Mosfet

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MOSFET Opera¸c˜ao F´ısica, Circuitos, como Amplificador e Configura¸co˜es B´asicas em CIs Igor Almeida, 06080003701 Luiz Felipe Soares, 06080006301 Patric Pereira Lima, 04080005301 18 de dezembro de 2008 1 Introdu¸c˜ ao Esse trabalho versa sobre transistores de efeito de campo (field effect transistor - FET, do inglˆes), mais especificamente, os do tipo metal-´ oxido-semicondutor-MOS que da jun¸c˜ao das siglas inglesas, ´e conhecido por MOSFET. O trabalho come¸ca com uma descri¸c˜ao comparativa detalhada da constru¸c˜ao f´ısica e das caracter´ısticas do MOSFET, comparando seus dois tipos: de enriquecimento e de deple¸c˜ao. Em seguida apresenta circuitos que se utilizam de MOSFETs e discute suas aplica¸c˜oes como amplificador. Finalmente, aborda as aplica¸c˜oes b´asicas em CIs. A aplicabilidade atual dos MOSFETs ´e muito grande, j´a que podem ser fabricados em tamanhos diminutos, integrando pastilhas de CIs. Como no TJB (Transistor Bipolar de Jun¸c˜ao) o MOSFET controla a corrente entre dois terminais variando a tens˜ao em um terceiro terminal. No caso do MOSFET isso ´e feito atrav´es da varia¸c˜ao de um campo el´etrico, propriedade que origina seu nome. 2 2.1 Estudo Comparado: MOSFET tipo Enriquecimento e tipo Deple¸c˜ ao Estrutura Em estrutura f´ısica, ambos os tipos de MOSFET s˜ ao muito semelhantes: substrato formado por substˆ ancia do tipo 1 (que pode ser “n” ou “p”), com fendas sim´etricas preenchidas por substˆ ancia do tipo 2 (complementar ao substrato) fortemente dopada (n+ ou p+ ). Acima da regi˜ ao do canal (espa¸co entre as duas fendas preenchidas) deposita-se uma camada de material isolante (SiO2 ), e sobre ela, metal para o contato. Metal tamb´em ´e depositado sobre as duas fossas e a face inferior do substrato. Os quatro terminais do MOSFET s˜ ao denominados: Fonte (Source), Dreno (Drain), Porta (Gate) e Corpo (Body). O tipo do substrato define o tipo do MOSFET. Se o substrato ´e do tipo P, temos um PMOS (MOSFET tipo P), caso tipo N, temos um NMOS (MOSFET tipo N). Na Figura 1 podemos observar a estrutura de um MOSFET tipo “n” (NMOS) de enriquecimento, com sua camada “n” induzida. No caso do MOSFET tipo “n” de deple¸c˜ao, ter´ıamos como u ´nica diferen¸ca que o canal teria sido constru´ıdo, e n˜ao induzido. Para o MOSFET tipo enriquecimento, um canal deve ser induzido atrav´es de uma tens˜ao de indu¸c˜ao VGS , caso contr´ario, n˜ao ser´a poss´ıvel obter corrente entre os terminais Fonte(S) e Dreno(D). Para que haja a cria¸c˜ao do canal, VGS deve ser maior do que a tens˜ao de limiar (representado por Vt ). A porta e o corpo formam um capacitor de placas paralelas, portanto gerando um campo el´etrico, respons´ avel pela condutˆancia do canal, uma vez aplicado VDS . Para um pequeno valor de VDS , forma-se um canal paralelo. Obviamente, a altura desse canal ´e proporcional a tens˜ ao VGS aplicada. 