Este excelente artigo teórico é antigo, mas a tecnologia básica não mudou desde então. Trata-se, portanto, de uma excelente referência para os que estão aprendendo ou ensinando e desejam mais conhecimentos sobre este importante componente.
FUNCIONAMENTO
A diferença entre o transistor de efeito de campo de junção e o transistor de efeito de campo MOS está no fato de que este último tem um eletrodo de comporta que está eletricamente isolado do cristal semicondutor por meio de uma delgada película de óxido.
O conjunto metal-óxido-semicondutor é responsável pela denominação dada a este tipo de transistor de efeito de campo.
A figura 1 representa uma secção de um transistor MOS.
Duas zonas do tipo N marcadamente ”dopadas" (N+) estão difundidas no interior do substrato do tipo P de modo a formar o eletrodo da fonte e o eletrodo de drenagem.
O eletrodo metálico de comporta forma um capacitor com o substrato adjacente ou região do canal cujo dielétrico é a película de óxido.
Se a comporta for submetida a uma tensão positiva em relação ao substrato, os elétrons deste são atraídos até à zona de separação entre o silício e o dióxido de silício e as lacunas se afastarão dessa região, o que dará lugar à formação de uma capa de silício tipo N (capa de inversão) por baixo do dielétrico e entre a fonte e o dreno.
Esta capa de inversão é denominada “canal N". Se estabelecida uma tensão fonte-dreno, circulará uma corrente ID por este canal.
A variação da tensão VG?XI faz mudar a densidade de elétrons e, consequentemente, a resistência do canal e deste modo a intensidade da corrente ID.
Sem dúvida, a diferença do transistor de efeito de campo de junção em relação ao MOS e que a tensão de comporta deste último pode mudar de sinal sem que se produza uma corrente de comporta.
2. TRANSISTORES MOS DE ENRIQUECIMENTO (NORMALMENTE BLOQUEADOS) E DE DEPLEXÃO OU EMPOBRECIMENTO (NORMALMENTE CONDUTORES).
O transistor de efeito de campo MOS antes descrito é um tipo de canal N enriquecido, ou seja, o número de portadores de cargas móveis (elétrons) deve ser primeiramente aumentado (enriquecido) mediante a aplicação de uma tensão de porta positiva.
Não existe canal se a tensão de comporta é nula. Visto que uma tensão de drenagem positiva faz com que a união PN entre a zona de drenagem e o substrato fique bloqueada, não passará corrente entre a fonte e o dreno, exceto a corrente de fuga, enquanto a tensão de comporta se mantiver nula.
A tensão VGS para a qual começará a passar certa corrente, devido à formação de uma capa de inversão, é denominada tensão de estrangulamento Vp ou tensão de umbral VT.
A figura 3 mostra as características de um tipo de enriquecimento.
O oposto do tipo enriquecido é o empobrecido ou de deplexão, no qual existe sempre um canal de: condução, inclusive sem tensão de comporta. Este efeito é produzido pelos íons positivos imóveis que se encontram sempre na capa de óxido.
Estes íons dão origem a uma capa de inversão tipo N no substrato do tipo P, inclusive para VGS = O de modo que se forma um canal (figura 2).
Quando a tensão de comporta se faz negativa, são expulsos elétrons móveis do canal N e a corrente de dreno decresce a zero.
Se a tensão de comporta é positiva a densidade de elétrons e consequentemente a corrente de drenagem aumenta, de novo como no tipo de enriquecimento. Isto significa que um transistor MOS pode ser usado de ambos os modos: enriquecimento ou deplexão (figura 3h).
Em contrapartida, o transistor de efeito de campo de junção se emprega geralmente no modo de deplexão devido a que o trabalho do tipo enriquecido provoca uma polarização direta no diodo comporta-canal.
Por isso é melhor distinguir ambos os modos de operação mediante as denominações "normalmente condutor" e “normalmente bloqueado".
