ELETRÔNICA I
Prof. Edison Puig Maldonado
2Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Referências
Básica:Básica:
1.1. Sedra, Adel S.; Smith, Kenneth C.; Sedra, Adel S.; Smith, Kenneth C.; MicroeletrônicaMicroeletrônica; 5ª Edição; Editora: ; 5ª Edição; Editora: Prentice Hall Brasil (2007)Prentice Hall Brasil (2007)
2.2. Adel S. Sedra, Laboratory Explorations for Microelectronic Circuits, 5 Ed., Adel S. Sedra, Laboratory Explorations for Microelectronic Circuits, 5 Ed., Oxford University Press (2007)Oxford University Press (2007)
3.3. Robert L. Boylestad, Louis Nashelsky, Robert L. Boylestad, Louis Nashelsky, Dispositivos Eletrônicos e Teoria Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitosde Circuitos, 8ª Ed., Prentice Hall Brasil (2004), 8ª Ed., Prentice Hall Brasil (2004)
3Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Referências
Complementar:Complementar:
4.4. Sergio Rezende, Sergio Rezende, Materiais e Dispositivos EletrônicosMateriais e Dispositivos Eletrônicos, Livraria da , Livraria da Física (2004)Física (2004)
6.6. Albert Paul Malvino, Albert Paul Malvino, Eletrônica, v.1 Eletrônica, v.1 ee v.2 v.2, 4ª Ed., Makron (1997), 4ª Ed., Makron (1997)
5.5. Olival Freira Jr., Olival Freira Jr., Rodolfo Alves de Carvalho Neto, Rodolfo Alves de Carvalho Neto, Universo dos Universo dos Quanta: uma Breve História da Física ModernaQuanta: uma Breve História da Física Moderna, FTD (1997), FTD (1997)
4Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Referências
Outras publicações, vídeos e sites:Outras publicações, vídeos e sites:
## MIT OpenCourseWare - MIT OpenCourseWare - Microelectronic Devices and CircuitsMicroelectronic Devices and Circuits (2005) (2005)http://ocw.mit.edu/OcwWeb/Electrical-Engineering-and-Computer-Science/6-012Fall-2005/CourseHome/index.htmhttp://ocw.mit.edu/OcwWeb/Electrical-Engineering-and-Computer-Science/6-012Fall-2005/CourseHome/index.htm
Paul Horowitz, Winfield Hill, Paul Horowitz, Winfield Hill, The Art of ElectronicsThe Art of Electronics, 2 Ed., Cambridge Univ. , 2 Ed., Cambridge Univ.
Press (1989)Press (1989)
Microelectronic Circuits - Today's Technology. Tomorrow's Engineers. Microelectronic Circuits - Today's Technology. Tomorrow's Engineers.
((http://www.sedrasmith.orghttp://www.sedrasmith.org))
SPICE 3 User's Manual SPICE 3 User's Manual
(http://newton.ex.ac.uk/teaching/CDHW/Electronics2/userguide/) (http://newton.ex.ac.uk/teaching/CDHW/Electronics2/userguide/)
Play-Hookey (Play-Hookey (http://www.play-hookey.com/http://www.play-hookey.com/) )
5Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Estrutura e Propriedades deMateriais Tecnológicos (estado sólido)
Semicondutores
6Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Estrutura da Matéria & Natureza da Luz
7Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Estrutura da Matéria & Natureza da Luz
8Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
As partículas são descritas como ondas ⇒ Probabilidades
As funções de onda de um elétron em um átomo de hidrogênio possuindo energias fixas (crescendo para baixo, na figura, n=1,2,3,...) e momento angular definido (crescendo para: s, p, d,...).
Regiões mais claras representam regiões com maior probabilidade para uma medida da posição do elétron. O momento angular e a energia são quantizados, ou seja, podem apenar apresentar valores definidos, como os mostrados.
Funções de Onda
9Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Estrutura da Matéria & Natureza da Luz
10Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
DEF.:DEF.: É a parte da física que estuda o comportamento É a parte da física que estuda o comportamento dos sistemas “pequenos” dos sistemas “pequenos” ((efeitos quânticos são relevantes efeitos quânticos são relevantes em escalas de até 1000 átomosem escalas de até 1000 átomos))..
• Quantização da energia Quantização da energia ⇒⇒
• Dualidade onda-partícula.Dualidade onda-partícula.“As partículas são também ondas”,
e vice-versa" ⇒⇒ λ = h / p
E = nhν∆x ∆p ≥ / 2• Princípio da incerteza Princípio da incerteza ⇒⇒
• Princípio da exclusãoPrincípio da exclusão
A Mecânica Quântica
11Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
L i g a ç ã oL i g a ç ã o
• Estado da matéria onde átomos/moléculas estão relativamente próximos.
• Uma parte de seus elétrons se sobrepõem !
Sólidos
12Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
materiais cristalinosmateriais cristalinos materiais amorfosmateriais amorfos
vidrosvidros
polímerospolímeros
cerâmicascerâmicas
etc.etc.
metaismetais
semicondutoressemicondutores
cristaiscristais
saissais
etc.etc.diamantediamante carvãocarvão
Tipos de sólidos
13Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Formas alotrópicas do Formas alotrópicas do carbono:carbono:
a) Diamantea) Diamante
b) Grafiteb) Grafite
c) Lonsdaleíta (meteoritos)c) Lonsdaleíta (meteoritos)
d) Fulereno (C60)d) Fulereno (C60)
e) C540e) C540
f) C70f) C70
g) Amorfo (carvão)g) Amorfo (carvão)
h) Nanotuboh) Nanotubo
Exemplo: Carbono
14Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
• Quando átomos formam ligações, os elétrons se movem mais próximos.Quando átomos formam ligações, os elétrons se movem mais próximos.
• Para evitar violação do Para evitar violação do Princípio da Exclusão de PauliPrincípio da Exclusão de Pauli, que ocorreria quando , que ocorreria quando elétrons com a mesma energia, etc., ocupam a mesma região do espaço, elétrons com a mesma energia, etc., ocupam a mesma região do espaço, os níveis de energia se deslocam levemente.os níveis de energia se deslocam levemente.
Dois átomosDois átomos
Bandas de EnergiaBandas de Energia
Seis átomosSeis átomos Sólido de N átomosSólido de N átomos
Deslocamento dos níveis
15Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Bandas de EnergiaBandas de Energia
Bandas e intervalos
16Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Bandas e níveis
Molecular-orbital energies corresponding to delocalization of valence electrons over increasing numbers of Li Molecular-orbital energies corresponding to delocalization of valence electrons over increasing numbers of Li atoms. A 1-mg sample of Li would contain nearly 10atoms. A 1-mg sample of Li would contain nearly 102020 atoms. The corresponding orbital energies are so closely atoms. The corresponding orbital energies are so closely spaced that they constitute essentially continuous bands.spaced that they constitute essentially continuous bands.
17Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
• Banda de “condução” : banda de energia na qual
os elétrons devem ser promovidos para contribuir
com a condução elétrica.
• Banda de “valência” : banda de energia contendo
aqueles elétrons não localizados que são
compartilhados e contribuem para as ligações.
