FET

UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE
CENTRO DE ENGENHARIA ELÉTRICA E INFORMÁTICA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
LABORATÓRIO DE DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS
Experimento 5
Transistor MOSFET
LABORATÓRIO DE
DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS
Guia de Experimentos
Experimento 5 – Características e Aplicações de Transistores
de Efeito de Campo (FET)
Objetivo
Os experimentos de laboratório aqui apresentados têm por objetivo
familiarizar-se com o estudo das características básicas do transistor de efeito de campo
(MOSFET) e iniciar a exploração de algumas de suas aplicações fundamentais
(amplificadores, portas lógicas).
Introdução Teórica
Transistor de Efeito de Campo
Um transistor bipolar de junção (TBJ) NPN ou PNP é um dispositivo de
corrente controlada no qual estão envolvidas correntes de elétrons e lacunas. O
transistor de efeito de campo (TEC) é unipolar. Ele opera como dispositivo de tensão
controlada com a corrente de elétrons no canal N ou a corrente de lacunas no canal P.
Os dispositivos TBJ ou TEC podem ser usados em um circuito amplificador (ou outros
circuitos semelhantes, desde que sejam adequadamente polarizados).
Existem dois tipos: o transistor de efeito de campo de junção
(abreviadamente TECJ ou JFET – Junction Field Effect Transistor) e o transistor de
efeito de campo de porta isolada (IGFET – Insulated Gate Field Effect Transistor),
mais comumente chamado transistor metal-óxido-semicondutor (TECMOS ou
MOSFET – Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).
O transistor de efeito de campo difere do transistor de junção bipolar nas
seguintes características importantes:
1. É de fabricação simples e ocupa menos espaço. O MOSFET quando integrado
ocupa menos da área da pastilha ocupada pelo transistor bipolar. Desta maneira,
são amplamente utilizados para integração em larga escala (LSI).
2. Em uma parte da faixa de operação dos MOSFET, eles atuam como elementos
resistivos controlados por tensão e ocupam área muito menor que o resistor de
CI correspondente.
3. Apresenta alta impedância de entrada (até 1014Ω). Isto significa que a constante
de tempo do circuito de entrada é bastante grande para possibilitar que a carga
armazenada na pequena capacitância de entrada permaneça por tempo suficiente
para que o dispositivo seja utilizável como elemento de memória em circuitos
digitais.
4. Possui capacidade de dissipar potências elevadas e comutar grandes correntes
em alguns nanossegundos.
5. É menos ruidoso do que um transistor bipolar, e, portanto mais adequando para
estágios de entrada de amplificadores de baixo nível (é extensivamente usado
em receptores FM de alta fidelidade).
6. Os MOSFETS quando utilizados na configuração complementar CMOS, a
dissipação de potência quiescente é essencialmente nula em baixas freqüências.
As principais desvantagens do FET são apresentar uma relativamente pequena
banda de ganho em comparação com o TBJ e maior susceptibilidade a danos quando
manuseado. O uso de dielétrico de porta, normalmente dióxido de silício, apresenta uma
das grandes vantagens do MOSFET, conferindo lhe altíssima impedância de entrada,
comparada aos transistores BJTs. No entanto, este fato também traz uma grande
desvantagem. O dióxido de silício apresenta ruptura dielétrica para campos elétricos da
ordem de 2 x 107 V/cm. Assim, um transistor com espessura de óxido de porta de 10
nm, rompe com tensão da ordem de 20 V.
Característica de Transferência
A característica de transferência é um gráfico da corrente de dreno ID em função
da tensão porta-fonte, VGS, para um valor constante da tensão dreno-fonte, VDS. A
característica de transferência pode ser obtida diretamente a partir de medidas da
operação do dispositivo ou desenhada a partir das características de dreno.
Parâmetros do MOSFET
Os fabricantes especificam vários parâmetros para descrever o
dispositivo MOSFET e tornar possível a escolha entre várias unidades. Alguns dos
parâmetros mais úteis especificados são:
•
Cox – Capacitância do óxido
•
Vt - Tensão de corte (estrangulamento) porta-fonte. A tensão porta-fonte, abaixo
da qual, a corrente no canal dreno-fonte é nula. Nos catálogos dos fabricantes,
denotada por VGS(OFF) ou Vt.