Estas denominações significam o seguinte:
Normalmente Condutor: circula uma corrente apreciável de drenagem para Vos = 0
Normalmente Bloqueado: praticamente não circula corrente de drenagem para VGS = 0
A principal vantagem desta classificação dos transistores de efeito de campo MOS consiste em que ela se baseia numa propriedade das características elétricas do componente e não num processo físico de construção pelo qual o usuário não está diretamente interessado e que tenha de ser traduzido em termos de funcionamento elétrico.
Daí se deduz que o transistor de efeito de campo de junção seja um tipo “normalmente condutor" (figura 3c).
Nos tipos normalmente bloqueados, o potencial de operação da comporta se encontra entre os potenciais da fonte e do dreno, o que também ocorre com os transistores bipolares nos quais o potencial de base é intermediário entre o potencial de emissor e de coletor.
Nos tipos normalmente condutores, pelo contrário, o potencial de comporta se encontra fora dos níveis de potenciais da fonte e do dreno, podendo-se obter uma polarização “automática" de comporta com a ajuda de um resistor no terminal da fonte.
3. TRANSISTORES MOS DE CANAL P E DE CANAL N.
No transistor MOS do tipo P, a "dopagem" das diferentes partes é contrária ao indicado na figura 1 e os sinais das correntes e das tensões são trocados de acordo com elas. Existem 4 tipos possíveis de transistores MOS, conforme mostra a figura 4.
A seta assinala o terminal do substrato e indica o sentido de passagem da corrente com polarização direta na junção PN. Nos símbolos dos transistores MOS, o terminal de comporta está situado assimetricamente em relação ao terminal de fonte para melhor se distinguir o dreno e a fonte.
Os símbolos utilizados para estes dispositivos devem permitir uma diferenciação entre os tipos normalmente condutores e os tipos normalmente bloqueados.
Na convenção aqui utilizada, representa-se com uma linha grossa continua o canal dos tipos normalmente condutores e com uma linha grossa interrompida os do tlpo normalmente bloqueados.
4. TENSÃO DE ESTRANGULAMENTO ("PINCH-OFF VOLTAGE")
A tensão de estrangulamento vp depende, em grande parte, de: carga fixada no óxido, estado de superfície de separação entre o dióxido de silício e do grau de ”dopagem" do substrato. Um controle apropriado dos efeitos da separação entre o dióxido de silício e o silício é essencial para se obter uma tensão de estrangulamento reproduzível com suficiente independência da temperatura e do envelhecimento.
Isso só pode ser obtido com o emprego de um processo tecnológico perfeito.
Como nos transistores de efeito de campo de junção, a tensão de estrangulamento é a tensão comporta-fonte para a qual se anula a corrente de dreno.
A tensão Vp será colocada, portanto, ao pé da característica ID x Vgs. É também a tensão para a qual a capa de inversão começa a se formar na zona do canal. Existem três fatores, além da tensão de comporta, que controlam este processo (figuras 5 e 6):
As cargas na película de dióxido de silício (Vox);
As cargas dos átomos de impurezas ionizados nas zonas desérticas que não contém portadores de carga móveis, entre a capa de inversão e o substrato neutro (Vdc);
Centros de captura na superfície de separação óxido de silício - silício que capta portadores móveis de carga - (Vtrap)
Esses fatores podem ser representados pelas tensões comporta-fonte equivalentes indicadas por Vox, Vdc e Vtrap.
Estas tensões dão lugar a um deslocamento horizontal da característica ID x VGS cujo pé situado a VGS = 0.
Para compreender estes efeitos, examinemos o transistor MOS de canal N, normalmente condutor que se representa na figura 5. As cargas positivas na capa de óxido de Silício podem dar lugar a um canal de inversão do tipo N no silício do tipo P e, consequentemente, a uma corrente lD. Deste modo, a característica ID x VGS se desloca em direção a esquerda de uma distância Vox.
A tensão Vdc influi de modo contrário: representa a tensão necessária para inverter o silício do tipo P em N na superfície na ausência da película de óxido e centros de captura. Para esta inversão, as lacunas originalmente presentes na superfície devem ser expulsas dela; as cargas nos átomos aceptores fixos aparecerão agora como carga espacial negativa.