• Elétron localizado : está em um estado associado
com um átomo específico (camadas internas
“blindadas”).
bandgap
Bandas de Energia
Bandas e níveis
18Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
As bandas de energia e os “gaps” entre elas determinam a condutividade e outras propriedades dos sólidos.
Condutividade elétrica
• Nos metais a banda de valência é geralmente apenas parcialmente preenchida com elétrons.
• Nos semimetais, há uma pequena sobreposição entre a banda de condução e a de valência (mas têm menos portadores que os metais).
• Nos isolantes a banda de valência está cheia (não há estados disponíveis) e a energia do gap é muito maior que as energias térmicas típicas.
• Nos semicondutores o gap é pequeno e alguns elétrons da banda de valência saltam para a banda de condução com a energia térmica.
Em semicondutores naturais (ou intrínsecos), a condutividade não é causada apenas pelos elétrons que pularam para a banda de condução, mas também pelos buracos (também chamados lacunas) que eles deixaram na banda de valência. Um elétron vizinho a um buraco pode passar para enchê-lo, deixando um buraco no local que acaba de vir. Os buracos são como partículas positivamente carregadas que se movem.
E
condutores
ou
metais e semimetaismetais
valên
ciaco
ndução
valência
condução
semicondutores
E
valência
condução
isolantes
E
> 4 eV
valência
condução
19Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Condutividade elétrica
σ [ 1/Ω m]
isolantes semicondutores"intrínsecos"
condutores
10 -20 10 -1410 -18 10 -1010 -16 10 -610 -12 10 -210 -8 10210 -4 10 610 0 10 4 10 8
quartzo
madeira seca
grafite
borracha
SiO2
porcelana
mica
vidro
GaAs Si
Ge
Si dopadoMn Fe
Ag
Cu
polietilenoconcreto (seco)
NaCl
poliestireno
tecidos biológicos
semicondutores"extrínsecos"
20Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Dopagem
21Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Efeitos de adição de impurezasEfeitos de adição de impurezas
Dopagem
22Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Semicondutor tipo N
A adição de impurezas pentavalentes tais como o antimônio, arsênico ou fósforo contribui com elétrons livres, aumentando a condutividade do semicondutor intrínseco.
Tipo N
23Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Semicondutor tipo P
A adição de impurezas trivalentes tais como o boro, o alumínio ou o gálio a um semicondutor intrínseco cria deficiências de elétrons de valência, chamadas “buracos".
Tipo P
24Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Essa distribuição de cargas cria uma barreira a qual se oporá à difusão de mais portadores
Junção P-N
25Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Polarização DiretaPolarização Direta
Polarização reversaPolarização reversa
A largura da região de depleção A largura da região de depleção diminuirá.diminuirá.
Corrente flui !Corrente flui !
A largura da região de A largura da região de depleção aumentará.depleção aumentará.
O potencial do campo O potencial do campo elétrico interno bloqueia o elétrico interno bloqueia o fluxo de corrente!fluxo de corrente!
O diodo de junção
catodoanodo
26Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
O diodo de junção
27Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Diodo – características elétricas
Características elétricas dos diodos de junção
i=I S ev ¿ nV T−1
IS = corrente de saturação (10-15A @ ambiente)
VT = tensão térmica ≈ 25mVn = 1
Região direta:escala v
comprimida
escala
i
expan
did
a
operação reversaoperaçãodireta
ruptura
28Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Diodo – características elétricas
Características elétricas dos diodos de junção
29Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Diodo – características elétricas
Região direta:
Current-Voltage characteristics of a silicon diode under forward bias
http://ece-www.colorado.edu/~bart/book/book/chapter4/ch4_4.htm
30Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Diodo – características elétricas
i=I Se v /nV T−1
IS = corrente de saturação (10-15A @ ambiente)
VT = tensão térmica ≈ 25mVn = 1
Início da região reversa:
Região reversa:
Microdiodo (CI)
31Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Diodo – características elétricas
I D≃ I S . eV D /nV T
Análise de circuitos. Exemplo:
I D=V DD−V D
R
Incógnitas: ID , VD
Métodos numéricos???
Análise gráfica?
Silício: ~ 0,7 V
Germânio: ~ 0,2 V
diodo
Q (ponto quiescente)
reta de carga
32Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Diodo - modelos
Análise de circuitos. Modelo simplificado do diodo (segmentos lineares):
33Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Diodo - modelos
Análise de circuitos. Se v >> 0,7V :
34Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Diodo - modelo de pequenos sinais
Modelo de circuito com diodo, para pequenos sinais.
vD(t) = VD + vd(t)
iD(t) = IS exp[(VD + vd)/(nVT)]
= IS exp[(VD )/(nVT)] . exp[(vd)/(nVT)]
= ID exp[(vd)/(nVT)]
≈ ID [1 + (vd)/(nVT)] = ID + id
Corrente dinâmica: id = ID vd / (nVT) ⇒ Resistência dinâmica: rd = nVT / ID
35Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Diodo - modelo de pequenos sinais
Uso como regulador de tensão no modo direto (exemplo)
Assumindo cada diodo com 0,7 V:
I = (10 – 2,1) / 1000 = 7,9 mA
Resistência dinâmica de cada diodo:
rd = nVT / I = 2. 25mV / 7,9 mA = 6,3 Ω
Para variações na tensão (supondo 10%):
∆v0 = (2 volts) [3rd / (3rd + R)] = 37,1 mV
36Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Diodo Zener
Diodo Zener
Diodo Zener é um tipo de diodo especialmente projetado para trabalhar na região de ruptura de tensão reversa da junção PN. (ver também: diodo avalanche)
Aplicações comuns: estabilização de tensao; proteção contra picos
O diodo Zener difere do diodo convencional pelo fato de receber uma dopagem (tipo N ou P) maior, o que provoca a aproximação da curva na região de avalanche ao eixo vertical. Isto reduz consideravelmente a tensão de ruptura e evidencia o efeito Zener que é mais notável à tensões relativamente baixas (~ 5,5V).
Cada diodo Zener possui uma tensão de Zener específica como, por exemplo, 5,1 V, 6,3 V, 9,1V, 12V e 24V.
A tensão de ruptura pode ser controlada de forma muito precisa pelo processo de dopagem. Tolerâncias na faixa de 0.05% são disponíveis, mais a maioria das tolerâncias é entre 5% e 10%.
Corrente máxima admissível: o valor indicado é o da potência.
Por exemplo, existem diodos Zener de 400 mW, 1W etc.
O diodo Zener se encontra normalmente associado com uma resistência em série, destinada a limitar a corrente a um valor admissível.
37Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Diodo Zener
Operação na região reversa, na zona de ruptura.
In silicon diodes up to about 5.6 volts, the Zener effect is the predominant effect and shows a marked negative temperature coefficient. Above 5.6 volts, the avalanche effect becomes predominant and exhibits a positive temperature coefficient.
The breakdown voltage can be controlled quite accurately in the doping process. Tolerances to within 0.05% are available though the most widely used tolerances are 5% and 10%.
38Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Outros diodos
Varicap
Varicap, diodo varicap ou capacitor variável, é um tipo de diodo que apresenta uma capacitância bastante variável, a qual é função da tensão à qual ele é submetido.
A espessura da região de depleção aumenta com o aumento da polarização inversa e ela quase não conduz (como um dielétrico), funcionando como um capacitor cuja capacitância varia de acordo com a tensão.
