Dispozitive Electronice i Electronic Analogic Suport curs 08 Tranzistorul MOS

1

Tranzistorul MOS 1. Prezentare general

Tranzistorul MOS (Metal Oxide Semiconductor) este un dispozitiv semiconductor, realizat din siliciu, care are trei terminale, denumite DREN, GRIL, respectiv SURS.

n funcie de particularitile sale constructive, tranzistoarele MOS se mpart n dou mari categorii:

tranzistoare MOS cu canal indus tranzistoare MOS cu canal iniial

Canalele amintite mai sus reprezint elementul din structura intern a tranzistorului MOS care asigur transferul de sarcin electric ntre dren i surs. Prin transferul de sarcin electric ntre cele dou terminale se asigur apariia fenomenelor de conducie electric n tranzistor i astfel, apariia curentului electric prin acesta.

n plus, n funcie de tipul materialului semiconductor din care este construit canalul, tranzistoarele MOS se mpart n 2 tipuri i anume:

tranzistoare MOS cu canal de tip N (canalul tranzistorului este realizat dintr-un material semiconductor de tip N)

tranzistoare MOS cu canal de tip P (canalul tranzistorului este realizat dintr-un material semiconductor de tip P)

n circuitele electronice, tranzistoarele MOS sunt simbolizate ca n Figura 1.

Figura 1. Simbolul electronic al tranzistoarelor MOS.

La nivelul tranzistorului MOS apar 4 mrimi electrice:

1 curent electric i anume curentul care este generat ntre DREN i SURS: o iD curentul de dren

3 tensiuni electrice i anume tensiunile ntre terminalele tranzistoarelor: o vGS tensiunea gril-surs o vDS tensiunea dren-surs o vGD tensiunea gril-dren

Dispozitive Electronice i Electronic Analogic Suport curs 08 Tranzistorul MOS

2

Sensul curentului de dren depinde de valorile potenialelor electrice aplicate pe dren, respectiv surs i de tipul canalului din structura tranzistorului. Astfel, pentru tranzistoarele cu canal N, dac potenialul electric al drenei este superior potenialului electric al sursei, atunci sensul curentului electric prin tranzistor este de la dren spre surs. n caz contrar, sensul curentului prin tranzistor este de la surs spre dren. La tranzistoarele cu canal P sensul curentului se inverseaz n raport cu cazul tranzistoarelor de tip N.

Referinele tensiunilor depind de tipul canalului utilizat n structura tranzistorului MOS. n Figura 2 sunt prezentate sensul curentului (pentru cazul n care potenialul electric al drenei este mai mare dect cel al sursei), respectiv referinele tensiunilor de terminal. n aceast figur s-a reprezentat i curentul din grila tranzistorului notat iG, dei valoarea acestui curent este ntotdeauna nul, datorit unui strat izolator din structura tranzistorului MOS.

Figura 2. Mrimile electrice ale tranzistoarelor MOS; curentul iG=0 intotdeauna.

2. Funcionarea tranzistorului MOS Principiile de funcionare ale celor dou categorii de tranzistoare MOS cu canal indus, respectiv cele cu canal iniial sunt similare, i din acest motiv, n continuare, se vor prezenta numai tranzistoarele MOS cu canal indus, fiind scoase n eviden numai diferenele ntre cele 2 categorii de tranzistoare.

Relaiile dintre mrimile electrice ale tranzistorului MOS depind de regimul de funcionare al acestuia. Tranzistorul MOS poate funciona n 3 regiuni de funcionare distincte, determinate de relaiile care se stabilesc ntre tensiunile tranzistorului. Astfel, regiunile de funcionare ale tranzistorului MOS sunt:

REGIUNEA DE BLOCARE:

o condiia de funcionare: vGS < VTH (canal N) unde VTH reprezint un parametru al tranzistorului MOS, numit tensiune de prag; valoarea tensiunii de prag VTH tensiuni este: pozitiv, pentru tranzistorul MOS cu canal indus de tip N, negativ pentru tranzistorul MOS cu canal indus de tip P; negativ pentru tranzistorul MOS cu canal iniial de tip N, pozitiv pentru un tranzistor MOS cu canal iniial de tip P;

o n aceast regiune, funcionarea tranzistorului MOS este descris de ecuaia de funcionare:

0=Di curentul tranzistorului n regiunea de blocare

o n aceast regiune, comportamentul tranzistorului MOS poate fi exploatat pentru

prelucrarea sau generarea semnalelor digitale.

