PSI3322_Aula_4_2023_PMOS_Martino

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Universidade de São Paulo
PSI3322 - João A. Martino – PSI/EPUSP
PSI3322 - ELETRÔNICA II
Prof. João Antonio Martino
AULA 4
Características do MOSFET canal p, efeito 
de corpo, sumário, exercícios. 
Sedra, Cap. 4 
p. 155-159 
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N+
Metal 
(condutor)
Óxido de porta 
(isolante)
L
W
Fonte Dreno
toxPorta
vDS
vGS
P
Substrato
(ou Corpo)
iD
N+
NMOSFET
(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect 
Transistor, canal N, tipo Enriquecimento)
L
W
Porta
DrenoFonte
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N N
P
G
DS
B
M
O
 S
---- ----
+ + + + + + + +
Transistor NMOS
VGS = 0 e VDS = 0
S D
B
VGS = 0 V
Campo elétrico baixo, suficiente 
apenas para repelir os portadores 
majoritários do canal (lacunas)
Universidade de São Paulo
PSI3322 - João A. Martino – PSI/EPUSP
N N
P
G
DS
B
M
O
 S ----
---- ----
+ + + + + + + +
Região de Depleção
Transistor NMOS
VGS > 0 e VDS = 0
S D
B
VGS = 0,5V
Campo elétrico baixo, suficiente 
apenas para repelir os portadores 
majoritários do canal (lacunas)
0,5V0,5V
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PSI3322 - João A. Martino – PSI/EPUSP
N N
P
G
DS
B
M
O
 S -
-
-
-
-
-
-
-
---- ----
+ + + + + + + +
Região de Depleção
Transistor NMOS
VGS > 0 e VDS = 0
S D
B
VGS = 1V
Campo elétrico baixo, suficiente 
apenas para repelir os portadores 
majoritários do canal (lacunas)
1V1V
(Vt  1V)
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Transistor NMOS
VGS > Vt (tensão de limiar) e VDS = 0
N N
P
G
DS
B
M
O
 S -
-
-
-
-
-
-
-
---- ----
+ + + + + + + +
- - - - - - - - - - -
Elétrons livres
Camada de inversãoRegião de Depleção
S D
B
VGS = 2V
Campo elétrico alto o suficiente 
para atrair os portadores 
minoritários do canal (elétrons)
2V2V
(Vt  1V)
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Elétrons livres
Camada de inversãoRegião de Depleção
Transistor NMOS
VGS >> Vt (tensão de limiar) e VDS = 0
S
B
VGS = 5V
Campo elétrico alto o suficiente 
para atrair os portadores 
minoritários do canal (elétrons)
5V5V
(Vt  1V)
N N
P
G
D
M
O
 S -
-
-
-
-
-
-
-
---- ----
+ + + + + + + +
- - - - - - - - - - -- - - - - - - - - -- - - - - - - - - - -
Universidade de São Paulo
PSI3322 - João A. Martino – PSI/EPUSP
Transistor NMOS
VDS < VGS – Vt (Região de tríodo)
N N
P
G
DS
B
M
O
 S -
-
-
-
-
-
-
-
---- ----
+ + + + + + + +
----
- - - - - - - - - - -- - - - - - - - -- - - - - -
--
Elétrons livres
Camada de inversãoRegião de Depleção
S D
B
VGS = 5V
VDS = 2V
3V5V
(Vt  1V)
Universidade de São Paulo
PSI3322 - João A. Martino – PSI/EPUSP
N N
P
G
S
B
M
O
 S -
-
-
-
-
-
-
-
---- ----
+ + + + + + + +
------
- - -
- - - - - - - - -- -- - - -
-
-----
Elétrons livres
Camada de inversãoRegião de Depleção
Transistor NMOS
VDS = VGS – Vt (Triodo/Saturação)
S D
B
VGS = 5V
VDS = 4V
VDS elevado responsável pela 
passagem de corrente mesmo através 
da região sem canal de inversão
1V5V
(Vt  1V)
Universidade de São Paulo
PSI3322 - João A. Martino – PSI/EPUSP
N N
P
G
DS
B
M
O
 S -
-
-
-
-
-
-
-
---- ----
+ + + + + + + +
------ -
-----