Sintonia de circuitos é a principal aplicação. São também usados em amplificadores paramétricos, osciladores paramétricos e osciladores controlados por tensão (como parte de malhas de captura de fase e sintetizadores de freqüências).
39Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Outros diodos
Diodo PIN
Um diodo PIN (Positive Intrinsic Negative diode) é um diodo com uma região não-dopada (intrínsica) de semicondutor entre as regiões do tipo P e N.
A região larga intrínseca faz o diodo PIN um retificador inferior, mas o torna mais adequado para uso como atenuador, chave rápida (de RF) e fotodetetor.
Quando diretamente polarizado, buracos e elétrons são injetados na camada intrínseca i e suas cargas não se anulam de imediato, possibilitando a condução. Na polarização nula ou inversa, não há carga armazenada e o diodo se comporta como um capacitor em paralelo com uma resistência.
Com tensão contínua ou de baixa freqüência, o diodo PIN tem comportamento próximo do diodo de junção PN.
Em altas freqüências, age como um resistor variável (de 0,1 a 10 kΩ).
40Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Outros diodos
Diodo Schottky
Diodo Schottky é um tipo de diodo que utiliza o efeito Schottky (junção metal-semicondutor especial).
Nesse caso, não há região de depleção no metal.
Apresenta baixa resistência, baixa queda de tensão direta (~0,2V) e ação de chaveamento rápida (~1ns).
Aplicações típicas incluem proteção contra descarga em células solares conectadas a baterias e em fontes de alimentação chaveadas.
Since 2001 another important invention was presented by Siemens Semiconductor (now Infineon): a silicon carbide Schottky diode. SiC Schottky diodes have about 40 times lower reverse leakage current compared to silicon schottky diodes and are available in 300V and 600V variants. As of 2007 a new 1200 volt 7.5A variant is sold as 2x2mm chip for power inverter manufacturers.
41Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
EDA
Electronic design automation
42Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
EDA
Electronic design automation (EDA) é a categoria de ferramentas para projeto e produção de sistemas eletrônicos, desde circuitos impressos (printed circuit boards - PCBs) a circuitos integrados (ICs). Às vezes também é denominada como ECAD (electronic computer-aided design) ou apenas CAD.
Seu uso teve origem no IEEE Design Automation Technical Committee.
1975 - SPICE - Simulated Program with Integrated Circuits Emphasis - Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação da Universidade da Califórnia (Berkeley). Software público, com versões comerciais.
1986 - Verilog - high-level design language (hardware description language) by Gateway (hoje Cadence)
1987 - VHDL - specification language (U.S. Department of Defense).
43Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
SPICE
SPICE (Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis) é um software de simulação de circuitos analógicos. É uma poderosa ferramenta usada para testar e prever o comportamento de circuitos contendo componentes discretos ou integrados.
O software foi desenvolvido no ano de 1975 pelos pesquisadores Larry Nagle e Donald Petterson nos laboratórios de pesquisas sobre eletrônica da Faculdade de Engenharia Elétrica e Ciências da Computação da Universidade da Califórnia, campus de Berkeley. É um software de domínio público.
Algumas versões comerciais mantém compatibilidade com a versão de Berkeley, mas outras adicionaram extensões. As versões mais recentes incluíram interfaces gráficas.
NI Multisim – National Instruments PSpice – MicroSim / Cadence LTspice – Linear Technology
44Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
SPICE
Para que o SPICE possa realizar a simulação, o usuário deve entrar os seguintes dados:
** Circuit Description **VD 1 0 DC 700mVDtest 1 0 1mA_diode* diode model statement.model 1mA_diode D (Is=100pA n=1.679)** Analysis Requests *** vary diode voltage and measure diode anode current.DC VD 0V 800mV 10mV** Output Requests **.plot DC I(VD).probe.end
** Circuit Description **VD 1 0 DC 700mVDtest 1 0 1mA_diode* diode model statement.model 1mA_diode D (Is=100pA n=1.679)** Analysis Requests *** vary diode voltage and measure diode anode current.DC VD 0V 800mV 10mV** Output Requests **.plot DC I(VD).probe.end
Exemplo.Spice As A Curve Tracer: Diode I -V Characteristics
1. Entrada da decrição do circuito: é feita na forma de uma série de declarações em arquivo texto (arquivo fonte) ou graficamente, via construção do circuito através de um programa de captura de esquemas.
2. Especificação das análises: os tipos de análises, por exemplo, cc, pequenos sinais, transiente, etc.
3. Especificação dos resultados: o tipo de resultado que se deseja, por exemplo, tabelas, gráficos, de quais valores e de quais componentes.
Arquivo de descrição: SPICE input file (*.cir)
45Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
SPICE
46Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
SPICE
SPICE Source Files
The SPICE-3 source is a text file comprising various types of lines each terminated by a new line character:
1. Title line: the first line of the file will be printed, but otherwise ignored.
2. Element lines: describe the components and how they are connected into a network.
3. Comment lines: start with a ‘∗’ and are ignored by SPICE.
4. Continuation lines: lines starting with a '+' are continuations of the statement on the preceding line.
5. Control lines: tell SPICE what type(s) of analysis; to perform on the circuit and how results are to be displayed.
6. Final line: must be ‘.end’
SPICE Source Files
The SPICE-3 source is a text file comprising various types of lines each terminated by a new line character:
1. Title line: the first line of the file will be printed, but otherwise ignored.
2. Element lines: describe the components and how they are connected into a network.
3. Comment lines: start with a ‘∗’ and are ignored by SPICE.
4. Continuation lines: lines starting with a '+' are continuations of the statement on the preceding line.
5. Control lines: tell SPICE what type(s) of analysis; to perform on the circuit and how results are to be displayed.
6. Final line: must be ‘.end’
Title LineThe title line must be the first in the input file. Its contents are printed verbatim as the heading for each section of output.
.END LineThe "End" line must always be the last in the input file. Note that the period is an integral part of the name.
CommentsThe asterisk in the first column indicates that this line is a comment line. Comment lines may be placed anywhere in the circuit description. Note that SPICE3 also considers any line with leading white space to be a comment.
47Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
SPICE
• Nome deve começar com a letra específica, e deve conter de 1 a 8 caracteres.• N+ e N- são os nós (o terra deve estar presente e deve ser o nó 0)• VALOR em unidades do SI.
Number fields may be integers or floating-point numbers.
A floating-point number can be followed by an integer exponent or one of the following scale factors : T = 1012, G = 109, Meg = 106, K = 103, mil = 25.4x10-6, m = 10-3, u = 10-6, n = 10-9, p = 10-12, f = 10-15
Spice is not case-sensitive, so both scale-factors 'M' and 'm' mean 'milli'; use 'MEG' to represent 'mega'.
Letters following a number that are not scale factors are ignored, and letters following a scale factor are ignored .
• NC+ e NC- são os nós aos quais a tensão de controle está ligada. • VNOM é a fonte de tensão através da qual a corrente de controle flui.
• QUAL é um conjunto de atributos da fonte (cc, transientes, amplitudes, fase, etc.).