Para alcançar o equilíbrio, a carga espacial deve ser compensada com uma carga positiva de igual valor na comporta, ou seja, deve-se aplicar uma tensão positiva Vdc antes que possa circular a corrente de dreno.
A curva Id x VGS se deslocará assim de uma distância Vdc para a direita. Quanto maior for a carga do aceptor, maior se rá o deslocamento. Com um grau de dopagem do substrato suficientemente elevado se consegue um canal N normalmente bloqueado (Vp>”0).
Sem dúvida, a transcondutância diminui quando se aumenta a “dopagem", o que deve ser observado.
Os centros de captura são imperfeições do cristal que podem captar portadores de cargas móveis. A corrente de dreno só pode começar a circular quando todos os centros de captura estão ocupados.
Portanto, com um canal N, a tensão Vtrap dá origem a um deslocamento da característica para a direita.
Se considerarmos a mesma situação num transistor MOS de canal P (figura 6) cargos de óxido positivas veremos que, quando a película de óxido está carregada positivamente, os três fatores Vox, Vdc e Vtrap atuam no mesmo sentido, em oposição a corrente de dreno e dão como resultado um dispositivo do tipo P normalmente bloqueado.
5. CARACTERÍSTICAS
A característica ID x VDS dos transistores MOS não difere basicamente das dos transistores de efeito de campo de junção. A figura 3 representa a característica típica de um transistor MOS.
Do mesmo modo que nos transistores de efeito de campo de junção, a corrente de dreno aumenta linearmente com o aumento da tensão fonte-dreno a partir de VDS = 0 e a pendente deste aumento é maior se a tensão de comporta for mais elevada dado que a capa de inversão é então mais espessa e, por conseguinte, a resistência do canal mais baixa.
Devido à queda de tensão na extensão do canal originada pela corrente de dreno, o canal se faz cada vez mais fino na parte do dreno à medida que a corrente de dreno aumenta. Assim, o aumento de ld em função de VDS se faz progressivamente menor até que se alcança uma secção de canal mínima para a tensão VD3(p) = VGS - Vp ou para VDG = - Vp.
Semelhantemente aos transistores de efeito de campo de junção, este fenômeno se conhece pelo nome de estrangulamento (”pínch-off").
Na zona de estrangulamento, a corrente de dreno não aumenta apreciavelmente com VDS. para VGS constante. Na figura 7 temos a representação das condições da zona de estrangulamento, podendo-Se observar uma capa de vazio (zona desértica) entre a região de difusão do dreno e o substrato.
A parte da tensão de fonte-dreno acima do valor VDS(p) cai através desta capa de vazio, enquanto que a queda de tensão através do canal se mantém aproximadamente igual a VDS(p).
Os elétrons que chegam à esquerda da capa de vazio são transportados à zona de dreno pelo campo elétrico desta capa de vazio.
Visto que o canal se faz algo mais curto à medida que cresce a capa de vazio, a resistência do canal diminui ligeiramente, a corrente na zona de estrangulamento aumentará também um pouco.
Quanto menor for a mudança relativa no comprimento do canal, mais plana será a característica e, portanto, maior a resistência de saída do transistor.
Com ajuda de certo número de hipóteses simplificadoras, a corrente de dreno nas ditas condições será dada por:
us = mobilidade superficial dos portadores de carga. no canal
Cox = ?. ?o/d = capacitância da capa de óxido por unidade de área (d = espessura da capa de óxido, conforme a figura 7)
W = largura do canal (para um ângulo reto em relação ao plano do papel na figura 7).
L = Comprimento do canal, 0 qual depende ligeiramente da tensão dreno-fonte.
A mobilidade superficial ps. é só uma quarta parte da mobilidade volumétrica tv que determina o comportamento dos transistores de efeito de campo de junção.
Do mesmo modo que neles, a relação W/L deve ser a maior possivel de modo a se obter uma condutância elevada.
A relação quadrática entre a tensão de controle ea corrente de dreno (equação 1) constitui uma boa aproximação com relação ao comportamento real do transistor MOS, não se cometendo um erro maior do que 10:1 do valor de In.
