LABORATÓRIO DE DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS Guia de Experimentos - PDF
Herman Teixeira da Costa
1 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
2 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). Transistor de Efeito de Campo Introdução Teórica 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 Ω). 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
3 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 10 7 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 I D em função da tensão porta-fonte, V GS, para um valor constante da tensão dreno-fonte, V DS. 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: C ox Capacitância do óxido V t - 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 V GS(OFF) ou V t. gm - a transcondutância O valor de g m diz quanto a corrente AC mudará quando se aplica uma tensão portafonte AC. g m 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.
4 Fonte Porta Metal Dreno D N N N Substrato tipo P Óxido isolante G S Fonte Porta Metal Dreno (a) D N P N Substrato tipo N Óxido isolante G S Metal Fonte Porta Dreno (b) D N N Óxido isolante G Substrato tipo P S Metal Fonte Porta Dreno (c) D P P Óxido isolante G Substrato tipo N (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. S 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.
5 ID ID ID IDSS ID,ON IDSS -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 +V DD. 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. VGS V DD (+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.
6 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 Q 1 é o FET de entrada, enquanto Q 2 atua como uma resistência de carga e é chamado carga FET. VDD Q2 V I V O VI Q1 VO 0 V DD V DD 0 Figura 4 Circuito inversor com MOSFET, sua tabela verdade e função lógica. O Circuito Integrado 4007 V O = V I 1 2 P P V DD N N P V SS 7 N 8 Figura 5 Circuito Integrado Os substratos dos dispositivos canal N estão conectados a V SS e dos dispositivos canal P a V DD. Desta maneira, V DD deve ser conectado ao potencial mais positivo e V SS ao potencial mais negativo do circuito.
7 PARTE EXPERIMENTAL Curva Característica 1. Monte o circuito da Figura Varie a tensão V DD de 0-20V. Meça a tensão V GS. Preencha a Tabela I. 3. A partir dos valores medidos determine os parâmetros K e V t. Figura 1
8 V DD 0,5V 1,0V 1,5V 2,0V 3,0V 4,0V 5,0V 6,0V 7,0V V GS I D V DD 8,0V 10,0V 12,0V 14,0V 16,0V 18,0V 19,0V 20,0V V GS I D Tabela I Amplificador Linear 4. Monte o circuito da Figura Meça as tensões de polarização V G, V D, V S e V GS. A partir dos valores medidos determine (calcule) a corrente de polarização de dreno I D. 6. Escreva a expressão da reta de carga. 7. Aplique um sinal na entrada e meça o ganho do amplificador. 8. Determine a transcondutância g m, a impedância de entrada e a freqüência de corte. Figura 2 Porta Lógica Inversora 9. Monte o circuito da Figura Meça a tensão V DS para V GS = 0V e V GS = 12V. 11. Construa a Tabela da Verdade para este circuito.
9 Figura 3 Porta Lógica Inversora CMOS 12. Monte o circuito da Figura Meça a tensão V DS para V GS = 0V e V GS = 12V. 14. Construa a Tabela da Verdade para este circuito. Figura 4
11 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: REGIÃO DE CORTE: quando V GS < V T V GS é a tensão entre a porta (gate) e a fonte (source) e V T 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. REGIÃO DE TRIODO (ou região linear): Quando V GS > V T e V DS < V GS V T onde V DS é a tensão entre dreno e fonte. 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 Se V DS for suficientemente pequeno para desprezar o termo 2 V DS temos uma relação linear entre a corrente e a tensão V DS constituindo-se, portanto em um resistor linear com valor controlado pela tensão na porta V GS.
12 REGIÃO DE SATURAÇÃO: quando V GS > V T e V DS > V GS V T 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, V = V GS T + I D 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 V DD /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 V DD /2, ou seja, muito próximo do ponto onde ocorre a transição na saída.
Transistor NMOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor, canal N, tipo Enriquecimento) I DS D
G V GS Transistor NMOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor, canal N, tipo Enriquecimento) I DS D S V DS Porta (G-Gate) Fonte Dreno (S-Source) Metal (D-Drain) Óxido N+ Sem. N+ P Substrato