Philco DV-301 Schematic

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Capítulo 5

ELECTRÓNICA I

3º ano - Ramo APEL

TRANSÍSTORES DE EFEITO DE CAMPO

Este texto é oferecido aos alunos para o policopiarem livremente e destina-se a complementar o livro de texto recomendado, "Microelectronic Circuits", de Sedra and Smith. Consiste, essencialmente, numa tradução do capítulo homónimo desse livro, com algumas alterações da responsabilidade do autor visando uma melhor adequação ao programa da disciplina. Beneficiou também de sugestões do Prof. Pedro Guedes de Oliveira.

Franclim F. Ferreira Janeiro 1999

Electrónica II

Cap. 5 - Transístores de efeito de campo

Capítulo 5

TRANSÍSTORES DE EFEITO DE CAMPO

1. Introdução

Neste capítulo vamos estudar o outro tipo principal de transístor, o transístor de efeito de campo (FET). À semelhança dos transístores bipolares, a tensão entre dois terminais do FET controla a corrente no terceiro terminal. Analogamente, o FET pode ser usado, quer como amplificador, quer como interruptor.

O nome do transístor de efeito de campo deriva da essência do seu princípio de funcionamento. De facto, mostraremos que o mecanismo de controlo da corrente é baseado num campo eléctrico estabelecido pela tensão aplicada no terminal de controlo. Também veremos que a corrente é conduzida por um único tipo de portadores (electrões ou lacunas) dependendo do tipo de FET (canal n ou canal p), o que confere um outro nome ao FET, o de transístor unipolar.

Apesar de o conceito básico dos FETs ser conhecido desde os anos trinta, o dispositivo só se tornou uma realidade prática nos anos sessenta. Entretanto, a partir dos anos setenta, um tipo particular de FET, o transístor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (MOSFET), tornou-se extremamente popular.

Comparados com os BJT, os transístores MOS podem ser fabricados muito mais pequenos (i.e., ocupando uma área de silício muito mais pequena na pastilha de circuito integrado), além de o seu processo de fabrico ser mais simples. Além disso, as funções lógicas digitais e de memória podem ser implementadas com circuitos que usam exclusivamente MOSFETs (i.e., não são necessários nem resistências nem díodos). Por estas razões, a maior parte dos circuitos integrados-em-grande escala (VLSI) são actualmente realizados com tecnologia MOS. É o caso dos microprocessadores e das memórias. A tecnologia MOS tem também sido extensivamente aplicada no projecto de circuitos integrados analógicos.

Apesar de a família de dispositivos FET incluir muitos tipos diferentes, e vamos estudar vários, a maior parte do capítulo é dedicada ao MOSFET de enriquecimento, que é de longe o transístor de efeito de campo mais importante. A sua importância pode comparar-se à do transístor bipolar, cada um detendo as suas áreas de aplicação.

Os transístores de efeito de campo estão disponíveis em unidades discretas, e estudaremos as suas aplicações no projecto de circuitos discretos. O seu uso mais importante é, contudo, no projecto de circuitos integrados.

2. Estrutura e princípio de funcionamento do MOSFET de enriquecimento

O MOSFET de enriquecimento é o transístor de efeito de campo mais usado. Nesta secção, estudaremos a sua estrutura e princípio de funcionamento. Daqui derivam as características tensão-corrente do dispositivo, que estudaremos na secção seguinte.

Franclim Ferreira Janeiro 1999

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Cap. 5 - Transístores de efeito de campo

2.1. Estrutura do dispositivo

A fig. 1 mostra a estrutura física do MOSFET de enriquecimento de canal-n.

(fig. 1)

O significado dos nomes “enriquecimento” e “canal-n” tornar-se-ão claros brevemente. O transístor é fabricado num substrato do tipo p, que é uma pastilha (bolacha) feita de um cristal único de silício que fornece suporte físico para o transístor (ou para o circuito inteiro, no caso de um circuito integrado).

No substrato, foram criadas duas regiões do tipo n fortemente dopadas, indicadas na figura como regiões n dióxido de silício (SiO

da fonte e do dreno. Uma camada fina (cerca de 0,1 µm) de ), que é um excelente isolante eléctrico, foi desenvolvida na

superfície do substrato, cobrindo a área entre as regiões da fonte e do dreno. Seguidamente, depositou-se metal por cima da camada de óxido para formar o

eléctrodo porta do dispositivo. Finalmente, realizaram-se contactos metálicos nas regiões da fonte, do dreno e do substrato, também referido como corpo. Desta forma, foram criados quatro terminais: os terminais da porta (G), da fonte (S), do dreno (D) e do substrato ou corpo (B).

Nesta altura, já é certamente claro que o nome do transístor (metal-óxidosemicondutor) deriva da sua estrutura física. O nome, contudo, tornou-se tão geral que é usado também para os FETs que não usam metal no eléctrodo da porta. De facto, a maior parte dos MOSFETs modernos são fabricados usando um processo conhecido como tecnologia de porta de silício, na qual se usa um certo tipo de silício, chamado polisilício, para formar o eléctrodo da porta. A descrição que vamos fazer do funcionamento do MOSFET aplica-se independentemente do tipo de eléctrodo da porta.

