MOSFET: estrutura, operação e características

1. MOSFET:estrutura,operação ecaracterísticas

2. Transistores de Efeito de Campo FET’s Generalidades: A intensidade da corrente através de dois terminais (dreno e fonte) é controlada pelo potencial aplicado a um terceiro (porta) O controle é efetuado através de um campo elétrico: de junçãoJFET de um capacitorMOSFET

3. MOSFET DE ENRIQUECIMENTO MOSFET DE DEPLEÇÃO TERMINAIS D D D G: porta (gate) S: fonte (source) D: dreno (drain) B: substrato (bulk) G B G G B B S S S canal N canal N D G B S canal P canal P Simbologia e terminais do MOSFET

4. + VSB - B S + VGB - G + VDB - W D L n+ n+ p+ p- polissilício de porta difusão de fonte ou dreno óxido SiO2 canal de inversão substrato Estrutura do MOSFET canal N capacitor

5. + VSB - B S + VGB - G + VDB - W D L p+ p+ n+ n- Estrutura do MOSFET canal P polissilício de porta difusão de fonte ou dreno capacitor óxido SiO2 canal de inversão substrato

6. + VSB - B S + VGB - G + VDB - W D L n+ n+ p+ p- Para polarizar reversamente as junções: VDB , VSB > 0 canal N VDB , VSD < 0 canal P B: terminal de referência Preferencialmente: VB = VSS canal N VB = VDD canal P

7. Formação do canal de inversão -VGB + n+ n+ p+ p- VGB > 0 e VSB = VDB = 0 VSS carga descoberta - + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - As lacunas do substrato são repelidas na região abaixo do óxido Regime de Depleção

8. Formação do canal de inversão VSS -VGB + carga descoberta - - - - - n+ n+ p+ - - - canal de inversão - - - - - - - - - - - - - - p- Aumentando VGB Elétrons são atraídos para a superfície abaixo do óxido Regime de Inversão

9. Formação do canal de inversão VSS -VGB + carga descoberta - - - - - n+ n+ p+ - - - canal de inversão - - - - - - - - - - - - - - p- Aumentando VGB mais ainda Densidade de elétrons no canal de inversão aumenta Maior nível de inversão

10. No regime de inversão, com VSB = 0: VGB < VT0 inversão fraca VGB> VT0 inversão moderada a forte VT0 = tensão de limiar no equilíbrio (VSB = 0) De um modo geral: VGB < VT0 + nVSB inversão fraca VGB> VT0 + nVSB inversão moderada a forte n = fator de rampa (entre 1 e 2)

11. -VGB + + VDS - n+ n+ p+ B G D S ID VSS VDB > VSB p- Operação com VDS > 0 MOSFET no regime de inversão forte, VDS baixo - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Canal de perfil uniforme

12. VDS ID VGB3 VGB2 VGB1 VGB3 > VGB2 > VGB1 Características de saída MOSFET no regime de inversão forte, VDS baixo Região linear: resistência variável com tensão (VVR)

13. - + VDS -VGB + - - - - n+ n+ p+ - - - - - - - - - - - - - - G B S D VDB > VSB - - - - - - - - p- Operação com VDS > 0 MOSFET no regime de inversão forte, VDS maior A ddp entre dreno e fonte influencia a distribuição de cargas

14. VGB3 > VGB2 > VGB1 VDS ID VGB3 VGB2 VGB1 Características de saída MOSFET no regime de inversão forte Comportamento não linear

15. Operação com VDS > 0 MOSFET no regime de inversão forte, VDB> VP - + VDS -VGB + VP = tensão de “pinch-off” n+ n+ p+ - - - - - - VSS - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - p- n: entre 1 e 2 Uma parte do canal fica fracamente invertida

16. Operação com VDS > 0 MOSFET no regime de inversão forte, VDS> VP - + VDS -VGB + VP = tensão de “pinch-off” n+ n+ p+ - - - - - - VSS - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - p- n: entre 1 e 2 Uma parte do canal fica fracamente invertida

17. VCB = VP VCB = VDB >VP - + - - - - - - - - - + - + + + - - - - - - - - - - - E Região estrangulada: baixa concentração de elétrons elevado campo elétrico

18. VGB3 > VGB2 > VGB1 VDS ID VGB3 VGB2 VGB1 VDB = VP Características de saída MOSFET no regime de inversão forte A corrente satura para VDB > VP

19. Características de saída região de saturação região triodo VGB3 > VGB2 > VGB1 VDS ID VGB3 VGB2 VGB1 VDB = VP

20. VGB3 > VGB2 > VGB1 VDS ID VGB3 VGB2 VGB1 4fT Características de saída MOSFET no regime de inversão fraca A saturação independe de VGB

21. Regimes de Operação: MOSFET canal N Inversão fraca:VSB > VP = (VGB – VT0) /n Região triodo:VDS < 4fT ≈ 100 mV Região de saturação: VDS> 4fT Inversão forte:VSB< VP = (VGB – VT0) /n Região triodo:VDB < VP = (VGB – VT0) /n Região de saturação: VDB> VP = (VGB – VT0) /n

22. Regimes de Operação: MOSFET canal P Inversão fraca:VSB < VP = (VGB – VT0) /n Região triodo:VSD < 4fT ≈ 100 mV Região de saturação: VSD> 4fT Inversão forte:VSB> VP = (VGB – VT0) /n Região triodo:VDB > VP = (VGB – VT0) /n Região de saturação: VDB< VP = (VGB – VT0) /n

23. Equações da Corrente de Dreno B S G W D L n+ n+ p+ p- Inversão forte: (VSB < VP) Região triodo: (VDB < VP) m = mobilidade efetiva C’ox = Cox/(W.L) = capacitância do óxido por unidade de área

24. Equações da Corrente de Dreno Inversão forte: (VSB < VP) Região triodo (VDB < VP): Para VDS → 0: região de resistência variável com tensão

25. Equações da Corrente de Dreno Inversão forte: (VSB < VP) Região de saturação (VDB > VP):

26. Equações da Corrente de Dreno Inversão fraca: (VSB > VP) Região triodo (VDB < VP): Região de saturação (VDB > VP):

27. Efeito de Corpo O limiar de condução depende da tensão VSB VSB1 VSB2 VSB3 VT0 ID VGB VSB = 0 VT0 + nVSB1 (curvas de transferência em saturação)

28. VGB VSB VDB > VP VDB n+ n+ p- Modulação do comprimento do canal - CLM Efeito Early - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Leq DL Leq: comprimento equivalente do canal DL: comprimento da região estrangulada (aumenta ligeiramente com o aumento de VDB)

29. VDS ID VGB3 VGB2 VGB1 - VA VA = tensão de Early