Linear :
Voltage-Controlled Current Sources
Voltage-Controlled Voltage Sources
Current-Controlled Current Sources
Current-Controlled Voltage Sources
EX
EM
PLO
S
48Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
SPICE
Descrever um dispositivo semicondutor para o SPICE exige uma declaração de elemento e uma de modelo.
• A declaração inicia com o nome do dispositivo (1ª letra indica o tipo)• Para um diodo, N+ é o nó do anodo e N- o nó do catodo.• Para um transistor bipolar de junção, NC, NB, NE e <NS> são os nós de circuito aos quais se ligam o
coletor, a base, o emissor e o substrato.
• Para um MOSFET, ND, NG, NS e NB são os nós aos quais se ligam o dreno, a porta, a fonte e o substrato.• MNOME indica o nome do modelo a ser usado.• <AREA> é um fator de escala de área (dipositivos em paralelo).
• L e W indicam o comprimento e a largura do canal MOSFET, em metros.
EX
EM
PLO
S
49Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
SPICE
Especificando as análises.
Especificando os resultados.
EX
EM
PLO
SEX
EM
PLO
S
50Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
O modelo de diodo do SPICE
O modelo de diodo do SPICE.
O SPICE inclui um modelo interno para o diodo (modelo de grandes sinais).
RS = resistência parasita.
iD = comportamento estático
CD = capacitor não-linear (comportamento dinâmico) : capacitância de difusão + capacitância de junção.
mas:não descreve bem a operação
do diodo na região de ruptura.
51Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
SPICE
SUBCIRCUITS
A subcircuit consists of SPICE elements that can be defined and referenced in a fashion similar to device models. The subcircuit is defined in the input file by a grouping of element lines; the program then automatically inserts the group of elements wherever the subcircuit is referenced. There is no limit on the size or complexity of subcircuits, and subcircuits may contain other subcircuits.
.SUBCKT line, general form:
.SUBCKT subnam N1 <N2 N3 ...>
ENDS line, general form:
.ENDS <SUBNAM>
Subcircuit calls, general form:
XYYYYYYY N1 <N2 N3 ...> SUBNAM
Subcircuits are used in SPICE by specifying pseudo-elements beginning with the letter X, followed by the circuit nodes to be used in expanding the subcircuit.
52Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Modelando diodo zener no SPICE
Equivalent-circuit model used to simulate the zener diode in SPICE. Diode D1 is ideal and can be approximated in SPICE by using a very small value for n (say n = 0.01).
53Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Circuitos com diodos
Robert L. Boylestad, Louis Nashelsky, Dispositivos Eletronicos e Teoria de Circuitos, (2004) CAPÍTULO 2: Aplicações de Diodos
Adel S. Sedra, Kenneth C. Smith, Microeletrônica, (2000)CAPÍTULO 3, tópicos 3.4 em diante
54Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Retificação de meia-onda
55Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Retificação de meia-onda
56Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Retificação de onda completa
57Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Retificação de onda completa
58Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Detector de pico
Figure 3.28 (a) A simple circuit used to illustrate the effect of a filter capacitor. (b) Input and output waveforms assuming an ideal diode. Note that the circuit provides a dc voltage equal to the peak of the input sine wave. The circuit is therefore known as a peak rectifier or a peak detector.
59Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Detector de pico
Figure 3.29 Voltage and current waveforms in the peak rectifier circuit with CR @ T. The diode is assumed ideal.
60Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Fonte
Adaptador de energia, doméstico (comum)
61Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Fonte regulada
Block diagram of a dc power supply
62Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Fonte regulada
Projeto de uma fonte regulada
63Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Fonte (sem transformador)
64Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Circuitos limitadores
65Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Restaurador DC
Figure 3.36 The clamped capacitor or dc restorer with a square-wave input and no load.
66Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Dobrador de tensão
Figure 3.38 Voltage doubler: (a) circuit; (b) waveform of the voltage across D1.
67Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Dobrador de tensão
68Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Multiplicador de tensão
69Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Lógica a diodo
Figure 3.5 Diode logic gates: (a) OR gate; (b) AND gate (in a positive-logic system).
70Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
John John BardeenBardeen, Walter , Walter
Houser Houser BrattainBrattain, e William , e William
Bradford Bradford ShockleyShockley
receberam o prêmio Nobel receberam o prêmio Nobel
de física em 1956.de física em 1956.
Transistor bipolar de junção
1947:1947:Bell LabsBell Labs
71Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Transistor bipolar de junção
http://www.porticus.org/bell/belllabs_transistor.html
72Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Variando-se a corrente entre a “Variando-se a corrente entre a “basebase” e o “” e o “emissoremissor”, com um ”, com um sinalsinal, pode-se variar , pode-se variar o fluxo de corrente entre o o fluxo de corrente entre o emissoremissor e um terceiro terminal, o “ e um terceiro terminal, o “coletorcoletor”, causando ”, causando por exemplo a amplificação do sinal nesse terminal. por exemplo a amplificação do sinal nesse terminal.
Transistores de junção bipolar podem ser pensados como Transistores de junção bipolar podem ser pensados como fontes controladasfontes controladas. .
Transistor bipolar de junção
73Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Transistor bipolar de junção
iiEE ≈ ≈ iiCC iiCC
iiB B <<<< iiCC
74Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Transistor bipolar de junção
ModoModo EBJEBJ CBJCBJ
CorteCorte ReversaReversa ReversaReversa
AtivoAtivo DiretaDireta ReversaReversa
Ativo reversoAtivo reverso ReversaReversa DiretaDireta
SaturaçãoSaturação DiretaDireta DiretaDireta
Modos de operação :
NPN :
75Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Transistor NPN
Modo ativo
Profiles of minority-carrier concentrations in the base and in the emitter of an npn transistor operating in the active mode: vBE > 0 and vCB ≥ 0.
fortemente dopado
levemente dopado
iC = α iE = IS exp(vBE /VT) ≈ iE (n ≈ 1)
onde: α = [β /(β +1)],
A corrente do coletor é, em princípio, independente do valor da tensão do coletor, VCB , enquanto a junção coletor-base permanecer polarizada reversamente.
No modo ativo: coletor ≅ fonte de corrente dependente.
Corrente no coletor: iC = β iB
β = 100 a 200, tipicamente.
Modelo deprimeira ordem.
76Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Transistor NPN
Large-signal equivalent-circuit models of the npn BJT operating in the forward active mode. OBS: αF ≡ α
Modelo de circuito equivalente (modo ativo)
77Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Transistor bipolar de junção
Bipolar transistors have five distinct regions of operation, defined mostly by applied bias:
1. Forward-active (or simply, active): The emitter-base junction is forward biased and the base-collector junction is reverse biased. The collector-emitter current is approximately proportional to the base current, but many times larger, for small base current variations.
2. Reverse-active (or inverse-active or inverted): By reversing the biasing conditions of the forward-active region, a bipolar transistor goes into reverse-active mode. In this mode, the emitter and collector regions switch roles. Since most BJTs are designed to maximize current gain in forward-active mode, the β f in inverted mode is several (2 - 3 for the ordinary germanium transistor) times smaller. This transistor mode is seldom used, usually being considered only for failsafe conditions and some types of bipolar logic. The reverse bias breakdown voltage to the base may be an order of magnitude lower in this region.
3. Saturation: With both junctions forward-biased, a BJT is in saturation mode and facilitates high current conduction from the emitter to the collector. This mode corresponds to a logical "on", or a closed switch.