Outro nome do MOSFET, hoje pouco utilizado, é o de FET de porta isolada ou IGFET. Este nome também deriva da estrutura física do transístor, enfatizando o facto de o eléctrodo da porta estar isolado electricamente do corpo do dispositivo (pela camada de óxido). É este isolamento que está na origem de a corrente da porta ser extremamente pequena (da ordem de 10

-15

A).

Vemos que o substrato forma junções pn com as regiões da fonte e do dreno. Em funcionamento normal, estas junções pn são mantidas permanentemente contrapolarizadas. Uma vez que o dreno vai estar com uma tensão positiva relativamente à fonte, as duas junções pn podem ser efectivamente colocadas em corte, ligando simplesmente o terminal do substrato ao terminal da fonte. Admitiremos que é esse o caso na descrição do funcionamento do MOSFET, a seguir desenvolvida.

Desta forma, o substrato poderá ser considerado como não tendo nenhum efeito no funcionamento do dispositivo, e o MOSFET poderá ser tratado como um dispositivo de três terminais, i.e., a porta (G), a fonte (S) e o dreno (D).

Mostraremos que uma tensão aplicada à porta controla o fluxo de corrente entre a fonte e o dreno. Esta corrente flui na direcção longitudinal do dreno para a fonte na região designada por “canal”.

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Note-se que esta região tem um comprimento L e uma largura W, dois importantes parâmetros do MOSFET. Tipicamente, L tem valores entre 1 e 10 µm, e W entre 2 e 500 µm. Note-se, finalmente, que ao contrário do BJT, o MOSFET é normalmente construído como um dispositivo simétrico. Assim, a fonte e o dreno podem ser trocados sem alteração das características do transístor.

2.2. Funcionamento sem tensão de porta

Se não for aplicada qualquer tensão de polarização à porta, entre a fonte e o dreno existem dois díodos em anti-série. Um díodo é constituído 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 fonte. A existência destes dois díodos impede que flua corrente entre o dreno e a fonte, se aplicarmos uma tensão v

positiva entre o dreno

e a fonte. De facto, o percurso entre o dreno e a fonte tem uma resistência muito elevada ( da ordem do teraohm - 1012 Ω).

2.3. Criação de um canal para a condução de corrente

Consideremos agora a situação representada na fig. 2.

(fig. 2)

Note-se que a fonte e o dreno foram ligados à massa enquanto se aplicou uma tensão positiva à porta. Uma vez que a fonte está à massa, toda a tensão da porta aparece entre a porta e a fonte, pelo que foi designada por v

. A tensão positiva da

porta tem dois efeitos. Por um lado, origina que as lacunas (cargas positivas) sejam repelidas da região do

substrato situada por baixo da porta (a região do canal). Estas lacunas são empurradas para baixo, deixando atrás uma região esvaziada de portadores. Esta região de depleção contém iões negativos correspondentes aos átomos aceitadores que perderam as lacunas que foram repelidas.

Por outro lado, a tensão positiva da porta atrai electrões das regiões n

da fonte e do dreno (onde existem em abundância) para a região do canal. Quando o número de electrões acumulado junto da superfície do substrato por baixo da porta é suficiente, constitui-se, de facto, uma região n ligando a fonte e o dreno, como se indica na fig. 2.

Se, agora, aplicarmos uma tensão positiva entre o dreno e a fonte, flui corrente nesta região n induzida, transportada pelos electrões móveis. A região n induzida forma, assim, um canal por onde a corrente flui do dreno para a fonte, pelo que essa designação é apropriada.

Correspondentemente, o MOSFET da fig. 2 é chamado MOSFET de canal n ou, alternativamente, transístor NMOS. Note-se que um MOSFET de canal n é formado num substrato do tipo p e o canal é criado invertendo a superfície do substrato do tipo p para o tipo n. Por esta razão, o canal induzido é chamado uma camada de inversão.

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O valor de vGS necessário para que um número suficiente de electrões móveis se acumulem na região do canal para formar um canal condutor é chamado tensão limiar e é designado por V

. Obviamente, Vt para um FET de canal n é positiva. O

valor de Vt é controlado durante o fabrico do dispositivo e, tipicamente, toma valores compreendidos entre 1 e 3 V.

A porta e o corpo do MOSFET formam um condensador de placas paralelas em que o dieléctrico é a camada de óxido. A tensão positiva da porta faz com que se acumule carga positiva na placa superior do condensador (o eléctrodo da porta). A correspondente carga negativa da placa inferior é formada pelos electrões do canal induzido. Desenvolve-se, assim, um campo eléctrico vertical entre a porta e o substrato. É este 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 v

2.4. Funcionamento com v

Tendo já induzido um canal, apliquemos agora uma tensão v

pequena

positiva entre o dreno

e a fonte, como se mostra na fig. 3.

(fig. 3)

Consideremos, primeiramente, o caso em que v A tensão v

faz com que flua uma corrente iD no canal n induzido. Esta corrente é

é pequena (digamos, 0,1 ou 0,2V).

constituída por electrões que viajam da fonte para o dreno (daí os nomes fonte e dreno). A grandeza de i

depende da densidade de electrões no canal, que, por sua

vez, depende da grandeza de vGS. Concretamente, para vGS = Vt o canal está limiarmente induzido pelo que a corrente é ainda muitíssimo pequena. À medida que

se torna maior do que Vt, mais electrões são atraídos para o canal. Podemos

visualizar o aumento de portadores de carga como um aumento da profundidade do canal. De facto, a condutância do canal é proporcional à tensão da porta em excesso (v obviamente, à tensão v

A fig. 4 mostra um esboço de i

- Vt). Decorre, assim, que a corrente iD será proporcional a vGS - Vt e,

que origina que iD flua.

versus vDS para vários valores de vGS.

