Electrónica Análoga IProf. Gustavo Patiño. M.Sc, Ph.D.MJ 12- 1413-01-2015

Fig. 5.1 Physical structure of the enhancement-type NMOS transistor: (a) perspective view; (b) cross section. Typically L = 1 to 10 m, W = 2 to 500 m, and the thickness of the oxide layer is in the range of 0.02 to 0.1 m.

Sin VGS RSD >>RSD = 1012

Fig. 5.2 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.

Específicamente para VGS igual al voltaje denominado VT, el canal es sólo inducido, y la corriente conducida entre Drain y Source es aún tan pequeña que resulta despreciable.

Específicamente para VGS igual al voltaje denominado VT, el canal es sólo inducido, y la corriente conducida entre Drain y Source es aún tan pequeña que resulta despreciable.

Fig. 5.3 An NMOS transistor with vGS > Vt and with a small vDS applied. The device acts as a conductance whose value is determined by vGS. Specifically, the channel conductance is proportional to vGS - Vt, and this iD is proportional to (vGS - Vt) vDS. Note that the depletion region is not shown (for simplicity).

• vDS pequeño entre 0.1 y 0.2 V.

•A medida que vGS excede a Vt más electrones son atraídos hacia el canal.

• Incremento en la profundidad del canal.

•Reducción de la resistencia y aumento de la conductancia.

•Enriquecimiento del canal.

Operación del MOSFET bajo un voltaje aplicado vDS pequeño. Se comporta como un resistor cuyo valor es controlado por vGS.

Fig. 5.5 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.

• El voltaje medido desde source se incrementa desde 0 hasta vDS.

• El voltaje entre gate y los puntos del canal se disminuye desde vGS en el source hasta vGS-vDS en el drain.

• A medida que vDS se incrementa, el canal se hace mas inclinado y la resistencia se incrementa.

Fig. 5.6 The drain current iD versus the drain-to-source voltage vDS for an enhancement-type NMOS transistor operated with vGS > Vt.

• Entonces, a medida que vDS aumenta, la curva iD vs vDS no continua como recta sino que se dobla.

• Cuando vDS alcanza un valor que reduce el voltaje entre el gate y el canal a Vt, el canal se ha estrangulado (pinched off.)

• La corriente permanece constante y el MOSFET queda en saturación.

Fig. 5.8 Derivation of the iD - vDS characteristic of the NMOS transistor.

• Se aplica un vGS > Vt y un vDS < vGS-Vt.

• El voltaje entre gate y el punto x en el canal es vGS - v(x).

2)()(2

1tGSoxnD Vv

L

WCi

2

2

1)( DSDStGSoxnD vvVv

L

WCi Región de

triodo

Región de saturación

oxnn Ck ' Parametro de transconductancia del proceso

Fig. 5.11 (a) An n-channel enhancement-type MOSFET with vGS and vDS applied and with the normal directions of current flow indicated. (b) The iD - vDS characteristics for a device with Vt = 1 V and k’n(W/L) = 0.5 mA/V2.

El drain es siempre positivo respecto al source en un FET de canal n.

Región de corteRegión del tríodoRegión de Saturación.

Es esencial la completa compresión de las curvas características terminales de un MOSFET para el ingeniero que pretenda diseñar circuitos con MOS

Circuitos analógicos: Amplificadores

Circuitos digitales: Switches y compuertas.

tGS Vv

OJO: Corte significa que no hay corrientes en el circuito !

tGS Vv

tGD Vv

DStGSnD vVvL

Wki

'

1

'

tGSn

D

DSDS Vv

LW

ki

vr

Si vDS es pequeño entonces se encuentra rDS.

tGS Vv

tGD Vv

tGSDS Vvv

2)('21

tGSnD VvL

Wki

En saturación el MOSFET proporciona una corriente de drain cuyo valor es independiente del voltaje de drain vDS y está determinado por el voltaje de la compuerta vGS.

Fig. 5.12 The iD - vGS characteristic for an enhancement-type NMOS transistor in saturation (Vt = 1 V and k’n(W/L) = 0.5 mA/V2).

2)('2

1tGSnD Vv

L

Wki

Una fuente de corriente ideal controlada por vGS.

Fig. 5.13 Large-signal equivalent-circuit model of an n-channel MOSFET operating in the saturation region.

tGS Vv

tGSDS VVV

Fig. 5.15 Increasing vDS beyond vDSsat causes the channel pinch-off point to move slightly away from the drain, thus reducing the effective channel length (by L).

• La independencia de iD con vDS en saturación es sólo una idealización.

• Modulación de la longitud del canal.

• iD es inversamente proporcional a L.

Fig. 5.16 Effect of vDS on iD in the saturation region. The MOSFET parameter VA is typically in the range of 30 to 200 V.

)1()('2

1 2DStGSnD vVv

L

Wki

• Voltaje Early. Típicamente =0.005 a 0.03 V-

1.• Dispositivos con

canales cortos sufren más el efecto de la modulación del canal.

12)(

2

'

tGS

no Vv

L

Wkr

1

constante

GSvDS

Do v

ir

1 Do Ir

D

Ao I

Vr

Fig. 5.17 Large-signal equivalent circuit model of the n-channel MOSFET in saturation, incorporating the output resistance ro. The output resistance models the linear dependence of iD on vDS and is given by ro VA/ID.

D

Ao I

Vr )1()('

2

1 2DStGSnD vVv

L

Wki

Fig. 5.9 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.

En muchas aplicaciones la terminal Body es conectada a la terminal Source.

En circuitos integrados, el substrato generalmente es común a muchos transistores MOS.

El substrato es generalmente conectado al voltaje más negativo en un circuito NMOS y al voltaje más positivo en un circuito PMOS.

VSB tiene efecto en la operación del circuito.

El voltaje inverso de polarización extiende la región de agotamiento.

El Efecto Body:

fSBftt VVV 220

ox

SA

C

qN

2

El body actúa como otra terminal gate que también controla la corriente de drain en el MOSFET.

Parámetro del efecto del BodyParámetro del efecto del Body

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Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2