1 Figura 1: Estrutura f´ısica do NMOS Na medida em que VDS aumenta, e se aproxima de VGS , a tens˜ao do canal sofrer´a varia¸c˜ao de VGS at´e a diferen¸ca VGS − VDS . Assim n˜ao apresentando mais uniformidade no canal, e sim, um estreitamento, conforme a Figura 2. Figura 2: Estreitamento do canal por diferen¸ca de tens˜ao Na medida em que aumentamos a tens˜ao VDS o estreitamento do canal do dreno aumenta. Quanto VDS = VGS −Vt , o canal no dreno torna-se muito superficial, e diz-se que o canal encontra-se estrangulado. A situa¸c˜ao descrita pode ser observada tamb´em no gr´ afico da Figura 3, que apresenta a rela¸c˜ao iD versus VDS . Um breve coment´ ario deve ser feito sobre o PMOS. Para esse tipo de MOSFET, como j´a explicado, ocorre a invers˜ao das posi¸c˜oes dos materiais no dispositivo, e consequentemente, a invers˜ao da tens˜ao para seu correto funcionamento. Comparamos agora o exposto com o MOSFET tipo Deple¸c˜ao. 2 Figura 3: Caracter´ıstica iD versusVDS Considere um NMOS de deple¸c˜ao. Dadas as caracter´ısticas estruturais desse dispositivo, ele n˜ao necessita de uma tens˜ ao na porta para a gera¸c˜ao do canal, que j´a existe de f´abrica. A quest˜ ao aqui ´e que a condutˆancia do canal pode ser aumentada ou reduzida pela atua¸c˜ao de uma tens˜ao na porta. Caso apliquemos VGS positivo, o canal tornar-se-´ a mais condutivo. Caso contr´ario, mais resistivo, podendo atingir um valor tal que a corrente iD atinge zero. Essa caracter´ıstica ´e importante para a utiliza¸c˜ao do NMOS de deple¸c˜ao como chave. As caracter´ısticas iD versus VDS s˜ ao similares as do dispositivo de enriquecimento, exceto que Vt para o dispositivo de deple¸c˜ao NMOS ´e negativo. 2.2 Caracter´ısticas de Corrente e Tens˜ ao Suponha um NMOS Enriquecimento, com VGS > Vt aplicado entre a porta e a fonte, e uma tens˜ao VDS aplicada entre o dreno e a fonte. Para que esse dispositivo trabalhe na regi˜ ao de triodo, ´e necess´ario que VDS < VGS − Vt . Aqui ´e importante lembrar que o contato da porta e o substrato (corpo) formam um capacitor, cujo diel´etrico ´e o ´ oxido, com capacitˆancia: εox Cox = tox As curvas caracter´ısticas na Figura 4 explicitam trˆes regi˜ oes de opera¸c˜ao de um MOSFET: regi˜ ao de corte, regi˜ ao do triodo e regi˜ ao de satura¸ c˜ ao. A regi˜ ao de satura¸c˜ao est´ a intimamente relacionada com o funcionamento do MOSFET como amplificador (t´ opico abordado mais a diante). ´ poss´ıvel provar que iD na regi˜ E ao do triodo ´e determinada por: " # 1 W 2 (VGS − Vt )VDS − VDS iD = Kn′ L 2 onde Kn′ ´e: Kn′ = µn Cox Com µ sendo a mobilidade de el´etrons no canal e Cox definido anteriormente. E que iD para a regi˜ ao de satura¸c˜ao ´e dado por: 1 ′W K (VGS − Vt )2 2 nL A corrente de dreno ´e proporcional ` a raz˜ ao entre a largura (W) e o comprimento (L). Raz˜ ao essa conhecida como raz˜ ao de aspecto do MOSFET. Os valores de W e de L podem ser escolhidos pelo projetista para que o dispositivo apresente as caracter´ısticas iD versus VDS desejadas. iD = 3 Figura 4: Curvas caracter´ısticas de um NMOS Enriquecimento Como j´a mencionado, as caracter´ısticas iD versus VDS para os dispositivos do tipo deple¸c˜ao s˜ ao semelhantes `as do tipo enriquecimento, com a simples exce¸c˜ao de que o valor Vt ´e negativo. A Figura 5 apresentam as caracter´ısticas para um NMOS de deple¸c˜ao para o qual Vt = −4V e Kn′ (W/L) = 2mA/V 2 . Apesar de n˜ao explicitada a rela¸c˜ao de dependˆencia de iD em rela¸c˜ao a VDS , essa existe e ´e idˆentica ` a apresentada para o dispositivo tipo enriquecimento. Figura 5: Curvas caracter´ısticas MOSFET deple¸c˜ao A Figura 6 mostra as caracter´ısticas iD versus VDS na satura¸c˜ao, indicando os dois modos de opera¸c˜ao (deple¸c˜ao e enriquecimento) que o NMOS de deple¸c˜ao pode assumir.. 