(fig. 4)

Vemos que o MOSFET funciona como uma resistência linear cujo valor é controlado por v

. 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 MOSFET conduzir, é necessário induzir um

canal. O aumento de v

acima da tensão limiar Vt enriquece o canal, e daí as

designações funcionamento em modo de enriquecimento e MOSFET de enriquecimento. Finalmente, notemos que a corrente que sai do terminal da fonte

) é igual à corrente que entra pelo terminal do dreno (iD) e que a corrente da porta

= 0.

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2.5. Funcionamento com vDS maior

Consideremos agora a situação em que v

se torna maior. Para isso, admitamos

que vGS é mantida constante num valor maior do que Vt (fig. 5).

(fig. 5)

Notemos que v

aparece como uma queda de tensão ao longo do canal, i.e., se

percorrermos o canal desde a fonte até ao dreno, a tensão (medida em relação à fonte) aumenta de 0 até vDS. Assim, a tensão entre a porta e pontos ao longo do canal diminui desde o valor vGS, na extremidade da fonte, até ao valor vGS - vDS, na extremidade do dreno.

Uma vez que a profundidade do canal depende desta tensão, concluímos que o canal não tem, agora, profundidade uniforme; pelo contrário, exibe a forma afunilada que se vê na fig. 5, com maior profundidade do lado da fonte e menos do lado do dreno (ver também fig. 5-A(a)).

(fig. 5-A)

Quando v

aumenta, o canal torna-se mais afunilado e a sua resistência aumenta

correspondentemente. Assim, a curva iD - vDS deixa de ser rectilínea, encurvando como se mostra na fig. 6.

(fig. 6)

Note-se que à medida que v

aumenta, vai diminuindo a tensão vGD = vGS - vDS, 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 (fig. 5-A(b)).

Aumentando v

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 v neste valor, dizendo-se então que o MOSFET entrou na região de saturação

= vGS - Vt. A corrente de dreno satura, assim,

seu funcionamento. Deve notar-se que, com v

> 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 (fig. 5-A(c)). A corrente atravessa esta região porque existe um campo eléctrico intenso no sentido longitudinal do canal que produz um fluxo de electrões da extremidade da camada de inversão para o dreno.

A tensão v

para a qual ocorre a saturação é designada por v

DS,sat

Não se deve confundir a saturação dos FETs com a saturação dos BJTs. A região de saturação dos FETs corresponde à região activa dos BJTs, como adiante veremos. Apesar do termo saturação ser mais adequado no caso dos FETs do que no caso dos BJTs, foi uma ideia pouco feliz ter-se adoptado o mesmo termo para caracterizar regiões diferentes - mas, após tantos anos, já não há nada a fazer, a não ser ter cuidado!

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Obviamente, para cada valor de v transístor opera na região de saturação se v

obtidas para vDS < v

D-vDS

= vGS - Vt (1)

DS,sat

≥ Vt, há um valor correspondente de v

≥ v

é chamada região de tríodo, uma designação

DS,sat

. A região das características

DS,sat

. O

herdada do tempo das válvulas de vazio a cujo funcionamento se assemelha o dos FETs. Esta região é ainda designada por outros autores como região óhmica.

Para melhor se visualizar o efeito de v

, mostramos na fig. 7 esboços da forma do

canal à medida que vDS aumenta enquanto vGS permanece constante.

(fig. 7)

Teoricamente, qualquer aumento de v

acima de v

(que é igual a vGS - Vt) não

DS,sat

tem efeito sobre a forma do canal e simplesmente aparece através da região de depleção que envolve o canal e região n

do dreno.

2.6. O MOSFET de canal p

Um MOSFET de enriquecimento de canal p (transístor PMOS) é fabricado num substrato do tipo n com regiões p

para o dreno e a fonte, e usa lacunas como portadores de carga. O dispositivo funciona da mesma maneira que o de canal n, excepto que vGS e vDS são negativas e a tensão limiar Vt é negativa. A corrente iD entra pelo terminal da fonte e sai pelo terminal do dreno.

Inicialmente, a tecnologia PMOS foi dominante, em virtude de o fabrico dos transístores NMOS não permitir obter valores de V

estáveis. A utilização de

polisilício em vez de metal na porta dos MOSFETs veio permitir superar essas dificuldades, conduzindo a que os NMOS hoje predominem.

De facto, como os portadores de carga nos NMOS são electrões, e estes têm uma mobilidade cerca de três vezes maior do que as lacunas, no silício, os transístores NMOS podem ocupar uma área menor e, assim, serem mais rápidos, além de requererem menores tensões de alimentação.

Todavia, não se deve ignorar os PMOS por duas razões: os PMOS continuam a ser fabricados para circuitos discretos, e principalmente porque os importantíssimos circuitos CMOS (MOS complementar) utilizam os dois tipos de transístores, NMOS e PMOS.