•
gm - a transcondutância
O valor de gm diz quanto a corrente AC mudará quando se aplica uma tensão portafonte AC. gm é medido em Siemens (S).
Normalmente também são fornecidos pelos fabricantes vários outros
parâmetros relacionados com a capacitância do dispositivo, tensão de ruído, tempos
para ligar e desligar e potência de operação.
O FET de Metal-Óxido-Semicondutor (MOSFET)
A estrutura básica e o símbolo dos MOSFETs de canal N e canal P tipo
depleção são mostrados nas Figura 1a e 1b respectivamente. As Figuras 1c e 1d
mostram a estrutura básica e o símbolo dos MOSFETs de canal N e canal P tipo
acumulação.
Metal
Porta
Fonte
N
D
Dreno
N
N
Substrato tipo P
G
Óxido
isolante
S
(a)
Metal
Porta
Fonte
N
P
D
Dreno
N
Substrato tipo N
G
Óxido
isolante
S
(b)
Metal
Fonte
Porta
D
Dreno
Óxido
isolante
N
G
N
Substrato tipo P
S
(c)
Metal
Fonte
Porta
D
Dreno
Óxido
isolante
P
P
Substrato tipo N
G
S
(d)
Figura 1 – Diagrama esquemático e símbolo do MOSFET: (a) tipo depleção canal N;
(b) tipo depleção canal P; (c) tipo acumulação canal N; (d) tipo acumulação canal P.
A diferença básica entre os MOSFETs tipo acumulação e depleção está
no canal, ou seja, no modo acumulação para se formar o canal, deve-se aplicar uma
tensão de porta-fonte; no modo depleção o canal já é formado (fabricado), e a tensão
porta-fonte controla a largura do mesmo. A Figura 2 mostra as curvas de transferência
do JFET e dos MOSFET tipo depleção e acumulação.
ID
ID
ID
IDSS
ID,ON
IDSS
VGS
-VP
VGS
VT
VGS
VT
VGS,ON
(a)
(b)
(c)
Figura 2 – Características de transferência: (a) do JFET; (b) do MOSFET canal N modo
de depleção; (c) do MOSFET canal N modo de acumulação.
MOSFETs com Simetria Complementar (CMOS)
É bastante comum, principalmente em circuitos digitais, conectar
transistores MOS tipo P e tipo N internamente a um dispositivo complementar ou
CMOS. A Figura 3a mostra a conexão básica do CMOS. A entrada é conectada a ambas
as portas dos transistores MOS tipo P e tipo N. Uma entrada positiva desliga o MOS
tipo P, liga o tipo N, com a saída caindo para 0 V. Uma entrada de valor baixo ligará o
dispositivo MOS tipo P e desligará o tipo N, com a tensão de saída subindo até +VDD. A
Figura 3b mostra um gráfico da relação entre as tensões de entrada e saída.
O dispositivo CMOS é usado principalmente em circuitos digitais
operando para fornecer saídas de 0 V ou 5 V e requerendo muito pouca potência da
fonte. A maior parte dos circuitos integrados de baixa potência é construída com o
emprego de chaves CMOS.
VDD(+5 V)
Vsaída
+V
Entrada
Saída
Ventrada
(a)
(b)
Figura 3 – Chave CMOS: (a) Conexão de CMOS básica; (b) Relação entrada-saída.
Circuitos Digitais com MOSFET
As mais comuns aplicações de dispositivos MOS são digitais, como por
exemplo, portas lógicas e registradores ou conjuntos de memórias. Devido às
capacitâncias parasitas localizadas de porta para dreno, porta para fonte e substrato, os
circuitos MOSFET são mais lentos que os circuitos bipolares correspondentes. Contudo,
a baixa dissipação de potência e a alta densificação na fabricação tornam os dispositivos
MOS muito convenientes e econômicos para muitas aplicações em baixa velocidade.
Os circuitos digitais com MOSFET consistem somente em FETs e
nenhum outro componente, tais como diodos, resistores ou capacitores. Por exemplo,
consideremos o inversor com MOSFET da Figura 4. O dispositivo Q1 é o FET de
entrada, enquanto Q2 atua como uma resistência de carga e é chamado carga FET.
