Transistores MOSFET e o Efeito Liga

7/23/2019 Transistores MOSFET e o Efeito Liga

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Transistores MOSFET e o efeito liga-desliga: a base de funcionamentodos computadores.Os processadores de computador utilizam o efeito liga-desliga dos transistoresMOSFET para funcionar e realizar o processamento de dados. A tecnologia é aCMOS Complementar! Metal-O"ide Semicondutor # Semicondutor de Metal-

$"ido Complementar%. O material utilizado é normalmente o sil&cio Si%. O sil&cioé semicondutor de eletricidade por'ue permite( atra)és de tratamentos'u&micos( 'ue a energia elétrica se*a conduzida em umas partes do sil&cio en+o se*a conduzida em outras partes do mesmo sil&cio. O mesmo sil&cio écondutor e n+o condutor de eletricidade. Os transistores s+o os MOSFETMetal O"ide Semiconductor Field Effect Transistor - Transistor de Efeito deCampo de Semicondutor de $"ido Met,lico%. O nome metal se refere aosprimeiros cips 'ue utiliza)am portas de metal. Os cips modernos usamportas de polisil&cio( mas continuam sendo camados de MOSFET. e*a abai"oum es'uema de um transistor MOSFET:

Transistor MOSFET em 2D.

E"istem tr/s partes:Source Fonte% # 0or onde entra a corrente elétrica( corrente essa 'ue ser,

ligada ou desligada.1ate 0orta% # Onde entra a tens+o 'ue controla o flu"o ou corte de

corrente elétrica.2rain 2reno% # 0or onde sai a corrente elétrica 'ue )eio de Source(

'uando a corrente n+o é cortada pela tens+o de 1ate. Além disso( os transistores MOSFET possuem uma camada isolante de di3"idode sil&cio S4O5%( 'ue isola as portas do transistor do canal de condu6+o decorrente elétrica( e de substratos de sil&cio tipo 0 e sil&cio tipo 7. Se o canal forfeito de sil&cio tipo 7 e o substrato de sil&cio tipo 0 trata-se de um transistor tipo7 7MOSFET%( se for ao contr,rio trata-se de um transistor tipo 0 0MOSFET%.e*a abai"o:



Estrutura de um E-MOSFET de canal N.

MOSFET tipo 2eple6+o:8uando , uma tens+o de porta negati)a a tens+o 22 for6a os elétrons 'ueest+o li)res a flu&rem da fonte para o dreno. A tens+o da porta controla alargura do canal de corrente elétrica. 8uanto mais negati)a a tens+o menor alargura do canal e conse'9entemente menos corrente elétrica passa da fontepara o dreno. Se a tens+o negati)a porta-fonte gs% e"ceder um limite o canalé fecado e a corrente elétrica é cortada. A opera6+o do MOSFET no modo2eple6+o se d, 'uando gs est, entre gs-off canal fecado% e )olt canalconduzindo corrente elétrica%. Abai"o s&mbolo e es'uema do MOSFET tipo2eple6+o 2-MOSFET%:

Símbolo de um D-MOSFET.



Esquema de um D-MOSFET.

MOSFET tipo 4ntensifica6+o:

7os transistores MOSFET tipo intensifica6+o E-MOSFET% o substrato seestende até o di3"ido de sil&cio. Essa é a diferen6a para os 2-MOSFET. e*aabai"o o es'uema e o s&mbolo dos E-MOSFET:

Símbolo e Esquema de um E-MOSFET.

O E-MOSFET possui uma tens+o positi)a m&nima para a cria6+o de umcanal de corrente elétrica entre o substrato e o di3"ido de sil&cio( permitindo o

flu"o de elétrons li)res entre a fonte e o dreno corrente de dreno%. Essa tens+oé camada de tens+o limiar. Acima de um limite de tens+o negati)a ou positi)a o transistor é danificado(

pois a camada isolante de di3"ido de sil&cio( 'ue é muito fina( é destru&da pelatens+o muito alta.e*a abai"o a cur)a de dreno dos E-MOSFET:



Curva de dreno dos E-MOSFET.

En'uanto gs tens+o porta-fonte% n+o atinge gs t% tens+o limiar%( n+o, corrente de dreno. ;, um limite de satura6+o para gs( a partir do 'ual acorrente de dreno n+o aumenta mais.Os gr,ficos abai"o resumem o funcionamento dos 2-MOSFET e E-MOSFET:

Resumo de uncionamento dos D-MOSFET e E-MOSFET.

0ortanto podemos construir circuitos l3gicos eletr<nicos processadores%utilizando transistores tipo 0 2-MOSFET e E-MOSFET% ou 7 2-MOSFET e E-MOSFET%. 0or e"emplo( podemos construir tr/s tipos de porta 7ot 4n)ersora%com os transistores MOSFET:



!orta NOT ti"o NMOS.

!orta NOT ti"o !MOS.

!orta NOT ti"o CMOS.

;, o =esistor-Transistor >ogic =T>% e o Transistor-Transistor >ogic TT>%.>embrando 'ue a porta 7ot in)erte o sinal de entrada: se for ? sai @ se for

sai ?.amos entender o funcionamento:

A terceira porta 7ot tipo TT>% tem dois transistores( uma entrada A( umasa&da 8( uma tens+o SS e uma tens+o 22. Adotaremos como e"emplo SS



)olt significando % e 22 B )olts significando ?%. Se precisar re)ise osistema bin,rio dos computadores. O transistor MOSFET com a bolina operaem modo de 2eple6+o e o transistor MOSFET sem bolina opera em modo de4ntensifica6+o.

Se a entrada for igual a )olt a sa&da é igual a B )olts@ isso por'ue )olt

faz com 'ue o 2-MOSFET o da bolina% conduza corrente elétrica B )olts% de22 até a sa&da 8( e o E-MOSFET sem bolina%( por sua )ez( 'uando recebe )olt n+o conduz )olt terra% até a sa&da 8.