2.7. MOS complementar ou CMOS

Como se deduz do nome, a tecnologia MOS complementar utiliza transístores MOS das duas polaridades. Apesar de os circuitos CMOS serem um pouco mais difíceis de fabricar do que os NMOS, o facto de se dispor de dispositivos complementares torna viáveis muitas possibilidades interessantes de projecto de circuitos. De facto, actualmente, CMOS é a mais útil de todas as tecnologias de circuitos integrados MOS, quer no que respeita a circuitos analógicos, quer digitais.

A fig. 8 mostra uma secção transversal duma pastilha CMOS, ilustrando como os transístores PMOS e NMOS são fabricados.

(fig. 8)

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Note-se que enquanto o transístor PMOS é implementado directamente no substrato do tipo n, o transístor NMOS é fabricado numa região p especialmente criada, conhecida como um poço p. Os dois dispositivos são isolados um do outro por uma espessa região de óxido que funciona como um isolante.

2.8. Funcionamento do transístor MOS na região sublimiar

A anterior descrição do funcionamento do MOSFET implica que para v

< Vt,

nenhuma corrente flui e o transístor está em corte. Isto não é inteiramente verdade na medida em que se verifica que, para valores de v

menores mas próximos de Vt,

flui uma pequena corrente de dreno. Nesta região sublimiar de funcionamento, a corrente de dreno é uma função exponencial de v

, à semelhança da relação iC-vBE

dum transístor bipolar. Apesar de na maior parte das aplicações, o transístor MOS ser operado com v

Vt, há um número crescente de aplicações especiais que fazem uso do

funcionamento sublimiar.

3. Características tensão-corrente do MOSFET de enriquecimento

Com base nos fundamentos físicos atrás estabelecidos para o funcionamento do transístor MOS de enriquecimento, vamos, nesta secção, ver as suas características tensão-corrente completas. Estas características podem ser medidas em corrente contínua ou a baixas frequências e, assim, são chamadas características estáticas. Os efeitos dinâmicos que limitam o funcionamento do MOSFET a altas frequências e com grandes velocidades de comutação serão analisados mais tarde.

3.1. Símbolo de circuito

A fig. 9(a) mostra o símbolo de circuito para o MOSFET de enriquecimento de canal n.

(fig. 9)

O símbolo é bastante descritivo: o traço cheio vertical simboliza o eléctrodo da porta; o traço interrompido vertical representa o canal - o traço é interrompido para indicar que o transístor é do tipo de enriquecimento, cujo canal não existe sem a aplicação de uma tensão de porta adequada; finalmente, o espaço entre o traço da porta e o traço do canal representa o facto de que o eléctrodo da porta é isolado do corpo do dispositivo. A polaridade da junção pn entre o substrato do tipo p e o canal n é indicado pela seta do traço que representa o substrato. Esta seta também indica a polaridade do transístor, i.e., que se trata de um dispositivo de canal n.

Apesar de o MOSFET ser um dispositivo simétrico, é útil nas aplicações de circuito designar um terminal como fonte e outro como dreno (sem ter de escrever S e D junto deles). Isto é conseguido, no símbolo de circuito, desenhando o terminal da porta mais próximo da fonte do que do dreno. (Na prática, é a tensão aplicada

através do dispositivo que determina a fonte e o dreno; num FET de canal n, o dreno é sempre positivo relativamente à fonte.)

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Apesar de o símbolo da fig. 9(a) ser descritivo, ele é relativamente complexo e torna o desenho de circuitos grandes uma tarefa morosa. Um símbolo simplificado que se utiliza no caso geral do substrato estar ligado à fonte, é o que se mostra na fig. 9(b).

Neste símbolo, a seta do terminal da fonte aponta no sentido normal da corrente e cumpre dois objectivos: - distingue a fonte do dreno e indica a polaridade do transístor (i.e., canal n).

3.2. Características i

A fig. 10(a) mostra um MOSFET de enriquecimento de canal n com tensões v

- vDS

e vDS

aplicadas e indicando os sentidos normais das correntes.

(fig. 10)

Este circuito conceptual pode ser usado para medir as características i

D-vDS

, que são uma família de curvas, cada uma medida com uma tensão vGS constante. Decorre do estudo do princípio de funcionamento que atrás fizemos, que é de esperar que cada uma das curvas i

, tenha a forma mostrada na fig. 6. É este, de facto, o caso

D-vDS

como é evidente na fig. 10(b) que mostra um conjunto típico de características iD-vDS. As características da fig. 10(b) indicam que há três regiões distintas de

funcionamento: a região de corte, a região de tríodo e a região de saturação. A região de saturação é a região usada para o funcionamento de FET como amplificador. Para funcionar como interruptor, utilizam-se as regiões de corte e de tríodo. O dispositivo está em corte quando v

< Vt. Para operar o MOSFET na

região de tríodo, precisamos primeiro de induzir o canal,

≥ Vt (Canal induzido) (2)

e manter vDS suficientemente pequeno para que o canal permaneça contínuo. Isto consegue-se assegurando que a tensão porta-dreno é

> Vt (Canal contínuo) (3)

Esta condição pode ser declarada explicitamente em termos de vDS escrevendo vGD =

+ vSD = vGS - vDS; assim,

- vDS > Vt

expressão que pode rearranjada, vindo

< vGS - Vt (Canal contínuo) (4)

As Eqs. (2) e (4) constituem as duas condições necessárias para assegurar o funcionamento da região de tríodo. Isto é, o MOSFET de enriquecimento de canal n funciona na região de tríodo quando vGS é maior do que Vt e a tensão de dreno é menor do que a tensão da porta pelo menos de Vt volt.

