1.3 Parâmetros e Características

Agora que já sabemos como o MOSFET funciona, podemos estabelecer relações importantes relacionando o seu funcionamento com parâmetros que podem ser medidos externamente, que fazem sentido físico para quem irá usar esses dispositivos em circuitos com funções específicas.

Antes de seguirmos, torna-se importante definirmos os principais parâmetros e grandezas de interesse para nós:

  • \(I_{DS}\)corrente dreno-fonte:

    A corrente dreno-fonte é a principal grandeza do MOSFET. Dela dependem diversos parâmetros usados para análise da operação e, consequentemente, para projeto de circuitos baseados nesses dispositivos. É consequência das condições de contorno operacionais do dispositivo. Contorno aqui, entende-se não só os terminais do dispositivo como também o seu entorno físico, uma vez construído. Isso porque a temperatura influenciará todo o funcionamento das regiões ativas do dispositivo, interferindo em diversos parâmetros, logo, também na corrente dreno-fonte.

  • \(V_{GS}\)tensão porta-fonte:

    A corrente dreno-fonte só poderá existir se uma tensão for aplicada na porta do MOSFET. Como explicado na seção anterior, embora o MOSFET originalmente seja simétrico6 o terminal de fonte foi escolhido como a referência para os demais terminais e a tensão que será aplicada à porta será sempre referenciada a esse terminal. Num MOSFET real fabricado isso será determinado pelo circuito: o dispositivo continua sendo simétrico. O valor da tensão \(V_{GS}\) irá determinar a quantidade de portadores disponíveis para formar (ou não) o canal adequadamente determinando um “potencial” para a formação de corrente no dispositivo.

  • \(V_{DS}\)tensão dreno-fonte:

A tensão dreno-fonte é responsável pela formação de correne no dispositivo. Embora essa formação possa servir como forma de realimentação negativa (como é o caso de amplificador fonte comum resistivo), essa grandeza é a causa da formação de corrente por tudo que foi explicado anteriormente. Sem que haja campo elétrico para atrair os elétrons num NMOS ou as lacunas num PMOS não haverá corrente no dispositivo ainda que se tenha o canal formado com a aplicação de \(V_{GS}\) num valor adequado.

  • \(V_{BS}\)tensão corpo-fonte:

O terminal de corpo é, necessariamente ligado ao substrato do MOSFET e, portanto, interferirá diretamente na capacidade da formação de corrente do dispositivo. O terminal de corpo atuará como uma segunda porta do dispositivo, ainda que não tenha sido planejado para isso. Como o corpo do MOSFET simplesmente existe, essa segunda porta estará sempre com ele. Como a fonte do MOSFET é o terminal de referência para aplicação das tensões de polarização, é preciso conhecer a tensão corpo-fonte para saber o tamanho da influência do corpo na formação de \(I_{DS}\).

  • \({g_{m}}\)transcondutância:

A transcondutância é o principal parâmetro dos transistores, não só dos MOSFETs. Ela está ligada à capacidade dos transistores transferirem os sinais de entrada para a saída do dispositivo. Na configuração original de uso e análise do MOSFET, que é a fonte comum (a fonte é o terminal de referência), o transistor comporta-se como um amplificador de transcondutância: sendo alta a sua impedância de entrada e alta a sua impedância de saída. Num amplificador de transcondutância, o interesse está em quanto de corrente de saída consegue se obter a partir da tensão na entrada. Logo, no caso de um único transistor, define-se matematicamente a transcondutância como a taxa de variação relativa da corrente de saída em relação à tensão de entrada. No caso do MOSFET isso se traduziria em:

\[\begin{equation} {g_{m}}\ \equiv\ \dfrac{\partial I_{DS}}{\partial V_{GS}}\Bigg|_{V_{GS}=V_{{GS}_{0}}} \tag{1.1} \end{equation}\]

Em que \(V_{{GS}_{0}}\) é um valor específico da tensão porta-fonte usado para polarizar o transisor.

  • \(g_{{m}_{b}}\): transcondutância de corpo.

A transcondutância de corpo está para a tensão de corpo assim como a transcondutância está para a tensão de porta. Tem por objetivo quantificar o quanto de corrente dreno-fonte é produzida a partir de um determinado valor de tensão corpo-fonte. É definida como:

\[\begin{equation} g_{{m}_{b}}\ \equiv\ \dfrac{\partial I_{DS}}{\partial V_{BS}}\Bigg|_{V_{BS}=V_{{BS}_{0}}} \tag{1.2} \end{equation}\]

Em que \(V_{{BS}_{0}}\) é um valor específico da tensão corpo-fonte usado para polarizar o transisor.

  • \({r_{o}}\): resistência de saída.

  • \(V_{{DS}_{sat}}\): tensão dreno-fonte de saturação.

1.3.1 Características NMOS

O circuito da Figura 1.6 é que foi usado para a caracterização dos transistores NMOS, tanto de \(1\ \mu m\) quanto \(50\ nm\). A diferença para uma e outra tecnologia é o valor das tensões máximas. Para \(1\ \mu m\), temos \(V_{DD}=5\ V\). Para \(50\ nm\), temos \(V_{DD}=1\ V\). O mesmo vale para os limites de \(V_{GS}\).

Leiaute para fabricação de um NMOS.

Figura 1.6: Leiaute para fabricação de um NMOS.

1.3.1.1 Dependência com \(V_{GS}\), parâmetro \(V_{DS}\), \(L=1\ \mu m\)

Figura 1.7: \(I_{DS}\ \text{vs. }V_{GS}\text{, param.: }V_{DS}.\)