2. Semicondutor de óxido metálico FET (MOSFET)

FET semicondutor de óxido metálico (MOSFET)

O FET (MOSFET) de semicondutor de óxido de metal é um dispositivo de quatro terminais. Os terminais são os fonte (S), portão (G) e dreno (D). O substrato or corpo forma o quarto terminal. O MOSFET é construído com o terminal de porta isolado do canal com um dielétrico de dióxido de silício. MOSFETs podem ser depleção or modo de aprimoramento. Nós definimos estes dois termos em breve.

Figura 1 - MOSFET de depleção de n canais

Os MOSFETs são às vezes chamados de IGFETs (Transistores de Efeito de Campo de Porta Isolados) devido ao SiO₂ camada usada como isolante entre o portão e o substrato. Começamos nossa análise com o MOSFET de modo de depleção. Assim como os BJTs podem ser npn or PNPMOSFETs podem ser n-canal (NMOS) ou p-canal (PMOS). A figura 1 ilustra a estrutura física e o símbolo de uma nde depleção de canais Observe que o substrato está conectado ao terminal de origem. Isso quase sempre será o caso.

O MOSFET de depleção é construído com um físico canal inserido entre o dreno e a fonte. Como resultado, quando uma voltagem, v_DS, é aplicado entre dreno e fonte, uma corrente, i_D, existe entre o dreno e a fonte, embora o terminal de porta G permaneça desconectado (v_GS = 0 V).

A construção do nDepleção de canais MOSFET começa com psilício o nOs poços de drenagem e fonte dopada formam conexões de baixa resistência entre as extremidades do n-canal, conforme mostrado na Figura 1. Uma fina camada de dióxido de silício é depositada cobrindo a área entre a fonte e o dreno. O SiO₂ é um isolante. Uma camada de alumínio é depositada no isolador de dióxido de silício para formar o terminal da porta. Em operação, um negativo v_GS empurra os elétrons para fora da região do canal, esgotando o canal. Quando v_GS atinge uma certa voltagem, V_T, o canal é beliscou. Valores positivos de v_GS aumentar o tamanho do canal, resultando em um aumento da corrente de dreno. O MOSFET de depleção pode operar com valores positivos ou negativos de v_GS. Como o gate é isolado do canal, a corrente do gate é insignificante (na ordem de 10^-12 UMA).

Figura 2 - MOSFET de depleção do canal p

Figura 2 é comparável à Figura 1, exceto que nós mudamos o nde depleção de canalização a um pde depleção de canais

A nO MOSFET de aprimoramento de canal é ilustrado na Figura 3 juntamente com o símbolo do circuito. Esta é a forma mais comumente usada de transistor de efeito de campo.

Figura 3 - MOSFET de aprimoramento de canal n

A nMelhoria de canal MOSFET difere do MOSFET de esgotamento por não ter o fino n-camada. Requer uma voltagem positiva entre o portão e a fonte para estabelecer um canal. Este canal é formado pela ação de uma tensão positiva de porta a fonte, v_GS, que atrai elétrons da região do substrato entre o ndreno dopado e a fonte. Positivo v_GS faz com que os elétrons se acumulem na superfície abaixo da camada de óxido. Quando a tensão atinge um limiar, V_T, um número suficiente de elétrons são atraídos para esta região para fazê-lo agir como um condutor n-canal. Nenhuma corrente de drenagem apreciável, i_D existe até v_GS excede V_T.

Figura 4 é comparável à Figura 3, exceto que nós mudamos o nMOSFET de realce de canal para um pMelhoria do canal MOSFET.

Figura 4 - MOSFET de aprimoramento de canal p

Em resumo, a família MOSFET exibe os dados de identificação i_D contra v_GS curvas mostradas na Figura 5. Cada curva característica é desenvolvida com tensão de fonte de dreno suficiente v_DS para manter o dispositivo na região de operação normal do i_D contra v_DS curvas. A discussão em seções posteriores definirá a tensão limite V_T para ambos os MOSFETs de aumento e MOSFETs de depleção.

Figura 5 - i_D contra v_GS características da família MOSFET para tensão de fonte de dreno suficiente V_DS

Características do terminal MOSFET 2.1 Enhancement Mode

Agora que apresentamos a estrutura básica e a base para a operação do MOSFET, usamos uma abordagem para examinar o comportamento do terminal do dispositivo de modo de melhoria. Vamos primeiro fazer algumas observações gerais da Figura 1. Pense no fluxo normal de corrente no MOSFET como sendo do dreno para a fonte (assim como no BJT, é entre o coletor e o emissor). Tal como acontece com o npn BJT, existem dois diodos back-to-back entre o dreno e a fonte. Portanto, devemos aplicar tensões externas ao gate para permitir que a corrente flua entre o dreno e a fonte.