Na região de tríodo, as características iD-vDS podem ser aproximadamente descritas pela relação

iKvVv v

=−−2

D GS t DS DS

()

[

(5)

]

em que K é um parâmetro do transístor dado por

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onde

é a mobilidade dos electrões (que são os portadores no canal n induzido),

(chamada a capacidade do óxido) é a capacidade por unidade de área do

nox





(6)









condensador porta-substrato, cujo dieléctrico é a camada de óxido, L é o comprimento do canal e W é a sua largura (ver fig. 1).

Uma vez que para um dado processo de fabrico, a quantidade constante (aproximadamente espessura de óxido de

0,1 µm), o coeficiente de aspecto do dispositivo W/L

10 µA/V

para o processo normal NMOS com uma

n Cox

é uma

determina o seu parâmetro de condutividade K. Note-se que, como decorre da Eq. (5), as unidades de K são A/V2.

Se vDS for suficientemente pequena, por forma a podermos desprezar o termo na

Eq. (5), obtemos para as características

≅ 2 K (vGS - Vt ) vDS (7)

junto da origem, a seguinte relação

D-vDS

Esta relação linear representa o funcionamento do transístor MOS como uma resistência linear rDS,

≡= −

Kv V

(

[

GS t

−21

(8)

)

]

cujo valor é controlado por vGS. Analisámos esta região de funcionamento na secção anterior (ver fig. 4).

Para operar o MOSFET na região de saturação, o canal tem de ser induzido,

≥ Vt (Canal induzido) (9)

e estrangulado na extremidade do dreno, elevando vDS a um valor que faça com que a tensão porta-dreno se torne inferior a Vt,

≤ Vt (Canal estrangulado) (10)

A condição pode ser expressa explicitamente em termos de vDS, escrevendo

≥ vGS - Vt (Canal estrangulado) (11)

Isto é, o MOSFET de enriquecimento de canal n funciona na região de saturação quando vGS é maior do que Vt e a tensão de dreno não é inferior à tensão da porta mais do que Vt volt.

A fronteira entre a região de tríodo e a região de saturação é caracterizada por

= vGS - Vt (Fronteira) (12)

Substituindo este valor de vDS na Eq. (5), obtemos o valor de saturação da corrente

como sendo

= K (vGS - Vt )2 (13)

Assim, em saturação, o MOSFET fornece uma corrente de dreno cujo valor é independente da tensão de dreno vDS e é determinado pela tensão da porta vGS de acordo com a relação quadrática da Eq. (13), cujo esboço se mostra na fig. 11.

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(fig. 11)

Por outras palavras, o MOSFET em saturação comporta-se como uma fonte de corrente ideal cujo valor é controlado por vGS de acordo com a relação não linear da Eq. (13). A fig. 12 mostra uma representação de circuito desta visão do funcionamento na região de saturação. Note-se que se trata de um modelo equivalente para grandes sinais.

(fig. 12)

Voltando às características

iD-v

da fig. 10(b), note-se que a fronteira entre as

regiões de tríodo e de saturação está representada como uma curva a traço interrompido. Uma vez que esta curva é caracterizada por equação pode ser obtida substituindo v

- V

por vDS, quer na equação da região de

vDS = vGS - V

, a sua

tríodo (Eq. (5)), quer na equação da região de saturação (Eq. (13)). O resultado é

(14) iKv

Deve notar-se que as características representadas nas figs. 10, 11 e 4 são para um MOSFET com K = 0,25 mA/V2 e V

= 2 V.

Finalmente, o diagrama da fig. 13(a) mostra os níveis relativos que as tensões terminais do transístor NMOS de enriquecimento devem ter para o funcionamento nas regiões de tríodo e de saturação. A mesma informação é apresentada de uma forma diferente na fig. 13(b).

(fig. 13)

3.3. Resistência de saída finita em saturação

A independência absoluta de

relativamente a vDS na saturação, e a

correspondente resistência de saída infinita no dreno (ver fig. 12), é uma idealização baseada na premissa de que, uma vez o canal estrangulado na extremidade do dreno, posteriores aumentos de Na prática, o aumento de

não têm qualquer efeito sobre a forma do canal.

para além de v

afecta um pouco o canal.

DS,sat

Concretamente, à medida que vDS é aumentada, o ponto de estrangulamento do canal move-se ligeiramente do dreno em direcção à fonte. Por outras palavras, o ponto de constrição, para o qual

vGD = V

, (ver fig. 5-A(c)), vai-se deslocando em

direcção à fonte. Em consequência, aumenta a largura da região de depleção junto do dreno e diminui

o comprimento efectivo do canal, um fenómeno que é denominado modulação do comprimento do canal. Como

K, e portanto, i

, é inversamente proporcional ao

comprimento do canal, com a diminuição deste, a corrente aumenta. A fig. 14 mostra um conjunto típico de características

iD-v

exibindo o efeito da

modulação do comprimento do canal.