4 Figura 6: Curva caracter´ıstica e os modos de funcionamento do dispositivo 3 3.1 O MOSFET como amplificador Funcionamento b´ asico Para que o MOSFET atue como um amplificador, ´e necess´ario que sua opera¸c˜ao seja realizada somente na regi˜ ao de satura¸c˜ao. Uma vez que essa exigˆencia ´e cumprida, o transistor se comporta uma fonte de corrente controlada pela tens˜ ao vGS . Entretanto, a regi˜ ao de satura¸c˜ao apresenta uma curva caracter´ıstica n˜ao-linear, e uma primeira solu¸c˜ao para esse problema ´e fixar, no MOSFET, uma tens˜ao DC, sobre a qual ser´a feita a superposi¸c˜ao do sinal a ser amplificado. 3.2 Amplificador common-source A configura¸c˜ao b´asica para o MOSFET como amplificador ´e o circuito de ”fonte-comum”(common-source, no original em inglˆes), como na Figura 7a. (a) Amplificador fonte-comum de (b) Curva caracter´ıstica do amplificador Figura 7: Amplificador fonte-comum Note que o sinal ser´a aplicado no terminal gate do MOSFET. Analisando o circuito da Figura 7a, obtemos a curva caracter´ıstica, para v´ arias situa¸c˜oes de vGS , do transistor. Na figura 7b, est´ a presente tamb´em a rela¸c˜ao tens˜ao-corrente para o resistor de carga RD . Para a opera¸c˜ao do MOSFET como amplificador, a regi˜ ao de interesse est´ a compreendida entre os pontos A e B. A resposta (vO ) para a entrada vI ´e apresentada na Figura 8. 5 Figura 8: Curva de transferˆencia para o amplificador, com opera¸c˜ao em Q Nela, podemos notar a opera¸c˜ao virtualmente linear do circuito para uma estreita faixa nas proxim´ importante idades do ponto de opera¸c˜ao Q, fora da qual a n˜ao-linearidade do circuito ´e acentuada. E notar tamb´em a invers˜ao da sa´ıda em rela¸c˜ao `a entrada. Quando a amplitude do sinal de entrada atinge valores muito pr´ oximos de VIB ou Vt , ocorrem respectivamente distor¸c˜ao na sa´ıda (diz-se que o circuito n˜ao tem legroom suficiente) e corte dos picos para um valor constante (o circuito n˜ao tem headroom ´ dever do projetista do circuito escolher um ponto de opera¸c˜ao Q intermedi´ario, a uma suficiente). E distˆancia segura de VDD e de Vt . O ganho pode ser calculado pelas seguintes equa¸c˜oes Av = −RD µn Cox Av = −2 W (VIQ − Vt ) L VRD VOV (1) (2) ao no resistor RD , VIQ ´e o componente DC do sinal de entrada e VOV ´e a tens˜ao onde VRD ´e a tens˜ de overdrive do transistor. 