Dispozitive Electronice i Electronic Analogic Suport curs 08 Tranzistorul MOS

3

REGIUNEA LINIAR: o condiia de funcionare: vGS > VTH i vDS < vGS - VTH o n aceast regiune, funcionarea tranzistorului MOS este descris de ecuaia de

funcionare:

DSDS

THGSD vvVvki

--=

22

unde k este un parametru al tranzistorului, a crei valoare se exprim n 2VmA

(miliamperi mprit la voli la ptrat).

o n aceast regiune, tranzistorul MOS se comport ca o rezisten a crei valoare poate fi controlat de tensiunea gril-surs.

REGIUNEA DE SATURAIE:

o condiia de funcionare: vGS > VTH i vDS > vGS - VTH o n aceast regiune, funcionarea tranzistorului MOS este descris de ecuaia de

funcionare:

( )2THGSD Vvki -= curentul tranzistorului n regiunea de satuaie

o n aceast regiune de funcionare tranzistorul MOS poate fi utilizat pentru

prelucrarea analogic a semnalelor, fiind singura regiune de funcionare n care tranzistorul MOS poate AMPLIFICA LINIAR semnalele (informaia);

3. Modelarea funcionrii tranzistorului MOS n regim variabil de semnal mic

Din ecuaiile de funcionare ale tranzistorului MOS, specifice regiunilor de funcionare, se constat c tranzistorul MOS este un ELEMENT DE CIRCUIT NELINIAR. Analiza circuitelor care conin elemente de circuit neliniare este dificil. Din acest motiv, ntotdeauna este util ca, pentru aceste elemente de circuit neliniare, s se dezvolte MODELE LINIARE, valabile n anumite condiii de funcionare. La fel se pune problema i n cazul tranzistoarelor MOS.

Modelarea funcionrii tranzistorului MOS n variabil de semnal mic.

Deoarece tranzistorul MOS poate amplifica liniar numai n regiunea de saturaie, este util s se dezvolte un model, care s descrie comportamentul dinamic al tranzistorului (la variaiile mrimilor sale electrice) n aceast regiune de funcionare.

Modelul prezentat n continuare se poate aplica numai n cazul n care tranzistorul MOS funcioneaz n regim variabil de semnal mic.

Un tranzistor MOS funcioneaz n regim variabil de semnal mic dac mrimile sale electrice au valori variabile n timp, iar amplitudinea variaiei tensiunii GRIL-SURS este mai mic dect o valoare de aproximativ 12,5[mV]: vGS

Dispozitive Electronice i Electronic Analogic Suport curs 08 Tranzistorul MOS

4

DIDiGSD

definitiem dv

dig=

=

innd cont de ecuaia de funcionare a tranzistorului MOS valabil n regiunea de saturaie,

relaia de calcul a pantei tranzistorului este:

Dm Ikg = 2

unde ID este curentul CONTINUU prin DRENA tranzistorului. Panta tranzistorului MOS descrie complet comportamentul tranzistorului MOS n regim variabil de semnal mic, astfel nct, circuitul echivalent al tranzistorului, care modeleaz comportamentul acestuia n regimul de funcionare amintit, este cel prezentat n Figura 3. n acest circuit, mrimile electrice Ig, Is i Id reprezint amplitudinile curenilor de gril, surs, respectiv dren, iar Vgs reprezint amplitudinea tensiunii gril-surs. Circuitul prezentat este valabil numai dac frecvena de lucru a tranzistorului MOS este plasat n domeniul frecvene frecvenelor joase i medii, adic este mai mic dect aproximativ 1MHz.

Figura 3. Circuitul echivalent ale modelului tranzistorului MOS n regim variabil de semnal mic, pentru frecvene joase

i medii.

Pentru frecvene mai mari dect aproximativ 1MHz (domeniul frecvenelor nalte), funcionarea tranzistorului MOS este afectat de anumite fenomene dinamice, de natur capacitiv, care pot fi modelate prin intermediul unor CAPACITI PARAZITE, reunite n parametrii notai cgs, respectiv cds. Circuitul echivalent valabil n acest caz este prezentat n Figura 4.