(fig. 14)

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A ligeira dependência de iD com vDS na região de saturação pode ser tida em conta analiticamente, incorporando o factor

1 + λ v

na equação de iD, como segue:

= K (vGS - Vt )2 (1 + λ vDS) (15)

em que a constante positiva λ é um parâmetro do MOSFET. Na fig. 14 notamos que prolongando para a esquerda a parte rectilínea das características i saturação, elas intersectam-se num mesmo ponto do eixo vDS, caracterizado por v

λ ≡

-V

= -1/

Tipicamente,

, onde VA é uma tensão positiva similar à tensão de Early dum BJT.

= 0,005 a 0,03 V

-1

, pelo que VA varia entre 200 e 30 V.

D-vDS

Uma consequência óbvia da modulação do comprimento do canal é que a resistência de saída em saturação é finita. Definindo a resistência de saída ro como

−



∂





(16)

constante



≡



∂



resulta

= [λ K (VGS - Vt )2]

-1

que pode ser aproximada por

≅ [λ ID]-1 (17)

em que ID é a corrente correspondente ao valor particular de vGS para o qual ro está a ser calculada. A aproximação da Eq. (17) é baseada em desprezar o efeito do factor

1 + λ v

da Eq. (15) no valor de ro - que é uma aproximação de segunda ordem. A

Eq. (17) pode ser alternativamente escrita como

≅ VA / ID (18)

Concluímos, assim, que a resistência de saída é inversamente proporcional à corrente de polarização ID. Finalmente, a fig. 15 mostra o modelo equivalente

incorporando

(fig. 15)

3.4. Características do MOSFET de canal p

A fig. 16(a) mostra o símbolo de circuito do MOSFET de enriquecimento de canal

(fig. 16)

Para o caso habitual de se ligar o substrato à fonte, usa-se o símbolo simplificado da fig. 16(b). As polaridades das tensões e correntes, em funcionamento normal, estão indicadas na fig. 16(c). Recorde-se que para um PMOS, a tensão limiar

negativa. Para induzir o canal, aplicamos uma tensão de porta mais negativa do que

≤ Vt (Canal induzido) (19)

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e uma tensão de dreno mais negativa do que a tensão da fonte (i.e., vDS é negativa). A corrente iD flui da fonte para o dreno, i.e., sai do transístor pelo terminal do dreno, como se indica na figura. Para o funcionamento na região de tríodo, vDS deve satisfazer a condição

i.e., a tensão de dreno deve ser maior do que a tensão da porta de, pelo menos, V

A corrente

é dada pela mesma equação dos NMOS (Eq. (5)),

(21)

≥ vGS - Vt (Canal contínuo) (20)

.

iKvVv v

=−−2

D GS t DS DS

()

[

]

em que vGS, Vt e vDS são negativos e K é dado por

onde

é a mobilidade das lacunas do canal p induzido. Tipicamente,

pelo que, em consequência, para o mesmo quociente

pox





(22)









µµ

≅

W / L um transístor PMOS tem

um valor de K cerca de três vezes menor do que o dum NMOS. Para o funcionamento em saturação, vDS deve satisfazer

i.e., a tensão de dreno deve ser menor do que a tensão da porta somada de V

≤ vGS - Vt (Canal estrangulado) (23)

. A

corrente iD é dada pela mesma equação usada para os NMOS (Eq. (15)),

= K (vGS - Vt )2 (1 + λ vDS) (24)

onde vGS, Vt, λ e vDS são negativos. Finalmente, o diagrama da fig. 17 mostra os níveis relativos que as tensões

terminais do transístor PMOS de enriquecimento devem ter para o funcionamento nas regiões de tríodo e de saturação.

(fig. 17)

3.5. O papel do substrato - o efeito do corpo

Em muitas aplicações, o terminal B do substrato (ou corpo) é ligado ao terminal da fonte, pelo que a junção

pn formada entre o substrato e o canal induzido (ver fig. 5)

fica permanentemente contrapolarizada. Em tais casos, o substrato não desempenha nenhum papel no funcionamento do circuito e a sua existência pode ser ignorada.

Nos circuitos integrados, contudo, o substrato é usualmente comum a vários transístores MOS. A fim de manter a condição de contrapolarização na junção substrato-canal, o substrato é habitualmente ligado à tensão de alimentação mais negativa num circuito NMOS (à mais positiva num circuito PMOS).

Franclim Ferreira Janeiro 1999

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Cap. 5 - Transístores de efeito de campo

A tensão inversa resultante entre a fonte e o corpo (VSB num dispositivo de canal n) vai afectar o funcionamento do transístor. Para apreciar esse efeito, consideremos um transístor NMOS e admitamos que o substrato está negativo relativamente à fonte. A tensão inversa alarga a região de depleção (ver fig. 2), o que, por sua vez, reduz a profundidade do canal.