3.3 Amplificador com tens˜ ao de porta fixa Devido `as imperfei¸c˜oes no processo de fabrica¸c˜ao, ´e muito comum encontrar transistores com curvas caracter´ısticas excessivamente d´ıspares, o que se traduz em problemas quando se utiliza o m´etodo descrito acima. Um esquema mais eficiente para contornar essa situa¸c˜ao est´ a em fixar VG e conectar um resistor ao terminal source, como na figura 9. Temos, para o circuito da figura 9, a seguinte equa¸c˜ao: VG = VGS + RS ID O resistor age como um estabilizador da corrente ID , raz˜ ao pela qual chama-se RS de degeneration resistance. As figuras 10a e 10b mostram um comparativo para o erro cometido pelas duas estrat´egias quando os dispositivos tˆem parˆ ametros diferentes. 6 Figura 9: Opera¸c˜ao com tens˜ao de porta fixa (a) Opera¸ca ˜o com VGS fixo (b) Opera¸ca ˜o com VG e resistor Figura 10: Erro cometido com parˆ ametros diferentes 3.4 Amplificador com resistor de realimenta¸ c˜ ao Outra estrat´egia eficaz, embora limitada, ´e fixar um resistor entre os terminais gate e source do MOSFET, como na figura 11. Figura 11: Opera¸c˜ao com resistor de realimenta¸c˜ao A resistˆencia RG , chamada de resistˆencia de feedback, deve ser alta (da ordem dos M Ω), permitindo que a tens˜ao no gate seja igual ` a tens˜ao no drain, uma vez que a corrente IG ´e nula. Analisando o circuito, chegamos a VGS = VDS = VDD − RD ID 7 ou VDD = VGS + RD ID isso significa que o aumento de ID provoca uma queda de VGS , que por sua vez provoca uma queda de ID . A influˆencia de RG est´ a no fato de manter ID o mais constante poss´ıvel. Esse princ´ıpio assemelha-se `a configura¸c˜ao de feedback negativo no amplificador operacional. Essa configura¸c˜ao pode ser utilizada como amplificador desde que o sinal de entrada seja aplicado no gate, lembrando que ajustes devem ser feitos para que as tens˜ oes DC (bias do circuito) sejam mantidas, por exemplo, pelo acoplamento capacitivo da entrada. 3.5 Amplificador com fonte de corrente A melhor forma de usar um MOSFET como amplificador ´e conect´a-lo a uma fonte de corrente. Com um RG na casa dos M Ω, a tens˜ao no gate se mant´em em zero, por n˜ao haver passagem de corrente; o sinal pode ent˜ ao ser acoplado ao gate para uma tens˜ao DC configurada pelo resistor RD . A figura 12 mostra o amplificador e uma implementa¸c˜ao da fonte de corrente utilizando dois transistores, um circuito conhecido como “espelho de corrente”. A rela¸c˜ao abaixo ´e v´ alida: I = IREF (W/L)2 (W/L)1 indicando que a corrente de sa´ıda depende das caracter´ısticas dos transistores. Figura 12: Espelho de corrente 8 4 Configura¸ c˜ oes b´ asicas do MOSFET em circuitos integrados A implementa¸c˜ao de resistores em circuitos integrados requer uma ´area grande do chip. Por esse motivo, os resistores s˜ ao, sempre que poss´ıvel, substitu´ıdos por fontes de corrente. A essa configura¸c˜ao d´a-se o nome “carga ativa”. As figuras 13a e 13b mostram fontes e sumidouros de corrente. (a) Circuito MOSFET com fonte de corrente (b) Circuito MOSFET como sumidouro de corrente Figura 13: Circuitos MOSFET em configura¸c˜oes distintas As trˆes configura¸c˜oes b´asicas do MOSFET s˜ ao o amplificador de fonte-comum, porta-comum e drenocomum. A primeira ´e representada na figura 14, onde observamos que se trata de um amplificador de tens˜ao ou transcondutˆancia. Figura 14: Amplificador de fonte-comum As outras duas configura¸c˜oes s˜ ao conhecidas, respectivamente, por ”seguidor de tens˜ao”e ”seguidor de corrente”, vistas nas figuras 15 e 16. Os circuitos seguidores de tens˜ao s˜ ao utilizados como buffers de tens˜ao, permitindo a adi¸c˜ao de cargas sem implicar em queda de tens˜ao e/ou corrente para o aparato posicionado antes do seguidor. Os seguidores de corrente, por sua vez, agem como buffers de corrente, mantendo o mais constante poss´ıvel a corrente no evento de um aumento da carga. 