VDD
Q2
VO
Q1
VI
V I VO
0 VDD
VDD 0
VO = VI
Figura 4 – Circuito inversor com MOSFET, sua tabela verdade e função lógica.
O Circuito Integrado 4007
1
14
P
P
2
13
3
12
VDD
P
4
11
N
5
N
6
VSS
7
10
9
N
8
Figura 5 – Circuito Integrado 4007.
Os substratos dos dispositivos canal N estão conectados a VSS e dos
dispositivos canal P a VDD. Desta maneira, VDD deve ser conectado ao potencial mais
positivo e VSS ao potencial mais negativo do circuito.
PARTE EXPERIMENTAL
Curva Característica
1. Monte o circuito da Figura 1.
2. Varie a tensão VDD de 0-20V. Meça a tensão VGS. Preencha a Tabela I.
3. A partir dos valores medidos determine os parâmetros K e Vt.
Figura 1
VDD
VGS
ID
0,5V
1,0V
1,5V
2,0V
3,0V
4,0V
5,0V
6,0V
VDD
VGS
ID
8,0V
10,0V
12,0V
14,0V
16,0V
18,0V
19,0V
20,0V
7,0V
Tabela I
Amplificador Linear
4. Monte o circuito da Figura 2.
5. Meça as tensões de polarização VG, VD, VS e VGS. A partir dos valores
medidos determine (calcule) a corrente de polarização de dreno ID.
6. Escreva a expressão da reta de carga.
7. Aplique um sinal na entrada e meça o ganho do amplificador.
8. Determine a transcondutância gm, a impedância de entrada e a freqüência
de corte.
Figura 2
Porta Lógica Inversora
9. Monte o circuito da Figura 3.
10. Meça a tensão VDS para VGS = 0V e VGS = 12V.
11. Construa a Tabela da Verdade para este circuito.
Figura 3
Porta Lógica Inversora CMOS
12. Monte o circuito da Figura 4.
13. Meça a tensão VDS para VGS = 0V e VGS = 12V.
14. Construa a Tabela da Verdade para este circuito.
Figura 4
Regiões de operação do MOSFET
A operação de um MOSFET pode ocorrer em três diferentes regiões, dependendo das
tensões aplicadas sobre seus terminais. Para o transistor NMOS os modos são:
ƒ REGIÃO DE CORTE: quando VGS < VT
VGS é a tensão entre a porta (gate) e a fonte (source) e VT é a tensão de threshold
(limiar) de condução do dispositivo
Nesta região o transístor permanece desligado e não há condução entre o dreno e
a fonte.
ƒ REGIÃO DE TRIODO (ou região linear):
Quando VGS > VT
fonte.
e
VDS < VGS – VT
onde VDS é a tensão entre dreno e
O transistor é ligado, e o canal que é criado permite o fluxo de corrente entre o
dreno e fonte. O MOSFET opera como um resistor, controlado pela tensão na
porta. A corrente do dreno para a fonte é,
Resistência Linear
2
Se VDS for suficientemente pequeno para desprezar o termo VDS
temos uma
relação linear entre a corrente e a tensão VDS constituindo-se, portanto em um
resistor linear com valor controlado pela tensão na porta VGS.
ƒ REGIÃO DE SATURAÇÃO: quando VGS > VT e
VDS > VGS – VT
O transístor fica ligado e um canal é criado permitindo o fluxo de corrente entre
o dreno e a fonte. A corrente de dreno é agora relativamente independente da
tensão de dreno e é controlada somente pela tensão da porta de tal forma que,
VGS = VT +
ID
K
AMPLIFICADOR DE ALTO GANHO
Observando-se a curva Vi xVo, do circuito inversor, verifica-se que na
realidade, podemos ter um amplificador de ganho muito elevado, para tensões
de entrada em torno de VDD/2. Com esta característica é possível, portanto, se
construir um amplificador de alto ganho para pequenos sinais, calculando-se
os resistores R1 e R2 de forma que o amplificador fique polarizado em VDD/2,
ou seja, muito próximo do ponto onde ocorre a transição na saída.