V.
Onde: Vt = 0.7 V, μnCox = 100 μA/V2, L = 1 μm, W = 32 μm e
λ = 0.
V D S  V G S  VT
ID
Região de saturação
W 
2
 (  n C ox ) 
(
v

V
)
t
 GS
2
 L 
1
v G S  V t  0, 5
R S  3, 25 k 
v S   1, 2V
RD  5k 
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Tarefa
Façam os exemplos da seção circuitos com MOSFET em
cc.
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