Universidade Estadual Paulista – UNESPFaculdade de Engenharia de Ilha Solteira - FEISDepartamento de Engenharia Elétrica - DEE

Transistor de Efeito de Campo - FET

Ilha Solteira - 2019

MOSFET do tipo Enhancementou Intensificação/Enriquecimento

sem tensão de gate

Parâmetro de transcondutância:

Capacitância/área do óxido:

oxide capacitance, Cox

Parâmetro de transcondutância:

Capacitância/área do óxido:

•

•

(a) Circuit symbol for the n-channel enhancement-type MOSFET. (b) Modified circuit symbol with an arrowhead on the source terminal to distinguish it from the drain and to indicate device polarity (i.e., n channel). (c)Simplified circuit symbol to be used when the source is connected to the body or when the effect of the body on device operation is unimportant.

Múltiplos símbolos: Sedra & Smith

Múltiplos símbolos: Malvino

D

S

G

Tipos de MOSFET:

Dados no NMOS: Vt=1 V

= 0,5 mA/V2

4.0

3.0

2.0

1.0

Vt+4.0

Vt+1.0

Vt+3.0

Vt+2.0

42 6 8

Condição para estrangulamentodo canal induzido

NMOS:Vt=1V

=0.5 mA/V2

NMOS:Vt=1V

=0.5 mA/V2

NMOS:Vt=1V

=0.5 mA/V2

NMOS:Vt=1V

=0.5 mA/V2

NMOS:Vt=1V

=0.5 mA/V2

NMOS:Vt=1V

=0.5 mA/V2

NMOS:Vt=1V

=0.5 mA/V2

NMOS:Vt=1V

=0.5 mA/V2

NMOS:Vt=1V

= 1 mA/V2

NMOS:Vt=1V

= 1 mA/V2

o MOSFET se comporta comouma pequena resistência

NMOS:Vt=1V

= 1 mA/V2

NMOS:Vt=1V

= 1 mA/V2

Resistência dreno-fonte:

NMOS:Vt=1V

=0.5 mA/V2

NMOS:Vt=1V

=0.5 mA/V2

NMOS:Vt=1V

=0.5 mA/V2

NMOS:Vt=1V

=0.5 mA/V2

NMOS:Vt=1V

=0.5 mA/V2

NMOS:Vt=1V

=0.5 mA/V2

triodo

Sumary:

NMOS:Vt=1V

=0.5 mA/V2

NMOS:Vt=1V

=0.5 mA/V21.00

0.75

0.50

0.25

•

com efeito Early

•

Curvas aproximadas por partes:

=Vt=Vt

sem efeito Early

MOSFET do tipo Enhancementem Circuitos DC

ADENDO:

(continua...)

: 12

4

6

5

5

ID

IS

VGVGS

+_

m k

(continua...)a)

#####

b)

MOSFET do tipo Enhancement:Circuitos Amplificadores

Tensão de saída amplificada

Recordação: amplificação com o TBJ

•

•

+

−

: Análise gráfica

Amplificador elementar:

DG

S •

termo quadrático termo linear

precisa ser muito menor que 1%

a corrente drenada é proporcional à tensão de controle.

.

tensão em excesso ou tensão efetiva

gm =

•

min

ig=0id

is

•

•

• •

vd

separar a porção AC doamplificador elementar

Modelo-T para pequenos sinais:

X

= is

X

= is

Modelo-T:

MOSFET do tipo Enhancement:Efeito Early

(para o NMOS operando na região de saturação)

×

manter cte.

iD é função de vDS

(tensão em excesso)

A

(a fim de que vDS varie levemente com iD)

ig=0id

is

Modelo-π parapequenos sinais:

Nota:

O valor DC da corrente de dreno é obtida resolvendo-se o circuito DC sem levar em conta o efeito Early.

Ou seja, o efeito Early não precisa ser levado em conta na análise DC.

Modelo-Τ para pequenos sinais:

MOSFET do tipo Enhancement:Configuração Fonte Comum

=3k5

=+10V

= −10V

=2mA

=2M3

+

−vDS

C1

C1

e

ig

=3k5

=+10V

=−10V

=2mA=2M3

+

−VDS

VSVGS

+

−

IG=0

(para ID em mA)

Reta de carga:

(para VGS = 4V)

(o ponto Q está no centro da reta de carga)

•

•

•

de fonte (ver TBJ).

(obter-se-ia-se Zi = vi /ii = vi /0 = infinito)

Resistência de entrada:

2,3

Resistência de saída:

Ganho total=-7v2=-7(-7v1)=+49v1=+49vs

Caso contrário haverá perda por acoplamento na carga!