Elétrons livres
Camada de inversãoRegião de Depleção
- -- - - -- - -
- - - - - - -
Transistor NMOS
VDS > VGS – Vt (Região de Saturação)
S D
B
VGS = 5V(Vt  1V)
VDS = 5V
VDS elevado responsável pela 
passagem de corrente mesmo através 
da região sem canal de inversão
0V5V
Universidade de São Paulo
PSI3322 - João A. Martino – PSI/EPUSP
N N
P
G
DS
B
M
O
 S
Elétrons livres
Camada de inversãoRegião de Depleção
- -- - - -- - -
- - - - - - -
Transistor NMOS
VDS > VGS – Vt (Região de Saturação)
S D
B
VGS = 5VVt  1V
VDS = 5V
VDS elevado responsável pela 
passagem de corrente mesmo através 
da região sem canal de inversão
0V5V
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iD = 0
iD = kn
′
W
L
vGS − Vt . vDS −
vDS
2
2
onde
kn
′ =
μnεox
tox
= μn.Cox
NMOSFET
• Região de Corte: vGS  Vt ou vGS-Vt  0
• Região Triodo: 0 < vDS  vGS-Vt 
• Região de Saturação: 0 < vGS-Vt  vDS
iD = kn
′
W
L
vGS − Vt
2
2
Vt > 0
vGS > 0
vDS > 0
Modelo de iD=f(vGS, vDS) de 1a Ordem
Parametro de Transcondutância 
do processo [A/V2]
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Características de Corrente-Tensão de um 
NMOSFET
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Alunos de PSI3322
Vamos agora incrementar o modelo de 
primeira ordem do NMOS
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A Resistência de Saída Finita na Saturação
(modulação do comprimento de canal)
VA : Tensão de Early
VA > 0
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A Resistência de Saída Finita na Saturação
(modulação do comprimento de canal)
VA : Tensão de Early
𝑖𝐷 = 𝑘𝑛
′ 𝑊
𝐿
𝑣
𝐺𝑆
−𝑉𝑡
2
2
. (1 + l.𝑣𝐷𝑆)
𝑟0 =
𝑉𝐴
𝐼𝐷
l=
1
𝑉𝐴
VA > 0
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A Resistência de Saída Finita na Saturação
(modulação do comprimento de canal)
VA : Tensão de Early
𝑖𝐷 = 𝑘𝑛
′ 𝑊
𝐿
𝑣
𝐺𝑆
−𝑉𝑡
2
2
. (1 + l.𝑣𝐷𝑆)
l=
1
𝑉𝐴
VA > 0
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Modelo de iD=f(vGS, vDS)
iD = 0
iD = kn
′
W
L
vGS − Vt . vDS −
vDS
2
2
onde kn
′ =
μnεox
tox
= μn.Cox
NMOSFET
• Região de Corte: vGS  Vt ou vGS-Vt  0
• Região Triodo: 0 < vDS  vGS-Vt 
• Região de Saturação: 0 < vGS-Vt  vDS
iD = kn
′ W
L
v
GS
−Vt
2
2
. (1 + l.vDS)
l=
1
𝑉𝐴
VA tensão Early
Vt > 0
vGS > 0
vDS > 0
VA > 0
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O Efeito de Corpo (Substrato)
• Na maioria das aplicações o terminal da 
fonte é curto circuitado com o terminal 
de substrato, ou seja, VBS = 0,.
• Porém em um circuito integrado que tem 
apenas um substrato e vários transistores, 
é possível que o terminal de substrato 
esteja em um potencial menor que o da 
fonte (VBS < 0). Polarização reversa 
sempre
• Neste caso, quanto maior for a diferença 
de potencial (VBS), maior será a tensão 
de limiar. 
)22()0()( FBSFBStBSt VVVVV  −+==−
OX
Asi
C
N.q2 
 =
F = potencial de Fermi (0,3 a 0,4V)
NN
P
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MOSFET - Canal P (PMOS)
P+ P+
N
Porta(G)
Dreno(D)Fonte(S)
Substrato (B)
Metal
Óxido
 Sem.
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P+ P+
N
Porta(G)
Dreno(D)Fonte(S)
Substrato (B)
N+ N+
P
Porta
(G-Gate)
Dreno
(D-Drain)
Fonte
(S-Source)
Substrato
(B-Body)
Metal
Óxido
 Sem.