De facto, ao aumentar a barreira de potencial nas junções fonte-substrato e drenosubstrato, é mais difícil aos electrões da fonte e do dreno serem atraídos para o canal. Este resulta, assim, empobrecido ou, como costumamos dizer, com menor profundidade. Para que o canal recupere o seu estado inicial,

tem de ser

aumentada. O efeito de

sobre o canal pode ser mais convenientemente representado como

uma alteração da tensão limiar Vt. Concretamente, pode mostrar-se que aumentando

a tensão de polarização inversa do substrato

, a tensão Vt aumenta de acordo

com a relação

em que Vt0 é a tensão limiar para V igual a

0,5 V

VV V

=+ + −

tt fSB f

é um parâmetro físico sendo 2

γφ φ

[

2 (25)

]

= 0;

é um parâmetro de fabrico, tipicamente

tipicamente igual a 0,6 V.

A Eq. (25) indica que um aumento de VSB origina um aumento de Vt, o que, por sua vez, causa uma diminuição de iD mesmo que vGS tenha sido mantida constante. Concluímos, assim, que a tensão do substrato controla iD; desta forma, o corpo actua como uma segunda porta para o MOSFET, um fenómeno chamado efeito do corpo. O efeito do corpo pode causar uma degradação considerável do desempenho do circuito, como veremos mais adiante.

3.6. Efeitos da temperatura

Quer cerca de causa um aumento correspondente da corrente de dreno. Todavia, uma vez que

, quer K são dependentes da temperatura. O valor da tensão limiar Vt diminui

2 mV por cada °C de aumento da temperatura. Esta diminuição de Vt

diminui com a temperatura (pois é proporcional à mobilidade), e este efeito é dominante, o efeito global de um aumento da temperatura é a diminuição da corrente de dreno. Este interessante resultado é aproveitado nas aplicações dos MOSFETs em circuitos de potência.

3.7. Rotura e protecção da entrada

Aumentando progressivamente a tensão do dreno, atinge-se um valor para o qual a junção Esta rotura ocorre geralmente para tensões entre

pn formada pela região do dreno e o substrato entra em rotura por avalanche.

50 e 100 V e manifesta-se por um

súbito aumento da corrente. Um outro efeito de rotura, que ocorre para tensões mais baixas (cerca de 20 V) nos

dispositivos modernos, chama-se perfuração. Manifesta-se nos transístores com canais relativamente curtos, quando a tensão do dreno aumenta a ponto de a região de depleção que envolve a região do dreno se estender através do canal até à fonte, provocando o aumento rápido da corrente de dreno. A perfuração, normalmente, não causa danos permanentes no transístor.

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Cap. 5 - Transístores de efeito de campo

Finalmente, um terceiro tipo de rotura ocorre quando a tensão porta-fonte excede um valor de cerca de 50 V. Trata-se da disrupção da camada de óxido e causa a destruição do transístor. Apesar de

50 V ser uma tensão elevada e, portanto, poder

pensar-se que é dificilmente atingida, deve recordar-se que o MOSFET tem uma impedância de entrada muito elevada, pelo que mesmo pequenas quantidades de carga acumulada na capacidade da porta podem levar a que esta tensão seja excedida.

Para evitar a acumulação de carga no condensador da porta de um MOSFET, os circuitos integrados MOS incluem normalmente dispositivos de protecção da porta, que invariavelmente fazem uso de díodos de fixação.

4. O MOSFET de depleção

Nesta secção vamos fazer uma breve análise de outro tipo de transístor, o MOSFET de depleção. A sua estrutura é similar ao MOSFET de enriquecimento, com uma diferença importante: este transístor dispõe de um canal fisicamente implantado.

Assim, um MOSFET de depleção de canal

n tem uma região do tipo n ligando as

regiões n+ da fonte e do dreno, na parte superior do substrato do tipo p. Desta forma, se aplicarmos uma tensão vDS entre o dreno e a fonte, flui uma corrente entre o dreno e a fonte, mesmo com v

= 0. Por outras palavras, não é necessário induzir

um canal, ao contrário do que acontece com o MOSFET de enriquecimento. A profundidade do canal e, portanto, a sua condutividade, pode ser controlada pela

tensão

, exactamente da mesma forma usada no dispositivo de enriquecimento. A

aplicação de uma tensão vGS positiva, enriquece o canal ao atrair mais electrões. Neste transístor, todavia, podemos também aplicar uma tensão vGS negativa, cujo

efeito é repelir electrões do canal, diminuindo a sua profundidade e, assim, a sua condutividade. Uma tensão

negativa provoca pois a depleção dos portadores de

carga do canal, pelo que este modo de funcionamento se designa modo de depleção.

Se o valor negativo da tensão

for progressivamente aumentado, atinge-se um

valor para o qual o canal é completamente esvaziado de portadores de carga, reduzindo a corrente a zero, mesmo que se continue a aplicar uma tensão

valor negativo de

é a tensão limiar do MOSFET de depleção de canal n.

. Este

A descrição que fizemos sugere, aliás correctamente, que um MOSFET de depleção pode funcionar em modo de enriquecimento, se aplicarmos uma tensão e em modo de depleção, se aplicarmos uma tensão

iD-v

são similares às do transístor de enriquecimento, excepto que a tensão Vt do

negativa. As características

positiva,

transístor de depleção de canal n é negativa. A fig. 18(a) mostra o símbolo de circuito do MOSFET de depleção de canal n.