Figura 4. Circuitul echivalent ale modelului tranzistorului MOS n regim variabil de semnal mic, pentru frecvene nalte. 4. Polarizarea tranzistoarelor MOS

Regiunea de funcionare a tranzistorului MOS este impus prin polarizarea acestuia. Circuitul electronic care realizeaz polarizarea tranzistorului MOS se numete circuit de polarizare.

n cazul sistemelor electronice analogice, circuitul de polarizare trebuie astfel proiectat nct s asigure funcionarea tranzistorului MOS n Regiunea de Saturaie.

Prin polarizarea tranzistorului MOS, la nivelul acestuia se stabilesc mrimi electrice CONTINUE (cureni electrici de terminal, respectiv tensiuni electrice ntre terminale).

Dispozitive Electronice i Electronic Analogic Suport curs 08 Tranzistorul MOS

5

O pereche de mrimi electrice CONTINUE, compus dintr-un curent de terminal i o tensiune ntre 2 terminale formeaz PUNCTUL STATIC de FUNCIONARE al tranzistorului respectiv (pe scurt PSF-ul tranzistorului). PSF-ul tranzistorului furnizeaz informaii despre regiunea n care acesta funcioneaz. Din acest motiv, n sistemele electronice analogice, circuitul de polarizare al tranzitorului MOS trebuie astfel proiectat nct s asigure plasarea PSFului tranzistorului respectiv n regiunea de saturaie.

Pentru tranzistoarele MOS, perechea de mrimi electrice care definete PSF-ul este: curentul continuu din dren: ID tensiunea continu dren-surs: VDS

Circuite de polarizare pentru tranzistoarele MOS Circuitelele de polarizare ale tranzistoarelor MOS au rolul de a impune funcionarea tranzistoarelor MOS, n regim de curent continuu, n regiunea de saturaie. Din acest motiv, circuitul de polarizare trebuie astfel proiectat nct s determine ca tensiunile electrice CONTINUE, stabilite ntre terminalele tranzistorului MOS, s satisfac urmtoarele condiii:

THGS VV > si THGSDS VVV -> Dac aceste condiii nu sunt satisfcute, atunci tranzistorul MOS nu funcioneaz n regiunea de saturaie. n continuare se va discuta cazul tranzistoarelor MOS cu canal de tip n. a. Circuit de polarizare cu divizor rezistiv n gril Pentru tranzistoarele MOS cu canal indus, circuitul de polarizare elementar este prezentat n Figura 5. Circuitul prezentat se numete cu divizor rezistiv n gril deoarece grupul de rezistoare RG1 RG2 compun un divizor rezistiv pentru tensiunea de alimentare VDD, a crui tensiune de ieire se consider a fi din grila tranzistorului MOS la masa circuitului.

Figura 5. Circuit elementar de polarizare cu divizor rezistiv n gril.

n continuare se prezint modul n care se determin valoarea PSF-ul tranzistorului MOS. Calculele se vor efectua pe circuitul din figura de mai jos:

Dispozitive Electronice i Electronic Analogic Suport curs 08 Tranzistorul MOS

6

Se determina valoarea tensiunii VG aplicnd TK2 pe bucla RG2, RG1 si VDD si apoi

aplicnd legea lui Ohm pe RG1:

012 =-+ GGGG VIRIR

IRV GG = 1

Rezult: DDGG

GG VRR

RV +

=21

1

2. Determinarea curentului ID:

Se presupune c tranzistorul MOS lucreaz n regiunea de saturatie. n acest caz, tranzistorul MOS funcioneaz dupa ecuaia:

( )2THGSD VVkI -=

Aplicnd TK2 pe bucla RG1, VGS, RS rezult:

0=-+ GDSGS VIRV

unde VG are expresia din relaia dedus la punctul 1. Ecuatiile de mai sus formeaz un sistem de ecuaii, n necunoscutele VGS si ID.

Din cele 2 necunoscute, mai nti se determin ntotdeauna necunoscuta VGS.