4. Cutoff: In cutoff, biasing conditions opposite of saturation (both junctions reverse biased) are present. There is very little current flow, which corresponds to a logical "off", or an open switch.
5. Avalanche breakdown region
While these regions are well defined for sufficiently large applied voltage, they overlap somewhat for small (less than a few hundred millivolts) biases.
78Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Transistor NPN
Modelo de circuito equivalente (modo ativo reverso)
Model for the npn transistor when operated in the reverse active mode (i.e., with the CBJ forward biased and the EBJ reverse biased).
79Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Transistor bipolar de junção
Estrutura de transistores reais
80Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Transistor PNP
Current flow in a pnp transistor biased to operate in the active mode.
81Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Transistor PNP
Large-signal model for the pnp transistor operating in the active mode.
82Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Transistor bipolar de junção
Símbolos e convenções
83Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Transistor bipolar de junção
Exemplo :
84Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
BJT – Curvas características
Características elétricas
The iC – vBE characteristic for an npn transistor.
85Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
BJT – Curvas características
Características elétricas
Effect of temperature on the iC – vBE characteristic. At a constant emitter current (broken line), vBE changes by –2 mV/°C.
86Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
BJT – Curvas características
Características elétricas
The iC – vCB characteristics of an npn transistor.
87Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
BJT – Efeito Early
Características elétricas
1. A dependência de iC com vBE é a conhecida: iC = IS exp(vBE /VT)
2. A dependência de iC com vCB é praticamente nenhuma, sendo que iC = α iE
3. A dependência de iC com vCE é o conhecido efeito Early:
iC = IS exp(vBE /VT) (1 + vCE /VA)
onde, VA ≈ 50 a 100 V
88Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
BJT como amplificador
O transistor como amplificador Condições de polarização cc :
Corrente de coletor e transcondutância :
89Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
BJT como amplificador
O transistor como amplificador
90Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Resistência de entrada da base
BJT como amplificador
Relação entre a resistência de entrada na basee a resistência de entrada do emissor :
91Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
BJT como amplificador
Graphical determination of the signal components vbe, ib, ic, and vce when a signal component vi is superimposed on the dc voltage VBB
92Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
BJT – Modelos para pequenos sinais
Modelos para pequenos sinais: Modelo π-híbrido
Two slightly different versions of the simplified hybrid-π model for the small-signal operation of the BJT. The equivalent circuit in (a) represents the BJT as a voltage-controlled current source (a transconductance amplifier), and that in (b) represents the BJT as a current-controlled current source (a current amplifier).
93Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
BJT – Modelos para pequenos sinais
Modelos para pequenos sinais: Modelo T
Two slightly different versions of what is known as the T model of the BJT. The circuit in (a) is a voltage-controlled current source representation and that in (b) is a current-controlled current source representation. These models explicitly show the emitter resistance re .
94Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
BJT – Modelos para pequenos sinais
95Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
BJT – Modelos para pequenos sinais
Modelo π-híbrido com efeito Early
r0 = VA / IC , onde IC é a corrente cc do coletor. Também, vπ = vbe
96Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
BJT – Esquemas básicos de polarização
POLARIZAÇÃO: usando uma fonte de alimentação simples :
Também, para que IE fique insensível às variações de temperatura:
Thévenin
97Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
BJT – Esquemas básicos de polarização
POLARIZAÇÃO: usando duas fontes de alimentação (flexível e eficaz) :
Biasing the BJT using two power supplies. Resistor RB is needed only if the signal is to be coupled to the base. Otherwise, the base can be connected directly to ground, or to a grounded signal source, resulting in almost total β-independence of the bias current.
98Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
BJT – Esquemas básicos de polarização
POLARIZAÇÃO: arranjo alternativo, com resistor de retorno (simples e eficaz) :
A common-emitter transistor amplifier biased by a feedback resistor RB.
(apropriado para amplificadores na configuração emissor comum)
99Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
BJT – Esquemas básicos de polarização
Polarização por fonte de corrente
(a) A BJT biased using a constant-current source I.
100Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
BJT – Modelo para grandes sinais
iDE=I SEev BE /V T−1
Modelo de Ebers-Moll
The Ebers-Moll (EM) model of the npn transistor.
• Descreve o TBJ em qualquer modo de operação.
• É a base do modelo do TBJ usado no SPICE.
• Modelo para baixas freqüências.
iDC= I SCe v BC /V T−1
sendo que,ISC ≈ 2 ISE a 50 ISE
αF ISE = αR ISC = IS
OBS: αF = alfa direto ; αR = alfa reverso
101Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
BJT – SPICE
O modelo do SPICE para TBJ
The SPICE large-signal Ebers-Moll model for an npn BJT.
102Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
BJT – SPICE
O modeloO modelodo do SPICESPICEpara opara o BJTBJT
103Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Design de amplificadores BJT: Emissor Comum
Amplificador BJTAmplificador BJT emissor comum emissor comum
Amplificadores BJT de emissor comum têm geralmente um ganho alto.
Tensão de sinal no coletor:
vc = -Rc ic = -Rc gm vbe
Ganho de tensão:
Av = vc / vbe = - gm Rc
Tensão de sinal no coletor:
vc = -Rc ic = -Rc gm vbe
Ganho de tensão:
Av = vc / vbe = - gm Rc
Obs.: vbe = vsigObs.: vbe = vsig
104Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Design de amplificadores BJT: Emissor Comum
Amplificador BJTAmplificador BJT emissor comum emissor comum
Instabilidade é um problema associado a circuitos de alto ganho, devido a realimentações positivas que possam ocorrer.
Outro problema é a pequena faixa dinâmica de entrada (pelo limite de pequeno-sinal, vbe < 10mV) ⇒ leva a distorções!!
Obs.: uma maneira comum de atenuar estes problemas é o uso de feedback negativo, principalmente na forma de degenerescência do emissor (próximo slide).
Obs.: no exemplo, suponha a fonte de sinal com resistência série igual a 4 kΩ
Amplificadores BJT de emissor comum têm geralmente um ganho alto.
105Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Design de amplificadores BJT: Emissor Comum
Amplificador BJTAmplificador BJT emissor comum degenerado emissor comum degenerado
Uma maneira comum de atenuar os problemas de instabilidade de alto ganho e pequena faixa dinâmica de entrada é o uso de degenerescência do emissor .
Amplificadores BJT de emissor comum têm geralmente um ganho alto.
Degenerescência do emissor: (Re1 ≠ 0)
(surgirá um novo valor de tensão vbe ≠ vsig)
vbe = vsig - ic Re1 = vsig - gm vbe Re1 (feedback negativo)
⇒ vsig = vbe (1 + gm Re1 ) (obs.: gm = ic / vbe = IC / VT)
A nova transcondutãncia efetiva será: gm* = ic / vsig
gm* = ic / vbe (1 + gm Re1 ) = gm / (1 + gm Re1 )
Novo ganho em tensão: Av = - gm Rc / (1 + gm Re1 ) ≈ -Rc / Re1
Degenerescência do emissor: (Re1 ≠ 0)
(surgirá um novo valor de tensão vbe ≠ vsig)
vbe = vsig - ic Re1 = vsig - gm vbe Re1 (feedback negativo)
⇒ vsig = vbe (1 + gm Re1 ) (obs.: gm = ic / vbe = IC / VT)
A nova transcondutãncia efetiva será: gm* = ic / vsig
gm* = ic / vbe (1 + gm Re1 ) = gm / (1 + gm Re1 )
Novo ganho em tensão: Av = - gm Rc / (1 + gm Re1 ) ≈ -Rc / Re1
106Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Design de amplificadores BJT: Base Comum
Amplificador BJTAmplificador BJT base comum base comum
=
Obs.: no exemplo, suponha a fonte de sinal com resistência série igual a 4 kΩ
Este arranjo é utilizado menos que as outras configurações (em circuitos de baixa frequência), porém é comumente utilizado para amplificadores que requerem uma baixa impedância de entrada.