5 5.1 Aplica¸c˜ oes do MOSFET em Circuitos Amplificador CASCODE O amplificador CASCODE ´e um amplificador fonte-comum que alimenta um amplificador porta-comum. Encontra aplica¸c˜ao em circuitos de RF pois apresenta capacitˆancia de entrada mais baixa do que outros amplificadores. A figura 17 um amplificador CASCODE utilizando um MOSFET de porta dupla. O FET RF 3N201 tem um gm de 10000µS. Ent˜ ao, o ganho de tens˜ao sem carga ´e A = −10000µS ∗ 1.8K = −18 9 Figura 15: Amplificador de porta-comum Figura 16: Amplificador de dreno-comum Figura 17: Circuito amplificador CASCODE 10 (A resistˆencia de sa´ıda ´e aproximadamente o valor do resistor de Dreno) 5.2 Amplificador CC Um amplificador CC ´e aquele que pode operar at´e a freq¨ uˆencia zero, sem perda de ganho. A figura 18 apresenta uma das formas de se construir um amplificador deste tipo. Observa-se que o primeiro est´ agio ´e formado por um MOSFET do tipo deple¸c˜ao. Figura 18: Circuito amplificador CC Se neste projeto os MOSFETs tiverem corrente de Dreno de 3mA, cada Dreno fica com +10V . A tens˜ao de sa´ıda quiescente ´e 0V . 5.3 Amplificador Classe C ´ um amplificador que encontra aplica¸c˜ao em RF (acima de 20KHz). Acompanhado de um circuito E tanque, sintonizado na freq¨ uˆencia do sinal de entrada, pois ´e na freq¨ uˆencia de ressonˆancia que o ganho de tens˜ao ´e m´aximo. A figura 19a esquematiza um amplificador classe C que poderia estar utilizando um transistor VMOS (Vertical MOS). (a) Circuito Amplificador Classe C, utilizando VMOS (b) Circuito de acionamento de motor DC, utilizando VMOS 11 5.4 Circuito Acionador Sens´ıvel ao Toque com FET de potˆ encia No circuito da figura 19 temos o acionamento de um rel´e, ou mesmo outro tipo de carga com um MOSFET de potˆencia. Figura 19: Circuito sensor de toque utilizando RF640 A elevad´ıssima resistˆencia de entrada desse dispositivo possibilita seu acionamento diretamente pelo toque no sensor. O resistor R1 determina a sensibilidade do circuito. O rel´e empregado depende apenas da alimenta¸c˜ao, que deve ser de pelo menos 12V , pois os MOSFETs de potˆencia operam melhor com tens˜oes mais altas. Para o acionamento direto de uma carga de potˆencia, o MOSFET deve ser montado em um radiador de calor. Referˆ encias [1] Alceu Alves. Apostila de Eletrˆ onica II. Departamento de Engenharia El´etrica, Universidade Estadual Paulista, 2006. [2] Doug Gingrich. Notas de aula. node74.html, dezembro 2008. [3] Yifeng Jiang. 13/12/2008. Notas pessoais. http://www.phys.ualberta.ca/~gingrich/phys395/notes/ http://www.ee.cuhk.edu.hk/~yfjiang/ele2110a/, dezembro [4] Adel Sedra and Kenneth Smith. Microelectronic Circuits. Macron Books, 2004. [4, 1, 3, 2] 12