Din cele 2 soluii posibile pentru tensiunea VGS, ntotdeauna se alege soluia care satisface conditia:

THGS VV >

unde VTH este tensiunea de prag a tranzistorului; dac nici una din soluiile obinute pentru VGS nu satisface aceast condiie, atunci tranzistorul MOS funcioneaz n regiunea de blocare i n acest caz ID = 0. Dup determinarea tensiunii VGS, curentul ID se calculeaz din ecuaia de funcionare a tranzistorului MOS ( )2THGSD VVkI -= .

Dispozitive Electronice i Electronic Analogic Suport curs 08 Tranzistorul MOS

7

Determinarea tensiunii VDS:

se aplica TK2 pe bucla RD, VDS, RS, VDD:

0=-++ DDDSDSDD VIRVIR

Rezulta: ( )SDDDDDS RRIVV +-=

Verificare presupunere initiala S-a presupus ca tranzistorul MOS funcioneaz n regiunea de saturaie. La final, aceast presupunere trebuie verificat. Tranzistorul MOS funcioneaz n regiunea de saturaie dac valorile tensiunilor VGS si VDS calculate ca mai sus satisfac conditia:

THGSDS VVV ->

b. Circuit cu autopolarizare a grilei Pentru polarizarea tranzistoarelor MOS cu canal iniial, pe lng circuitul de polarizare cu divizor rezistiv n gril se mai utilizeaz nc un circuit de polarizare, denumit circuit cu autopolarizare a grilei. Acest circuit de polarizare este mai simplu i poate fi utilizat numai n cazul tranzistoarelor MOS cu canal iniial, deoarece utilizarea acestuia se bazeaz pe faptul c tranzistoarele MOS cu canal iniial au tensiunea de prag VTH de semn contrar tensiunii de prag a tranzistoarelor MOS cu canal indus. De exemplu, pentru tranzistoarele cu canal de tip N, cele care au canal indus au valoarea VTH > 0[V], iar cele care au canal initial, au valoarea VTH < 0[V]. Structura circuitului cu autopolarizare a grilei este prezentat n Figura 6.

Figura 6. Circuit cu autopolarizare a grilei valabil numai pentru tranzistoarele MOS cu canal iniial.

Punctul Static de Funcionare a acestui tranzistor se determin pe circuitul de calcul din figura de mai jos.

Dispozitive Electronice i Electronic Analogic Suport curs 08 Tranzistorul MOS

8

1. Determinarea curentului ID: Se presupune c tranzistorul MOS lucreaz n regiunea de saturatie. n acest caz, tranzistorul MOS funcioneaz dupa ecuaia:

( )2THGSD VVkI -=

Aplicnd TK2 pe bucla VGS, RS rezult:

0=+ DSGS IRV

Ecuatiile de mai sus formeaz un sistem de ecuaii, n necunoscutele VGS si ID.

Din cele 2 necunoscute, mai nti se determin ntotdeauna necunoscuta VGS.

Din cele 2 soluii posibile pentru tensiunea VGS, ntotdeauna se alege soluia care satisface conditia:

THGS VV >

unde VTH este tensiunea de prag a tranzistorului; dac nici una din soluiile obinute pentru VGS nu satisface aceast condiie, atunci tranzistorul MOS funcioneaz n regiunea de blocare i n acest caz ID = 0. Dup determinarea tensiunii VGS, curentul ID se calculeaz din ecuaia de funcionare a tranzistorului MOS ( )2THGSD VVkI -= .

Determinarea tensiunii VDS:

se aplica TK2 pe bucla RD, VDS, RS, VDD:

0=-++ DDDSDSDD VIRVIR

Rezulta: ( )SDDDDDS RRIVV +-=

Dispozitive Electronice i Electronic Analogic Suport curs 08 Tranzistorul MOS

9

Verificare presupunere initiala S-a presupus ca tranzistorul MOS funcioneaz n regiunea de saturaie. La final, aceast presupunere trebuie verificat. Tranzistorul MOS funcioneaz n regiunea de saturaie dac valorile tensiunilor VGS si VDS calculate ca mai sus satisfac conditia:

THGSDS VVV ->

n cazurile prezentate mai sus, s-a considerat c tranzistoarele MOS au canal de tip N. Pentru cele cu canal de tip P, circuitele de polarizare au aceeai structur, dar bornele sursei de alimentare VDD sunt inversate fa de cazul tranzistorului MOS cu canal N adic, borna - se leag la RD i RG2, iar borna + reprezint masa circuitului.