2,3 2,3

:

MOSFET do tipo Enhancement:Fonte de Corrente DC

ADENDO:

Ideia central: vGS é o mesmo para ambos os NMOS

• °Vo

Inserir a carga aqui.

• ° Vo

≡

≡

Inserir a carga aqui.

• Vo°• °Vo

(Dados VDD e RD, é necessário calcular VGS )

(Uma equação em VGS)

=5V

=5V

(Usado em microeletrônica para polarizar diferentes circuitos dentro de um mesmo CI)

+VDD

Inserir a carga aqui

VDS3=VD3−(−VSS)+−

VDS2+−

Fora dapastilha

MOSFET do tipo Enhancement:MOSFET com Canal P

Multiplos símbolos: Sedra & Smith

Multiplos símbolos: Malvino

(a) Circuit symbol for the p-channel enhancement-type MOSFET. (b) Modified symbol with an arrowhead on the source lead. (c) Simplified circuit symbol for the case where the source is connected to the body.

D

S

G

S

D

G

Vtn•

Vtp•

Sketches of the iD–vGS characteristics for MOSFETs of enhancement type, of both polarities(operating in saturation).

Note that the characteristic curves intersect the vGS axis at Vt.

Also note that for generality somewhat different values of |Vt| are shown for n-channel andp-channel devices.

E-MOSFET com canal-N × canal-P

Inserir a carga aqui

Inserir a carga aqui

Note that the PMOS transistor is formed in a separate n-type region, known as an n well.Another arrangement is also possible in which an n-type body is used and the n device isformed in a p well. Not shown are the connections made to the p-type body and to the n well;the latter functions as the body terminal for the p-channel device.

Cross-section of a CMOS integrated circuit.

MOSFET do tipo Enhancement:Amplificador com Carga Ativa

Torna-se necessário que o valor da fonte DC seja no mínimo igual a 10V.

Torna-se necessário uma fonte DC no mínimo igual a 100V.

RG

−VDD−VDD −VDD

RG

R

PMOS PMOS

NMOS

Fonte de corrente PMOS Usar

espelhoPMOSPolariza e

é carga ativa

+VSS+VSS

•

Além disso, Q1, Q2 e Q3 são casados: r01=r02=r03

vGS

Importante: sinais vgs2=vgs3=0V para a fonte de corrente DC.

= 0 ampéres = 0 ampéres• •

•

• •

•

• •

••

•

• • °

Ganho elevado!

Elevadíssimo!

Valor grande!

MOSFET do tipo Enhancement:Modo de Chaveamento

VDD/RD

−Vt=0.5V

−Vt=0,75V

−0.125

(mA)

(V)

0.250 −

−0.500

− −

0.5 1.0

ON −Vt=1.0V

−Vt=1.4V

OFF

VDD/RD

−Vt=0.5V

−Vt=0,75V

−0.125

(mA)

(V)

0.250 −

−0.500

− −

0.5 1.0

ON −Vt=1.0V

−Vt=1.4V

vGS≤Vt , cut

≈ 0 volt(ponto A)

(ponto C)

OFF

SW

VDD/RD

−Vt=0.5V

−Vt=0,75V

−0.125

(mA)

(V)

0.250 −

−0.500

− −

0.5 1.0

ON −Vt=1.0V

−Vt=1.4V

vGS=0, cut

Ponto C: queda de tensão vDS pequena (≈curto)

B B

SW

Curvas lineares por partes:

2 > vGS1

1

3 > vGS2

4 > vGS3

5 > vGS4

6 > vGS5

pequenos valores de vGS

Fabricantes costumam estabelecer um ponto Qtest na região ôhmica (triodo) de uma curva característica típica, na qual VGS= VGS(on).

Os valores ID(on) e VDS(on) são medidos neste ponto de teste, a partir do qual o fabricante determina o valor de RDS(on):

SW

A tabela abaixo se refere a E-MOSFETs de pequenos sinais.

Os valores típicos de Vt (chamado de Vth na tabela) estão entre 1,5 e 3 volts.

Os valores de RDS(on) variam entre 0,3 e 28 ohms, o que evidencia que o E-MOSFET possui baixa resistência quando operando na região ôhmica.

Quando polarizado na região de corte, possui uma resistência muito elevada, aproximando-se de um circuito aberto.

Portanto, E-MOSFETs possuem excelentes taxas on/off.

No circuito a seguir, a corrente de saturação de dreno é:

A tensão de corte de dreno é VDD.

Atenção: no ponto Q a corrente de dreno satura (sat), independentemente de VGS, contudo, o NMOS opera na região de triodo. Cuidado com a nomenclatura!