Se aterrarmos a fonte e aplicarmos uma voltagem positiva ao gate, essa voltagem será efetivamente a voltagem gate-to-source. A tensão positiva da porta atrai elétrons e repele buracos. Quando a tensão excede o limite (V_T), elétrons suficientes são atraídos para formar um canal condutor entre o dreno e a fonte. Neste ponto, o transistor liga e a corrente é uma função de ambos v_GS e v_DS. Deve ficar claro que V_T é um número positivo para um n-canal e um número negativo para um pdispositivo de canal.

Depois que um canal é criado (isto é, v_GS>V_T), o fluxo de corrente pode ocorrer nesse canal entre o dreno e a fonte. Este fluxo de corrente depende v_DS, mas também depende v_GS. Quando v_GS mal excede a tensão limite, muito pouca corrente pode fluir. Como v_GS aumenta além do limiar, o canal contém mais portadores e correntes mais altas são possíveis. Figura 6 mostra a relação entre i_D e v_DS onde v_GS é um parâmetro. Note que para v_GS menor que o limite, nenhum fluxo de corrente. Para maior v_GS, o relacionamento entre i_D e v_DS é aproximadamente linear indicando que o MOSFET se comporta como um resistor cuja resistência depende v_GS.

Figura 6 -i_D contra v_DS para um modo de aprimoramento n-canal MOSFET quando v_DS é pequeno

As curvas da figura 6 parecem linhas retas. No entanto, eles não continuarão como linhas retas quando v_DS fica maior. Lembre-se de que uma voltagem de porta positiva é usada para criar o canal de condução. Isso é feito atraindo elétrons. A tensão de dreno positiva está fazendo a mesma coisa. Quando nos aproximamos do final do canal, a tensão que cria o canal se aproxima v_GS-v_DS já que as duas fontes se opõem. Quando essa diferença é menor que V_T, o canal não existe mais para todo o espaço entre a fonte e o dreno. O canal é constrangido no final do dreno, e novos aumentos v_DS não resulta em qualquer aumento i_D. Isso é conhecido como a região operacional normal ou saturação região mostrada na Figura 7 pela seção horizontal das curvas características. Quando a diferença é maior que V_Tnós chamamos isso de triodo modo, porque os potenciais em todos os três terminais afetam fortemente a corrente.

A discussão anterior leva às curvas operacionais da Figura 7.

Figura 7 -i_D contra v_GS para um MOSFET de modo de melhoria

A transição entre o tríodo e a região de operação normal (conhecida como região de saturação e frequentemente identificada como operação no modo de pinçamento) é mostrada como a linha tracejada na Figura 7, onde

(1)

Na fronteira da região dos triodos, os joelhos das curvas seguem aproximadamente a relação,

(2)
Na Equação (2), K é uma constante para um determinado dispositivo. Seu valor depende das dimensões do dispositivo e dos materiais utilizados em sua construção. A constante é dada por

(3)
Nesta equação, μ_n é a mobilidade eletrônica; C_óxidoa capacitância de óxido é a capacidade por unidade de área da porta; W é a largura do portão; L é o comprimento do portão. A equação indica uma relação complicada e não linear entre i_D e as duas tensões v_DS e v_GS. Já que gostaríamos que a corrente de dreno variasse aproximadamente linearmente com v_GS (independente de v_DS), o FET geralmente não é usado na região tríodo.

Desejamos agora encontrar uma equação para as curvas de operação na região de saturação. Podemos estabelecer os valores na transição entre o triodo e a região de saturação, avaliando a Equação (2) na transição (joelho). Isso é,

(4)
Esta equação estabelece a magnitude da corrente de dreno no limite (linha tracejada na Figura 8) como uma função da tensão de gate-to-source v_GS. Se necessário, podemos considerar a ligeira inclinação das curvas características na região de saturação, adicionando um fator linear.

(5)
Na equação (5), λ é uma constante pequena (a inclinação da seção horizontal próxima das curvas características mostradas na Figura 8). Geralmente é menor que 0.001 (V^-1). Então

(6)

Toda a nossa discussão anterior lidou com o transistor NMOS. Nós agora discutimos brevemente as modificações necessárias para o PMOS. Para o PMOS, os valores de v_DS será negativo. Além disso, para criar um canal no PMOS, .

Figura 8 - Características do terminal de um transistor MOSFET

As únicas alterações das características dos transistores NMOS (Figura 7) é que o eixo horizontal é agora -v_DSem vez de + v_DS,e as curvas paramétricas representam uma corrente de dreno mais alta à medida que a tensão da porta diminui (em vez de aumentar para o transistor NMOS). As curvas para aumentar os valores de corrente correspondem a uma tensão de porta mais negativa. Quando v_GS> V_T, o transistor é cortado. Para aprimoramento PMOS, V_T é negativo, e para o esgotamento PMOS, V_T é positivo.