(fig. 18)

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Cap. 5 - Transístores de efeito de campo

Este símbolo difere do símbolo do transístor de enriquecimento num único pormenor: o traço vertical que representa o canal é cheio, com o que se pretende sugerir que este transístor tem um canal físico. Nas situações em que o substrato (B) é ligado à fonte (S), pode usar-se o símbolo simplificado da fig. 18(b). Este símbolo difere do seu correspondente do transístor de enriquecimento pela área sombreada, incluída para representar o canal implantado.

As características

iD-v

dum MOSFET de depleção de canal n, para o qual V

= -4 V

e K = 1 mA/V2 estão representadas na fig. 19(b).

(fig. 19)

Apesar de estas características não mostrarem a dependência de

com vDS na

região de saturação, essa dependência existe e é idêntica à do transístor de enriquecimento.

Notemos que, uma vez que a tensão limiar

é negativa, o NMOS de depleção

funciona na região óhmica desde que a tensão de dreno não exceda a tensão da porta mais do que V exceder a da porta, pelo menos de

 . Para funcionar em saturação, a tensão de dreno deve

Vt . O diagrama da fig. 20(a) mostra os níveis

relativos das tensões terminais do transístor para as duas regiões de funcionamento. A fig. 20(b) mostra outra forma de representar a mesma informação.

(fig. 20)

A fig. 19(c) mostra as características

iD-v

em saturação, indicando os dois modos

de funcionamento, depleção e enriquecimento. As características tensão-corrente do MOSFET de depleção são descritas pelas

mesmas equações dadas atrás para o transístor de enriquecimento, com a diferença que, para um NMOS de depleção,

é negativa.

Outro parâmetro do MOSFET de depleção é o valor da corrente de dreno obtido em saturação para v

= 0. É designado por I

e está indicado na fig. 19(b) e (c). Pode

DSS

mostrar-se que

(26) IK

=2V

DSS t

Podem fabricar-se MOSFETs de depleção e de enriquecimento na mesma pastilha de circuito integrado, resultando circuitos com excelentes características, como se verá mais adiante.

Até agora analisámos apenas os transístores NMOS de depleção. Fabricam-se também transístores PMOS discretos, que funcionam de forma semelhante à dos NMOS, com a diferença que as polaridades de todas as tensões (incluindo

) são

invertidas. Além disso, num PMOS, a corrente iD flui da fonte para o dreno, entrando pelo terminal da fonte e saindo pelo do dreno.

A fig. 21 mostra, em resumo, o esboço das características

iD-v

dos MOSFETs de

ambos os tipos e polaridades, a funcionar em saturação.

(fig. 21)

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Cap. 5 - Transístores de efeito de campo

5. O transístor de efeito de campo de junção (JFET)

O transístor de efeito de campo de junção, ou JFET, é talvez o transístor mais simples de todos. Tem algumas características importantes, nomeadamente uma resistência de entrada muito elevada. Contudo, como os MOSFETs têm resistência de entrada ainda maior e apresentam muitas outras vantagens, a tecnologia MOS ganhou a primazia na implementação dos circuitos integrados em muito grande escala (VLSI).

Assim, apesar de se utilizar em algumas aplicações especiais, o JFET não é hoje um dispositivo muito significativo. Uma dessas aplicações envolve o uso de JFETs para realizar o andar de entrada de um AmpOp integrado em que o restante circuito é realizado com BJTs. A utilização do JFET no andar de entrada tira partido da sua elevada resistência de entrada, que é muito superior à que é possível com transístores bipolares.

O JFET é também utilizado no projecto de circuitos discretos, quer como amplificador, quer como interruptor.

Nesta secção, faremos uma introdução breve à estrutura do JFET, bem como ao seu princípio de funcionamento e características terminais.

5.1. Estrutura do JFET

Como os outros tipos de FETs, o JFET pode fabricar-se com duas polaridades: canal

n e canal p. A fig. 22(a) mostra uma estrutura simplificada do JFET de canal n.

(fig. 22)

Como vemos, consiste de um paralelipípedo de silício do tipo

n, com duas regiões do

tipo p, difundidas em dois lados opostos. Nestas regiões foram realizados contactos metálicos, que estão ligados entre si, constituindo o eléctrodo da porta. Nos topos do paralelipípedo realizaram-se também contactos metálicos que correspondem à fonte e ao dreno. A região do tipo

n entre as regiões da porta, que liga a fonte ao dreno, é

o canal. O funcionamento do dispositivo é baseado na contrapolarização da junção

existente entre a porta e o canal. De facto, é a polarização inversa desta junção que é usada para controlar a largura do canal e, portanto, a corrente que flui do dreno para a fonte. O papel essencial que esta junção desempenha no funcionamento deste FET está na origem do seu nome: FET de junção.

É evidente que se pode obter um transístor de canal

p se o dispositivo for fabricado

invertendo os tipos de semicondutor, i.e., usando silício do tipo p para o canal e do tipo n para as regiões da porta.

As fig. 22(b) e (c) mostram os símbolos de circuito para os JFETs das duas polaridades. Note-se que a polaridade do transístor ( canal pelo sentido da seta desenhada na porta, que aponta no sentido directo (de

n ou canal p) é indicada

p para n)

da junção porta-canal.

Franclim Ferreira Janeiro 1999

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