Se a entrada for igual a B )olts a sa&da é igual a )olt@ isso por'ue B )oltsfazem com 'ue o 2-MOSFET o da bolina% n+o conduza corrente elétrica B)olts% de 22 até a sa&da 8( e o E-MOSFET sem bolina%( por sua )ez('uando recebe B )olts conduz )olt terra% até a sa&da 8.

As outras duas portas 7ot das figuras tipo =T>% funcionam de maneirasemelante( mas possuem um resistor para funcionarem com apenas umtransistor. A porta 7ot com dois transistores tem melor desempeno( poisgasta menos energia e tem maior )elocidade de processamento.

e*a abai"o o s&mbolo de uma porta l3gica 7ot e o es'uema de um pe'uenocip com portas 7ot:

Símbolo da "orta NOT #$nversora%.

Segundo e"emplo: podemos construir uma porta l3gica do tipo O= comtransistores MOSFET( tipo 7 ou tipo 0( arran*ados na forma CMOS. e*a afigura:



!orta OR ti"o CMOS.

A porta l3gica O= O% tem duas entradas A e D( uma sa&da 8( uma tens+oSS e uma tens+o 22. Como e"emplo )amos utilizar SS )oltsignificando % e 22 B )olts significando ?%.

e*amos 'ual sinal ou ?% de)e ser obtido na sa&da 8( dependendo de'uais sinais est+o entrando nas entradas A e D:

ENTR&D& S&'D&& ( )* * ** + ++ * ++ + +

0ortanto a sa&da 8 s3 é igual a se ambas as entradas A e D forem iguaisa zero.

amos entender o funcionamento:Os transistores ( e G operam em modo 4ntensifica6+o.Os transistores ?( 5 e B operam em modo 2eple6+o.Se A = 0 e B = 0 então:

Os transistores ? e 5 2eple6+o% conduzem corrente elétrica de 22 B)olts% até as portas dos transistores B e G. Os transistores e 4ntensifica6+o%n+o conduzem corrente elétrica de SS )olt% até as portas dos transistores Be G. 0ortanto a tens+o 22 B )olts% cega nas portas dos transistores B e G. Otransistor B 2eple6+o% n+o conduz corrente elétrica de 22 B )olts% para asa&da 8. E em fim o transistor G 4ntensifica6+o% conduz a tens+o SS )olt%até a sa&da 8. 0ortanto se A e D H 8 .

Se A = 0 e B = 1 então:

O transistor ? 2eple6+o% conduz corrente elétrica de 22 B )olts%( mas otransistor 5 2eple6+o% recebe o sinal ? da entrada D e n+o conduz correnteelétrica. 0ortanto( os transistores ? e 5 n+o conduzem corrente elétrica de 22

B )olts% até as portas dos transistores B e G. O transistor também n+o conduzcorrente. 0orém o transistor 4ntensifica6+o% 'ue recebe o sinal ? da entrada



D conduz a tens+o SS )olt% até as portas dos transistores B e G. Otransistor B 2eple6+o% 'uando recebe SS )olt% conduz corrente elétrica de22 B )olts% até a sa&da 8. O transistor G 4ntensifica6+o% 'uando recebe atens+o SS )olt% n+o conduz SS )olt% até a sa&da 8. 0ortanto se A eD ? H 8 ?.

Se A = 1 e B = 0 então:O transistor 5 2eple6+o% est, apto a conduzir corrente elétrica( mas o

transistor ? 2eple6+o% n+o conduz corrente por'ue est, recebendo o sinal ?da entrada A. Com isso os transistores ? e 5 n+o conduzem corrente elétrica de22 B )olts% até as portas dos transistores B e G. O transistor 4ntensifica6+o% n+o conduz corrente( mas o transistor 4ntensifica6+o% 'uerecebe o sinal ? da entrada A conduz corrente A de SS )olt% até as portasdos transistores B e G. Com isso o transistor B 2eple6+o% conduz correnteelétrica de 22 B )olts% para a sa&da 8. 0or Iltimo o transistor G4ntensifica6+o% n+o conduz SS )olt% para a sa&da 8. 0ortanto se A ? e D H 8 ?.

Se A = 1 e B = 1 então:Os transistores ? e 5 2eple6+o% n+o conduzem a tens+o 22 B )olts% até

as portas dos transistores B e G( porém os transistores e 4ntensifica6+o%conduzem SS )olt% até as portas dos transistores B e G. Com isso otransistor B 2eple6+o% conduz corrente elétrica de 22 B )olts% para a sa&da8. O transistor G 4ntensifica6+o% n+o conduz SS )olt% para a sa&da 8.0ortanto se A ? e D ? H 8 ?.e*a abai"o o es'uema de um pe'ueno circuito 'ue utiliza portas l3gicas Or.

As portas l3gicas descritas acima implementam as fun6Jes booleanas 7OT eO=. E"istem outras di)ersas fun6Jes booleanas como por e"emplo A72(7A72( 7O=( KO=( K7O= etc. E"istem portas l3gicas 'ue implementam todasas fun6Jes booleanas( uma porta para cada fun6+o( e com isso n3s podemoscombin,-las para fazer circuitos comple"os como somadores( subtratores(multiplicadores( di)isores( mem3rias com flip-flops( controladores de mem3ria(micro-controladores( comparadores( deslocadores L es'uerda e L direita(contadores( incrementador( decrementador( unidades 'ue e"ecutam instru6Jesetc. Em fim( podemos construir processadores super comple"os inteiros commilJes de portas l3gicas super integradas em escala muito pe'uena em umaplaca de sil&cio de ? cm.

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