Metal
Óxido
 Sem.
Comparação entre os Transistores
PMOSFET NMOSFET
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PMOSFET
P+ P+
N
Porta(G)
Dreno(D)Fonte(S)
Substrato (B)
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P P
N
G
DS
B
M
O
 S
Transistor PMOS
VGS = 0 e VDS = 0
S D
B
+ + + ++ + + +
---- ----
Universidade de São Paulo
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P P
N
G
DS
B
M
O
 S
Região de Depleção
Transistor PMOS
VGS < 0 e VDS = 0
S D
B
VGS = -0,5V
-0,5V-0,5V
+ + + +
+ + + ++ + + +
---- ----
Campo elétrico baixo, suficiente 
apenas para repelir os portadores 
majoritários do canal (lacunas)
Universidade de São Paulo
PSI3322 - João A. Martino – PSI/EPUSP
P P
N
G
DS
B
M
O
 S
Região de Depleção
S D
B
VGS = -1V
-1V-1V
+ + + +
+ + + +
+ + + ++ + + +
---- ----
(Vt  -1V)
Lacunas livres
Camada de inversão
Campo elétrico baixo, suficiente 
apenas para repelir os portadores 
majoritários do canal (lacunas) 
Transistor PMOS
VGS < 0 e VDS = 0
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P P
N
G
DS
B
M
O
 S
Região de Depleção
S D
B
VGS = -2V
-2V-2V
+ + + +
+ + + +
+ + +++ + + +
---- ----
+ + + + + + + + 
Transistor PMOS
VGS < Vt (tensão de limiar) e VDS = 0
(Vt  -1V)
Campo elétrico alto o suficiente 
para atrair os portadores 
minoritários do canal (lacunas)
Lacunas livres
Camada de inversão
Universidade de São Paulo
PSI3322 - João A. Martino – PSI/EPUSP
P P
N
G
DS
B
M
O
 S
Região de Depleção
Transistor PMOS
VGS < Vt (tensão de limiar) e VDS = 0
S D
B
VGS = -2V
-2V-2V
+ + + + + + + + 
(Vt  -1V)
Campo elétrico alto o suficiente 
para atrair os portadores 
minoritários do canal (lacunas)
Lacunas livres
Camada de inversão
Universidade de São Paulo
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P P
N
G
DS
B
M
O
 S
Região de Depleção
Transistor PMOS
VGS << Vt (tensão de limiar) e VDS = 0
S D
B
VGS = -5V
-5V-5V
+ + + + + + + + 
(Vt  -1V)
Campo elétrico alto o suficiente 
para atrair os portadores 
minoritários do canal (lacunas)
Lacunas livres
Camada de inversão
+ + + + + + + + + + + + + + + + 
Universidade de São Paulo
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P P
N
G
DS
B
M
O
 S
Região de Depleção
Transistor PMOS
VDS > VGS – Vt (Região de tríodo)
S D
B
VGS = -5V
-3V-5V
(Vt  -1V)
Campo elétrico alto o suficiente 
para atrair os portadores 
minoritários do canal (lacunas)
Lacunas livres
Camada de inversão
VDS = -2V
+ + + + + + + 
+ + + + + + + + 
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PSI3322 - João A. Martino – PSI/EPUSP
P P
N
G
DS
B
M
O
 S
Região de Depleção
Transistor PMOS
VDS = VGS – Vt (Triodo/Saturação)
S D
B
VGS = -5V
-1V-5V
(Vt  -1V)
Lacunas livres
Camada de inversão
VDS = -4V
+ + + + + + 
+ + + + + + 
VDS elevado responsável pela 
passagem de corrente mesmo através 
da região sem canal de inversão
Universidade de São Paulo
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P P
N
G
DS
B
M
O
 S
Região de Depleção
Transistor PMOS
VDS < VGS – Vt (Região de Saturação)
S D
B
VGS = -5V
0V-5V
(Vt  -1V)
Lacunas livres
Camada de inversão
VDS = -5V
+ + + + + + 
+ + + + + + 
VDS elevado responsável pela 
passagem de corrente mesmo através 
da região sem canal de inversão