A equação da corrente na transição da região tríodo para o transístor PMOS é idêntica à do NMOS. Isso é,

(7)
Observe que v_GS e v_DS são ambas as quantidades negativas. A equação da região de saturação no transistor PMOS também é idêntica à do NMOS. Isso é,

(8)

Observe que λ é negativo para os transistores PMOS desde a taxa de variação da curva () é negativo.

Tomando a derivada parcial de ambos os lados da Equação (6) em relação a v_GS, , Nós temos

(9)
Nós preferimos o valor de g_m para ser constante, especialmente para grandes oscilações de sinal. No entanto, só podemos aproximar essa condição se usarmos o FET para pequenas aplicações de sinal. Para condições de sinal grandes, a distorção da forma de onda pode ser inaceitável em algumas aplicações.

MOSFET de Depleção-Modalidade de 2.2

A seção anterior tratou do MOSFET do modo de aprimoramento. Agora, contrastamos isso com o MOSFET do modo de depleção. Para o nNo modo de melhoria do canal, para adquirir um canal, tivemos que aplicar uma voltagem positiva no gate. Essa voltagem tinha que ser grande o suficiente para forçar um número suficiente de elétrons móveis para produzir uma corrente em um canal induzido.

Figura 9 - MOSFET no canal de esgotamento do modo de depleção

No n- MOSFET do modo de depleção do canal, não precisamos dessa voltagem positiva, pois temos um canal fisicamente implantado. Isso nos permite ter corrente entre o dreno e os terminais da fonte, mesmo com tensões negativas aplicadas à porta. Claro, há um limite para a quantidade de tensão negativa que pode ser aplicada à porta, embora ainda haja fluxo de corrente entre o dreno e a fonte. Este limite é novamente identificado como a tensão limite, V_T. A mudança do modo de aprimoramento é que a tensão porta-fonte agora pode ser negativa ou positiva, conforme mostrado na Figura 9.

As equações que definem a operação do MOSFET no modo de depleção são muito semelhantes às do modo de aprimoramento. O valor da corrente de dreno quando v_GS é zero é identificado como I_DSS. Isso é geralmente chamado de corrente de saturação da fonte de drenagem, Ou o zero - corrente de drenagem da porta. Comparando as equações do MOSFET do modo de melhoria com as do modo de depleção, encontramos

(10)

Nós então achamos

(11)

Modo de esgotamento Os MOSFETs estão disponíveis de forma discreta, ou podem ser fabricados em chips de circuitos integrados junto com os tipos de modo de aprimoramento. Isso inclui tanto ptipo e n-tipo. Isso permite mais flexibilidade nas técnicas de projeto de circuitos.

2.3 Circuito equivalente de grande sinal

Desejamos agora desenvolver um circuito equivalente que represente as características de sinal grande da Figura 8 [Equação (5) ou (8)] na região de saturação. Note que a corrente de dreno, i_D, depende de v_GS e v_DS. Para uma tensão porta-fonte constante, operamos ao longo de uma das curvas paramétricas da figura e a relação é aproximadamente uma linha reta. Uma relação linear entre a corrente e a tensão é modelada por um resistor. O circuito equivalente, portanto, consiste em um resistor em paralelo com a fonte de corrente, onde o valor da fonte de corrente estabelece a porção da corrente de dreno devido a v_GS. A inclinação da curva depende v_GS. A inclinação é a derivada parcial

(12)

onde r₀ é a resistência de saída incremental. Nós vemos da Equação [(5) ou (8)] que esta resistência é dada por

(13)

onde usamos maiúsculas V_GS para indicar que a resistência é definida para um valor constante específico da tensão da porta à fonte. A aproximação final na Equação (13) resulta da Equação (5) com a suposição de que λ é pequeno. A resistência é inversamente proporcional à corrente de polarização, I_D. O modelo equivalente de sinal grande é então dado pela Figura 11 onde r₀ é desenvolvido na equação (13).

Figura 11 - circuito equivalente de grande sinal

2.4 Modelo de pequeno sinal do MOSFET

Agora desejamos ver os efeitos incrementais relacionados à Equação. Os três parâmetros do circuito nessa equação, i_D, v_GS e v_DS são compostos de ambos dc (viés) e ac componentes (é por isso que usamos os subscritos em maiúsculas nas expressões). Estamos interessados no ac componentes para o modelo de pequeno sinal. Vemos que a corrente de dreno depende de duas tensões, do portão à fonte e do dreno à fonte. Para valores incrementais, podemos escrever esse relacionamento como

(14)
Na equação (14), g_m is a transcondutância para a frente e r₀ é a resistência de saída. Seus valores são encontrados tomando derivadas parciais na Equação (5). Portanto,

(15)
A aproximação na Equação (15) resulta da observação de que λ se pequeno. A equação (14) leva ao modelo de sinal fraco da figura 12.

Figura 12 - modelo MOSFET de pequeno sinal

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