Como por exemplo temos o pré-amplificador de microfones com bobina móvel.
107Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Design de amplificadores BJT: Coletor Comum
Amplificador BJTAmplificador BJT coletor comum coletor comum (seguidor de emissor)(seguidor de emissor)
Obs.: no exemplo, suponha a fonte de sinal com resistência série igual a 4 kΩ
O circuito coletor comum possui um ganho de tensão muito próximo da unidade, significando que os sinais em CA que são inseridos na entrada serão replicados quase igualmente na saída, assumindo que a carga de saída não apresente dificuldades para ser controlada pelo transistor.
O circuito possui um ganho de corrente típico que depende em grande parte do hFE (ou parâmetro β ) do transistor.
108Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Design de amplificadores BJT: Darlington
Par Par DarlingtonDarlington
Na eletrônica, o transistor Darlington é um dispositivo semicondutor que combina dois transístores bipolares no mesmo encapsulamento (as vezes chamado “par Darlington”).
A configuração (originalmente realizada com dois transistores separados) foi inventada pelo engenheiro Sidney Darlington dos Laboratorios Bell.
Esta configuração serve para que o dispositivo seja capaz de proporcionar um grande ganho de corrente (hFE ou parâmetro β do transistor)
Um dispositivo típico tem um ganho de corrente de 1000 ou superior. Comparado a um transistor comum, a tensão base-emissor também é maior: consiste da soma das tensões base-emisor, e para transistores de silicio é superior a 1,2V.
Darlington pairs are available as integrated packages or can be made from two discrete Darlington pairs are available as integrated packages or can be made from two discrete transistors.transistors.
109Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Design de amplificadores BJT: Cascata & Cascode
AmplificadorAmplificador cascode cascode(combina emissor comum e base comum)(combina emissor comum e base comum)No exemplo, suponha a fonte de sinal com resistência série igual a 4 kΩ
Amplificador Amplificador cascata cascata coletor comum – emissor comumcoletor comum – emissor comum
The cascode arrangement offers high gain, high stability, and high input impedance.
110Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
A conceptually similar structure was proposed and patented independently by Julius Edgar Lilienfeld (1930) and Oskar Heil (1935), but was not successfully demonstrated until 1960.
Transistor de efeito de campo
O transistor de efeito de campo (TEC ou FET) é O transistor de efeito de campo (TEC ou FET) é de grande importância tecnológica atualmente.de grande importância tecnológica atualmente.
Enquanto nos transistores bipolares o sinal Enquanto nos transistores bipolares o sinal de saída é controlado por uma de saída é controlado por uma correntecorrente de de entrada, nos FETentrada, nos FETss ele é controlado por uma ele é controlado por uma tensãotensão de entrada. de entrada.
São fáceis de produzir, usam menos silício, São fáceis de produzir, usam menos silício, consomem praticamente nenhuma corrente.consomem praticamente nenhuma corrente.
Apresentam entretanto menor produto ganho-Apresentam entretanto menor produto ganho-banda passante que nos BJT.banda passante que nos BJT.
1960 : Dawon Kahng and Martin Atalla at Bell Labs
111Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Transistor de efeito de campo
112Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Transistor de efeito de campo
EXEMPLO 1: JFET
Entre S e D, o semicondutor tipo-N age como um resistor.
O fluxo de corrente consiste de portadores majoritários (elétrons).
Modulando-se a tensão em G, modula-se a corrente no dispositivo.
Como a junção G é polarizada reversamente, e como nenhum portador minoritário contribui para o fluxo de corrente no dispositivo, a impedância de entrada é extremamente alta (mega-ohms).
EXEMPLO 2: IGFET
O transistor FET de porta isolada (IGFET) difere do JFET pela adição de uma camada de material dielétrico sob a entrada G.
O resultado é um dispositivo com impedância de entrada ainda maior.
Dispositivos usualmente empregando essa estratégia são os MOSFETs (metal oxide - field effect transistors).
Eles atingem impedâncias de entrada da ordem de 1015 ohms.
É o tipo mais simples de FET. regiões de depleção
É o tipo mais usado de FET.
113Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Transistor de efeito de campo
Diferente do transistor de junção bipolar, o transistor de efeito de campo é um dispositivo de alta impedância.
(a tecnologia de semicondutores para a construção dos FETs só aparece no início dos anos 50)
Alguns tipos principais de FETs :
114Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
FET
IB = β -1 IS exp(vBE /VT)
99% dos ICs são feitos de FETsQual seria a corrente total de entrada, consumida se nossos
atuais chips, com ~109 transistores, fossem implementados com BJTs ? (assumindo uso simultâneo de 100% destes)
?
MESFET and JFET applications
115Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
JFET
JFET = JFET = junction FET junction FET (junção PN)(junção PN) símbolos:
fontefonte
(source)(source)
drenodreno
(drain)(drain)
porta porta (gate)(gate)+
+
VDS
VGS
I
regiões de depleção
p
p
canal n
estrutura geral (exemplo):
116Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
JFET
ATENÇÃO: Correntes ATENÇÃO: Correntes diretasdiretas acima de 10mA podem acima de 10mA podem
queimar o JFET !queimar o JFET !
117Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
MESFET
118Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
JFET
JFET : curvas características
região linear região de saturação ruptura
Veja também: animação N-channel JFET
http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/jfet.html
119Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
JFET
JFET : curvas características
configuração-base: fonte comum
vDS
-vGS
120Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
JFET
Common Source JFET Amplifier
A configuração mais freqüentemente encontrada para um amplificador JFET é o circuito de fonte comum.
A fonte é comum (apenas) para (o sinal de) a entrada e a saída, como mostrado no diagrama, pois a polarização é realizada usando-se apenas uma fonte de tensão (VDD).
Nesse circuito, valem as expressões da página anterior.
121Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
JFET
Exemplo: amplificador JFET (fonte comum)
VG = 0VS =ID RS = 1000 ID
RD
RS
RRoutout
VGS = -ID ; (ID em mA)
JFET 2N5486 ⇒ VP ≈ -4,2 V ; Assim: VDS ≥ VGS + |VP| .