Quando VGS=0, o ponto Q está sobre o extremo inferior da reta de carga. Quando o ponto VG= VDS(on), o ponto Q está no estremo superior da reta de carga.

O ponto Q deve operar abaixo do ponto Qtest, com o dispositivo operando na região ôhmica:

Nesta situação, o valor da tensão VDS é muito pequena (≈mV), e o dispositivo se comporta aproximadamente como um curto-circuito; esta aproximação é tanto melhor quanto menor for ID(sat).

SW

RD

rDS ≈ 0

VGSP

VGSN

+

+

−

−

=5V

VGSP

VGSN

+

+

−

−

=5V

+−

rDS (ou rD)

VCTLE =05

0

i

i =0

+

−VCTLE =0

Exemplo: Multiplexador

Um multiplexador analógico direciona um ou mais sinais de entrada para a linha de saída.

Cada MOSFET age como uma chave série. Os sinais de controle (V1, V2 e V3) comuta os MOSFETs entre os estados ON e OFF. Quando um sinal de controle está alto, seu sinal de saída é transmitido para a saída.

Normalmente somente um dos sinais de controle é alto, assegurando que apenas uma das entradas seja transmitida para a saída.

MOSFET do tipo Depleção

MOSFET do tipo Depleção (D-MOSFET): Simbologia para canal N

(a) Circuit symbol for the n-channel depletion-type MOSFET. (b) Simplified circuit symbol applicable for the case the substrate (B) is connected to the source (S).

Linha reta=canal físico

modo intensificação

modo depleção

(este corresponde ao valor de Vt)

MOSFET do tipo Depleção (D-MOSFET): Simbologia para canal P

(a) Circuit symbol for the p-channel depletion-type MOSFET. (b) Simplified circuit symbol applicable for the case the substrate (B) is connected to the source (S).

Agora Vt é positivo.

Sketches of the iD–vGS characteristics for MOSFETs of enhancement and depletion types, ofboth polarities (operating in saturation).

Note that the characteristic curves intersect the vGS axis at Vt.

Also note that for generality somewhat different values of |Vt| are shown for n-channel andp-channel devices.

D-MOSFET com canal-N × canal-P

Vt negative Vt positive

D-MOSFET canal-P: as equações para iD=f(vGS,vDS) permanecem válidas, porém, com os devidos ajustes de sinais.

Canal-P: E-MOSFET × D-MOSFET

FET de Junção - JFET

A seta no símbolo do JFET está relacionada com o diodo pn entre porta e fonte, quer no tipo-n quer no tipo-p.

Em muitas aplicações de baixa frequência, a fonte e o dreno são intercambiáveis, por que pode-se usar qualquer extremo como fonte e o outro como dreno. Por isso, os símbolos (a) e (b) são usados com alguma regularidade.

Os terminais de fonte e dreno não são intercambiáveis em altas frequências, devido as diferenças das capacitâncias parasitas entre porta e dreno, e, entre porta e fonte. Neste caso, o símbolo assimétrico (b) é preferido por técnicos e engenheiros eletrônicos.

Como o diodo porta-fonte sempre opera reversamente, a corrente de porta é aproximada-mente nula, tornando a resistência de entrada da ordem de centenas de megaohms.

JFET canal-n com IDSS=8mA e Vp=-4V.

212DSS n t

WI K VL

′=

(No livro do Malvino Vt é chamado de Vp)

JFET canal-n com IDSS=8mA e Vp=-4V.

n-channelJFET

p-channelJFET

•

D-MOSFET canal-P: as equações para iD=f(vGS,vDS) permanecem válidas, porém, com os devidos ajustes de sinais.

JFET com canal-N × canal-P

Sketches of the iD–vGS characteristics for FETs of enhancement, depletion and JFET types, ofboth polarities (operating in saturation).

Note that the characteristic curves intersect the vGS axis at Vt (or Vp).

Also note that for generality somewhat different values of |Vt| (or|Vp|) are shown for n-channel and p-channel devices.

Canal-P: E-MOSFET, D-MOSFET and JFET

Transcondutância do JFET

= -VGG(fixo)

+_

+_

•

•Q1

Q2

•

•

°

°

VD

VS

Thévenin

VGS+

_Obs: como IG=0, não circula corrente através de RTH

IG=0

(VTH ,RTH )

A diferença entre os valores de IDpara Q1 e Q2 é muito pequena.

+_

+_VBE

ID=IC+

_VGS

I0≡

= I0

Circuitos de Polarização: E-MOSFET × D-MOSFET × JFET

linha de autopolarização

Não há intersecção!

Vt

FIM