Electrónica Análoga I Prof. Gustavo Patiño. M.Sc, Ph.D. MJ 12- 14 13-01-2015.

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1 Electrónica Análoga I Prof. Gustavo Patiño. M.Sc, Ph.D. MJ 12- 14 13-01-2015

2 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 V GS  R SD >> R SD = 10 12

3 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 V GS igual al voltaje denominado V T, el canal es sólo inducido, y la corriente conducida entre Drain y Source es aún tan pequeña que resulta despreciable.

4 Fig. 5.3 An NMOS transistor with v GS > V t and with a small v DS applied. The device acts as a conductance whose value is determined by v GS. Specifically, the channel conductance is proportional to v GS - V t, and this i D is proportional to (v GS - Vt) v DS. Note that the depletion region is not shown (for simplicity). v DS pequeño entre 0.1 y 0.2 V. A medida que v GS excede a V t 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.

5 Operación del MOSFET bajo un voltaje aplicado v DS pequeño. Se comporta como un resistor cuyo valor es controlado por v GS.

6 Fig. 5.5 Operation of the enhancement NMOS transistor as v DS is increased. The induced channel acquires a tapered shape and its resistance increases as v DS is increased. Here, v GS is kept constant at a value > V t. El voltaje medido desde source se incrementa desde 0 hasta v DS. El voltaje entre gate y los puntos del canal se disminuye desde v GS en el source hasta v GS -v DS en el drain. A medida que v DS se incrementa, el canal se hace mas inclinado y la resistencia se incrementa.

7 Fig. 5.6 The drain current i D versus the drain-to-source voltage v DS for an enhancement-type NMOS transistor operated with v GS > V t. Entonces, a medida que v DS aumenta, la curva i D vs v DS no continua como recta sino que se dobla. Cuando v DS alcanza un valor que reduce el voltaje entre el gate y el canal a V t, el canal se ha estrangulado (pinched off.) La corriente permanece constante y el MOSFET queda en saturación.

8 Fig. 5.8 Derivation of the i D - v DS characteristic of the NMOS transistor. Se aplica un v GS > V t y un v DS < v GS -V t. El voltaje entre gate y el punto x en el canal es v GS - v(x).

9 Región de triodo Región de saturación Parametro de transconductancia del proceso

10 Fig. 5.11 (a) An n-channel enhancement-type MOSFET with v GS and v DS applied and with the normal directions of current flow indicated. (b) The i D - v DS characteristics for a device with V t = 1 V and k’ n (W/L) = 0.5 mA/V 2. El drain es siempre positivo respecto al source en un FET de canal n.

11  Región de corte  Región del tríodo  Región 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.

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

13 Si v DS es pequeño entonces se encuentra r DS.

14 En saturación el MOSFET proporciona una corriente de drain cuyo valor es independiente del voltaje de drain v DS y está determinado por el voltaje de la compuerta v GS.

15 Fig. 5.12 The i D - v GS characteristic for an enhancement-type NMOS transistor in saturation (V t = 1 V and k’ n (W/L) = 0.5 mA/V 2 ). Una fuente de corriente ideal controlada por v GS.

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

17 Fig. 5.15 Increasing v DS beyond v DSsat causes the channel pinch-off point to move slightly away from the drain, thus reducing the effective channel length (by  L). La independencia de i D con v DS en saturación es sólo una idealización. Modulación de la longitud del canal. i D es inversamente proporcional a L.

18 Fig. 5.16 Effect of v DS on i D in the saturation region. The MOSFET parameter V A is typically in the range of 30 to 200 V. Voltaje Early. Típicamente =0.005 a 0.03 V -1. Dispositivos con canales cortos sufren más el efecto de la modulación del canal.

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20 Fig. 5.17 Large-signal equivalent circuit model of the n-channel MOSFET in saturation, incorporating the output resistance r o. The output resistance models the linear dependence of i D on v DS and is given by r o  V A/ I D.

21 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.

22  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.  V SB tiene efecto en la operación del circuito.  El voltaje inverso de polarización extiende la región de agotamiento.

23 El Efecto Body: El body actúa como otra terminal gate que también controla la corriente de drain en el MOSFET. Parámetro del efecto del Body

24  Para el estudiante:  Qué preguntas te surgen de esta clase? ▪ Qué respuestas le das a dichas preguntas?  A cuáles preguntas no lograste identificar una clara respuesta?  Busca más bibliografía e información adicional que complemente tus respuestas y el contenido de esta clase. ▪ Ante las preguntas e inquietudes que no encontraste respuesta en tu estudio y en la bibliografía consultada, busca asesoría oportuna con el profesor del curso. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2