JFET 2N5486 (fonte comum) ⇒ IDSS ≈ 45 mA
Assim: ID = IDSS [ 1 + VGS / |VP| ]2 = 45 [ 1 - ID / 4,2 ]2 ≅ 3,1 mA
Transcondutância:
gm = 2(IDSS / |VP|).[ 1 + VGS / |VP| ]
= 21,5.[0,262] ≈ 5,6 mA / V
Sinal: vm = 100 mV
id = 5,6 . 0,1 = 0,56 mA
Efeito em VD :
vd = 2k . 0,56m = 1,12 V
Ganho em tensão é ~1,12 / 0,1 = 11,2
Ou seja, na região de saturação: RCanal ≳ 1 kΩ
122Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET)
O MOSFET é um tipo de transistor de efeito de campo O MOSFET é um tipo de transistor de efeito de campo de de porta isoladaporta isolada (IGFET). (IGFET).
MOSFET
Usually the semiconductor of choice is silicon, but some chip manufacturers, most notably IBM, have begun to use a mixture Usually the semiconductor of choice is silicon, but some chip manufacturers, most notably IBM, have begun to use a mixture of silicon and germanium (SiGe) in MOSFET channels. Unfortunately, many semiconductors with better electrical properties of silicon and germanium (SiGe) in MOSFET channels. Unfortunately, many semiconductors with better electrical properties than silicon, such as gallium arsenide, do not form good gate oxides and thus are not suitable for MOSFETs.than silicon, such as gallium arsenide, do not form good gate oxides and thus are not suitable for MOSFETs.
Quando uma Quando uma tensãotensão é aplicada entre o é aplicada entre o gategate e o e o substrato (ou o substrato (ou o sourcesource), o campo elétrico gerado cria um ), o campo elétrico gerado cria um canal de inversãocanal de inversão no semicondutor abaixo. no semicondutor abaixo.
O canal de inversão é do mesmo tipo que O canal de inversão é do mesmo tipo que sourcesource e e draindrain, provendo um duto pelo qual a corrente pode , provendo um duto pelo qual a corrente pode passar. Variando-se a tensão entre passar. Variando-se a tensão entre gategate e o substrato, e o substrato, modula-se a condutividade desta camada e torna-se modula-se a condutividade desta camada e torna-se possível controlar o fluxo de corrente entre possível controlar o fluxo de corrente entre draindrain e e sourcesource. .
The "metal oxide" in MOS comes from the first devices that used a The "metal oxide" in MOS comes from the first devices that used a metal gate over oxide (silicon dioxide). Subsequently, poly-crystalline metal gate over oxide (silicon dioxide). Subsequently, poly-crystalline silicon was used for the gate, but MOS was never renamed.silicon was used for the gate, but MOS was never renamed.
123Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET)
O MOSFET pode ser do O MOSFET pode ser do tipo depleçãotipo depleção ou do ou do tipo enriquecimentotipo enriquecimento..
MOSFET
by far the most common field-effect transistor in both digital and analog circuits.
S, B S, B
NMOS depleção (canal fisicamente implantado)
BB
NMOS enriquecimento
BB
124Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
NMOS tipo enriquecimento
Physical structure of the enhancement-type NMOS transistor: (a) perspective view; (b) cross-section. Typically L = 0.1 to 3 mm, W = 0.2 to 100 mm, and the thickness of the oxide layer (tox) is in the range of 2 to 50 nm.
É o mais usado !É o mais usado !
125Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
NMOS tipo enriquecimento
The enhancement-type NMOS transistor with a positive voltage applied to the gate. An n channel is induced at the top of the substrate beneath the gate.
Tensão de limiar: Vt ≈ 1 a 3 V
126Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
NMOS tipo enriquecimento
The iD–vDS characteristics of the considered MOSFET when the voltage applied between drain and source, vDS, is kept small. The device operates as a linear resistor whose value is controlled by vGS.
127Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
NMOS tipo enriquecimento
Operation of the enhancement NMOS transistor as vDS is increased. The induced channel acquires a tapered shape, and its resistance increases as vDS is increased. Here, vGS is kept constant at a value > Vt .
The drain current iD versus the drain-to-source voltage vDS for an enhancement-type NMOS transistor operated with vGS > Vt.
128Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
NMOS tipo enriquecimento
Na região de triodo:
iD=K [ 2 vGS−V t v DS−v DS2 ]
Na região de saturação (aproximado):
iD≈K vGS−V t 2
onde:
K=12 μn COX WL
Sendo:
µn = mobilidade de elétrons no canal (cm2 / V s)
COX = capacitância por unidade de área (porta-canal)
L é o comprimento do canal e W sua largura.
k’n = µnCOX = parâmetro de
transcondutância do processo
129Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
NMOS tipo enriquecimento
símbolo simplificado para o NMOS com substrato conectado à fonte
O MOSFET é um dispositivo simétrico.
Designa-se um terminal como fonte e outro como dreno por conveniência.G
Efeito de corpo:
V t=V t0γ [2φ f V SB−2φ f ]onde: γ ≈ 0,5 V1/2 e φf ≈ 0,6 V
Efeitos da temperatura: Vt diminui cerca de 2 mV para cada °Ck’ diminui com a temperatura (efeito dominante)⇒ assim, iD diminui com a temperatura.
Modelo equivalente na região de saturação:
130Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
NMOS tipo enriquecimento
Modulação do comprimento do canal:
O ponto de estrangulamento do canal se move do dreno para a fonte, com o aumento de vDS.
iD=K vGS−V t 2 1 λv DS
Assim:
Effect of vDS on iD in the saturation region. The MOSFET parameter VA depends on the process technology and, for a given process, is proportional to the channel length L.
⇒ Efeito similar ao Early
λ ≈ 0,005 a 0,03 V-1
VA ≈ 30 a 200 V
131Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
NMOS tipo enriquecimento
Large-signal equivalent circuit model of the n-channel MOSFET in saturation, incorporating the output resistance ro = VA / ID. The output resistance models the linear dependence of iD on vDS .
132Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
PMOS tipo enriquecimento
Positive Channel Metal Oxide Semiconductor
O MOSFET tipo enriquecimento canal p (PMOS) é fabricado sobre um substrato tipo n com regiões p+ para o dreno e a fonte, e nesse caso as lacunas são os portadores de carga.
O dispositivo opera do mesmo modo que o NMOS, exceto que as tensões vGS e vDS são negativas, e a tensão de limiar Vt é negativa ⇒ região de saturação: vDS ≤ vGS - Vt
Além disso, a corrente iD entra pelo terminal da fonte e sai pelo terminal do dreno.
OBS: NMOS é em geral menor, opera mais rápido e requer menor tensão de alimentação.
S
D
G B
S, B
D
G
S, B
D
G
133Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
NMOS x PMOS
SS
134Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
MOSFET como amplificador
Conceptual circuit utilized to study the operation of the MOSFET as a small-signal amplifier.
bias
;
;
tran
scon
dutâ
ncia
small signalsmall signal
135Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
MOSFET como amplificador
Conceptual circuit utilized to study the operation of the MOSFET as a small-signal amplifier.
136Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
MOSFET como amplificador
Conceptual circuit utilized to study the operation of the MOSFET as a small-signal amplifier.
Small signal:
Ganho em tensão:OBS :
VD > VGS – Vt (saturação)
vD < VDD (linearidade)
137Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
MOSFET como amplificador
Small-signal models for the MOSFET: (a) neglecting the dependence of iD on vDS in saturation (the channel-length modulation effect); and (b) including the effect of channel-length modulation, modeled by output resistance ro = |VA| /ID.
138Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
MOSFET como amplificador
Modelo com o efeito de corpo
Small-signal equivalent-circuit model of a MOSFET in which the source is not connected to the body.
139Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
MOSFET como amplificador
Development of the T equivalent-circuit model for the MOSFET. For simplicity, ro has been omitted but can be added between D and S in the T model of (d).
Modelo T
140Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Polarização de amplificadores MOS
Biasing using a fixed voltage at the gate, VG, and a resistance in the source lead, RS: (a) basic arrangement; (b) reduced variability in ID; (c) practical implementation using a single supply; (d) coupling of a signal source to the gate using a capacitor CC1; (e) practical implementation using two supplies.
141Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Polarização de amplificadores MOS
Se Vt mudar para 1,5 V, teremos uma mudança em ID e por sua vez uma mudança em VGS .
ID = 0,5 (VGS – 1,5) 2 e 7 = VGS + 10 ID ⇒ ID = 0,445 mA (mudança de 9%)
Exemplo:
1. O circuito da figura ao lado deve apresentar uma corrente de dreno de 0,5 mA.
O MOSFET tem Vt = 1,0 V e K = 0,5 mA / V2. Assuma λ = 0 V-1.
2. Calcule também a mudança percentual em ID se Vt mudar para 1,5 V
• Escolha das tensões em RD, NMOS e RS : ⅓ de VDD para cada um.
VD = 10 V, ID = 0,5 mA ⇒ RD = 10 kΩ ; VS = 5 V, IS = 0,5 mA ⇒ RS = 10 kΩ
• Valor de VG : ID = K (VGS – Vt )2
0,5 = 0,5 (VGS – Vt )2 ⇒ (VGS – Vt )2 = 1
Assim, VGS = 2 V ; como VS = 5 V ⇒ VG = 7 V
• Para que VG = 7 V, podemos escolher : RG1 = 8 MΩ e RG2 = 7 MΩ
142Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Polarização de amplificadores MOS
Biasing the MOSFET using a large drain-to-gate feedback resistance, RG.
(efeito estabilizador)
143Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Polarização de amplificadores MOS
Fonte comum
144Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Polarização de amplificadores MOS
Fonte comum com resistência de fonte
145Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Polarização de amplificadores MOS
Porta comum
146Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
MOSFET tipo depleção
(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).
147Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
MOSFET tipo depleção
The current-voltage characteristics of a depletion-type n-channel MOSFET for which Vt = –4 V and k’n(W/L) = 2 mA/V2:
(a) the iD–vGS characteristic in saturation ; (b) the iD–vDS characteristics.
(a) (b)
148Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
MOSFET tipo depleção
Sketches of the iD–vGS characteristics for MOSFETs of enhancement and depletion types, 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 and p-channel devices.
149Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
MOSFET x BJT
MOSFETs x BJTs
MOSFET: Se ID ≈ 1 mA , k’n ≈ 20 µA / V2 , W / L ≈ 1 a 100 :
gm ≈ 0,2 mA / V a 2 mA / V
BJT: para IC ≈ 1 mA , gm ≈ 40 mA / V
Analog:
The bipolar junction transistor (BJT) has traditionally been the analog designer's transistor of choice.
Advantages of MOSFETs : low thermal runaway; linear region; can be formed into capacitors and inductors (complete analog circuits to be made on a silicon chip in a much smaller space).
Fabrication processes exist that incorporate BJTs and MOSFETs into a single device, these mixed-transistor devices are called Bi-FETs and BiCMOS.
Digital:
Success of the MOSFET : digital CMOS logic, which uses p- and n-channel MOSFETs as building blocks.
No current to flow, and thus no power to be consumed, except when the inputs to logic gates are being switched.
Over the past decades, the MOSFET has continually been scaled down in size; modern integrated circuits are incorporating MOSFETs with channel lengths of less than a tenth of a micrometer.
150Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Modelo SPICE do MOSFET
O SPICE fornece três níveis de modelos para o MOSFET:
• O nível 1 é básico, e segue os modelos apresentados até aqui, neste curso.
• O nível 2 é um modelo fisicamente bastante elaborado.
• O nível 3 utiliza equações físicas e dados empíricos.
151Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Modelo SPICE do MOSFET
152Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
Modelo SPICE do MOSFET
Exemplo 2
153Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
CMOS
Complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS)
A principal vantagem dos circuitos integrados CMOS é o baixíssimo consumo de energia, embora não sejam capazes de operar tão velozmente quanto circuitos integrados de outras tecnologias (MESFET, HEMT, HBT). Por causa disso, são largamente utilizados em calculadoras, relógios digitais, e outros dispositivos alimentados por pequenas baterias.
"CMOS" se refere a um estilo particular de projeto de circuitos integrados (chips), que usa NMOS e PMOS.
Duas características importantes de dispositivos CMOS são a alta imunidade a ruídos e o baixo consumo de potência.
CMOS é predominantemente usada para circuitos lógicos.
Potência é apenas Potência é apenas necessária quando os necessária quando os transistores estão mudando transistores estão mudando entre estados.entre estados.
Assim, dispositivos lógicos usando CMOS não produzem calor significativo.
CMOS também permite alta densidade de funções lógicas em um chip.
154Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
CMOS
Complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS)
CMOS é predominantemente usada para circuitos lógicos. CMOS permite alta densidade de funções lógicas em um chip.
Potência é apenas necessária quando os transistores estão mudando entre estados Potência é apenas necessária quando os transistores estão mudando entre estados (não produzem calor significativo)
155Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
CMOS
Cross-section of a CMOS integrated circuit. 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 is formed 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.
Complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) : is a major class of integrated circuits.
Frank Wanlass at Fairchild Semiconductor (1963). Albert Medwin, RCA (1968).
CMOS technology is used in chips such as microprocessors, microcontrollers, static RAM, and other digital logic circuits. CMOS technology is also used for a wide variety of analog circuits such as image sensors, data converters, and highly integrated transceivers for many types of communication.
High noise immunity and low static power supply drain. Significant power is only drawn when its transistors are switching between on and off states.
156Eletrônica I FAAP - Faculdade de Engenharia
FET - Resumo
FETFET
JFETJFETiG ≈ pA
MESFETMESFET ≈ 30 GHz
MOSFETMOSFETiG ≈ fA
enriquecimentoenriquecimento
depleçãodepleçãopouco usadopouco usado
NMOSNMOSmais usadomais usado
PMOSPMOS
Fonte comum
Região de saturação: VDS ≳ VGS + |VP| ;
VGS ≈ -1 V ; VP ≈ - 4,2 V ; RCanal ≳ 1 kΩ
Polarização: ID = IDSS [ 1 + VGS / |VP| ]2
Transcondutância: gm = 2(IDSS / |VP|).[ 1 + VGS / |VP| ] =
Fonte comum
Região de saturação:
VDS ≳ VGS - Vt ; Vt ≈ 1 a 3 V
Polarização:
ID ≈ K [ VGS - Vt ]2 ; K = ½ kp (W / L)
Transcondutância:
gm = 2K [ VGS - Vt ] ; ganho em tensão: Av ≡ -gm RD
Modulação do comprimento do canal: λMesmas expressões que o NMOS,
mas com |VGS|, |Vt|, |VDS |, |ID|, |λ|
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