Para correntes elevadas, se produzem erros devido à resistência dos condutores, enquanto que as cargas da superfície e a espessura do canal começam a influir nas correntes baixas.
Para os transistores MOS normalmente condutores, a equação (1) se escreve do seguinte modo:
IDSS é a corrente de curto-circuito fonte-dreno para VGS = 0.
6. CARACTERISTICA CAPACITÃNCIA-TENSÃO
As propriedades estáticas e dinâmicas dós transistores MOS estão determinadas em grande parte pela "capacitância MOS" entre a porta e o silício.
Esta capacitância depende da tensão comporta-substrato e a determinação da curva desta relação, a curva C x Vmos, proporciona informação importante sobre as propriedades da superfície de separação entre o silício e o óxido. Esta informação se refere à condutividade do silício na região do canal, das cargas da superfície e dos centros de captura.
A miúdo se faz uma medida baseada no anteriormente dito, nos transistores MOS, para determinar a capacitância de curto-circuito da comporta-fonte, (Cgs), em função de Vgs.
Esta medida, realizada com a fonte e o dreno conectados, proporciona a característica capacitância-tensão, sendo mostrada na figura 8 a curva C x V.
Para valores altamente negativos da tensão de porta V, existe um excesso de lacunas na superfície do silício, junto ao limite do óxido e Cgss vem determinada principalmente pela capacitância do óxido Cox, ou seja, pela constante dielétrica e pela espessura da capa de óxido.
Quando a tensão de comporta se faz menos negativa se alcança um ponto em que a carga positiva do óxido fica compensada pela tensão negativa aplicada e a concentração de lacunas na superfície passa a ser igual à concentração no interior.
Se a tensão de comporta segue aumentando, forma-se uma capa de vazio com menos lacunas na superfície do óxido (figura 5) e isto atua como um capacitor Cdc: em série com Cox. O valor resultante de Cgss segue diminuindo até que alcança um valor de Vg para o qual começa a formar-se na superfície do silício um canal de inversão do tipo N.
Este canal N conecta as zonas da fonte e do dreno, ou seja, a capacitância Cdc tem agora um canal de condução conectado em paralelo. Se a tensão de comporta aumenta mais, esta resistência em paralelo diminui progressivamente, de modo que, a capacitância Cgss aumenta de novo até o valor Cox e Cdc- ficará finalmente curto-circuitada.
Se existirem outros centros de captura, eles retardarão a formação de um canal N já que terão que chegar primeiro com elétrons. A capacitância Cgss pode aumentar de novo, como se indica pela linha tracejada da figura 8.
No ponto no qual a linha tracejada começa a subir, a tensão de comporta é igual à tensão de estrangulamento Vp. Ao se determinar a curva C x V da figura 8, foi levado “em conta que as cargas positivas na película de óxido começam“ a formar o canal inclusive para uma tensão de comporta negativa (veja a figura 5).
7. O SUBSTRATO COMO ELETRODO DE CONTROLE
A corrente de dreno pode ser controlada também por meio do terminal de substrato b, se ele está separado dos demais. A figura 9 mostra a característica ID x VGS para o transistor MOS de'canal N normalmente condutor BFR29.
Este transistor tem dois eletrodos de controle, a porta e o substrato, que podem ser empregados na multiplicação de dois sinais, por exemplo, em etapas misturadoras, em aplicações analógicas, etc.
Sem dúvida, devemos lembrar que, quando o substrato é utilizado como eletrodo de controle, ele atua como comporta de junção. O substrato e o canal estão separados por uma capa de vazio (figura 5).
Isto tem por resultado que a resistência de entrada entre o substrato e a fonte seja menor que entre a porta isolada e a fonte.
8. ESTRUTURA DOS TRANSISTORES MOS
8.1. Solapado do eletrodo de comporta
Nos tipos normalmente bloqueados, o eletrodo de comporta deve solapar as zonas da fonte e do dreno, pois, pelo contrário, existiriam zonas nos extremos da fonte e do dreno do canal nas quais não seria possivel induzir uma capa de inversão.
O Solapado conduz as capacitâncias parasitas, relativamente elevadas se a película de óxido abaixo das partes solapadas da porta não são muito mais grossas que a que está acima do canal. Um método para se obter um solapado sem capacitâncias elevadas se descreve mais adiante.
8.2. Estrutura de um transistor MOS do tipo empobrecido
As cargas positivas na capa de óxido de um transistor MOS de empobrecimento criam um canal condutor inclusive para uma tensão porta-fonte igual a zero.
A fim de se evitar a presença de canais parasitas em paralelo com o canal desejado, é necessário fazer uma estrutura fechada, por exemplo, rodeando totalmente a superfície do dreno pela comporta.
As capacitâncias parasitas e, em especial, a capacitância de realimentação, devem ser as menores possíveis de modo que um funcionamento ótimo seja obtido tanto na amplificação de sinais de alta-frequência como em comutação.
A capacitância de comporta está determinada materialmente pela área de metalização da comporta e pela espessura do óxido.
Para uma alta transcondutância, ou uma baixa resistência em estado de condução, é necessário que o óxido na parte superior do canal seja o mais fino possível (uns 0,2 u).
Nos primeiros transistores MOS esta capa fina de óxido estava também acima das zonas da fonte e do dreno próximas ao canal. Devido às tolerâncias no alinhamento da máscara ocorre com frequência que uma parte da metalização da comporta se estenda para acima da zona da fonte e do dreno, o que dá lugar ao aparecimento de elevadas capacitâncias de entrada ou de realimentação.
Nos transistores MOS atuais este problema foi superado mediante uma técnica especial de difusão que permite a formação de uma capa de óxido muito mais grossa por baixo das partes solapadas pelo eletrodo de Comporta (figura 10).
As extensões finas das regiões da fonte e do dreno se obtém por difusão a partir de uma capa de onde grossa dopada na qual se tenha aberto previamente uma pequena Janela.
Depois se faz crescer uma fina capa de óxido (0,2 u) nesta janela de modo que se forme o óxido da comporta propriamente dito e se adapte perfeitamente ao próprio canal. As tolerâncias devidas ao alinhamento da máscara de metalização são muito pouco críticas neste caso.
8.3. Transistores MOS com duas comportas (tetrodo MOS)
Para as aplicações em VHF e UHF, a capacitância de realimentação de um triodo MOS é demasiado elevada (em torno de 0,5 pF). Podem ser obtidos valores muito mais baixos (de uns 0,02 pF) se for acrescentado um segundo eletrodo de comporta, o qual pode ser então empregado para o controle automático de ganho.
A estrutura de um transistor MOS deste tipo é dada na figura 11a.
Se a comporta g2 está conectada à massa, para altas frequências, a realimentação entre o dreno e a porta g1 se torna extremamente baixa, visto que a resistência de carga do dreno dos transistores MOS mais baixa é igual à transcondutância dos transistores MOS mais alto (veja figura 11b). Assim a modulação da tensão do dreno-fonte dos transistores MOS é relativamente pequena.
O transistor MOS BSF28 tem as seguintes características para LD = 10 mA: - admitância de transferência para f = 1 kHz 13 mOhm -1
- capacitância de realimentação (Cog) 25 pF tipicos
- condutância de saída para f = 1 kHz 20 uOhm-1 tipicos
O transistor tetrodo MOS tem pouco ruído de alta frequência, escassa modulação cruzada e reduzida intermodulação.
8.4. Circuito integrado com um transistor MOS e um transistor bipolar
Se obtém um circuito com propriedades muito interessantes se for combinado um transistor MOS com um transistor bipolar. O circuito integrado TAA 320 consta de um transistor MOS, de um transistor bipolar e um resistor.
A figura 12 representa uma secção esquematizada através do cristal.
A tensão nos extremos do resistor serve para a polarização do transistor bipolar.
- Adaptação do Caderno Técnico FAPESA - 20-8-74 - Argentina (Gentileza do Setor de Documentação e Divulgação da lBRAPE).