Universidade de São Paulo
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PMOSFET
P+ P+
N
Porta(G)
Dreno(D)Fonte(S)
Substrato (B)
Vt < 0
vGS < 0
vDS < 0
VA < 0
mp ~ mn/3
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Modelo de iD=f(vGS, vDS)
iD=0
iD = kp
′
W
L
vGS − Vt . vDS −
vDS
2
2
onde 𝑘𝑝
′ =
μpεox
tox
= μp.Cox
• Região de Corte: vGS Vt ou vGS-Vt  0 
• Região Triodo: vGS-Vt  vDS < 0
• Região de Saturação: vDS vGS-Vt < 0
Vt < 0
vGS < 0
vDS < 0
VA < 0
iD = kp
′ W
L
v
GS
−Vt
2
2
. (1 + l.vDS)
l=
1
𝑉𝐴
VA = tensão Early
PMOS (análogo ao NMOS)
Universidade de São Paulo
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Características de Corrente-Tensão de um 
PMOSFET desprezando a modulação de canal 
( ou seja l = 0 pois VA → )
-vDS -vGS
iD
iD
vGS = Vt -1
vGS = Vt -3
vGS = Vt -2
vGS = Vt -4
vDS ≥ vGS-Vt vDS  vGS-Vt 
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N+ N+
P
Porta
(G-Gate)
Dreno
(D-Drain)
Fonte
(S-Source)
Substrato
(B-Body)
Metal
Óxido
 Sem. P+ P+
N
Porta(G)
Dreno(D)Fonte(S)
Substrato (B)
Metal
Óxido
 Sem.
Tecnologia CMOS 
(Complementar MOS)
NMOSFET PMOSFET
Universidade de São Paulo
PSI3322 - João A. Martino – PSI/EPUSP
Perfil de um Circuito Integrado CMOS
Universidade de São Paulo
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Inversor CMOS Porta NOR CMOS Porta NAND CMOS
Circuitos Digitais CMOS
Universidade de São Paulo
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Célula de memória estática (SRAM)
Circuitos Digitais CMOS
Universidade de São Paulo
PSI3322 - João A. Martino – PSI/EPUSP
Amplificador Operacional
Circuitos Analógicos CMOS
Q5
Q8 Q7
Q6Q4
Q3
Q2Q1
+_
CC
+ VDD
- VSS
IREF
Universidade de São Paulo
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Transponder para o sistema de coleta de dados 
brasileiro na tecnologia CMOS
(Centro de Formação de Projetistas de Circuitos 
Integrados da Escola Politécnica da USP)
Circuitos Integrados Mistos
DigitalAnalógica
Universidade de São Paulo
PSI3322 - João A. Martino – PSI/EPUSP
(J.A.Martino - Doutorado - USP - 1988)
Dimensões: 3mm x 3mm
7 Estruturas Van der Pauw 
 e 2 Resistores
3 Estruturas Kelvin
5 Capacitores
20 Transistores nMOS
20 Transistores pMOS
6 Diodos
1 Oscilador em Anel
 (31 estágios)
3 Inversores
Tecnologia CMOS projetada e 
fabricada na Escola Politécnica da USP
Universidade de São Paulo
PSI3322 - João A. Martino – PSI/EPUSP
Robôs existem graças aos circuitos integrados 
(compostos por transistores MOSFET)
Da ficção para a realidade...
Perdidos no espaço (1965-1968)
Universidade de São Paulo
PSI3322 - João A. Martino – PSI/EPUSP
R2-D2 e C-3PO (Star Wars -1977)
B9 Robot: Perdidos no espaço (1965)
Sonny do “Eu Robot” (2004)
Robôs existem graças aos circuitos integrados 
(compostos por transistores MOSFET)
Da ficção para a realidade...
Wall-E (2009)
Rosie – JETSONS (1962)
BB-8 (Star-Wars – 2015)
Universidade de São Paulo
PSI3322 - João A. Martino – PSI/EPUSP
Robôs existem graças aos circuitos integrados 
(compostos por transistores MOSFET)
Da ficção para a realidade...
Universidade de São Paulo
PSI3322 - João A. Martino – PSI/EPUSP
Robôs existem graças aos circuitos integrados 
(compostos por transistores MOSFET)
Da ficção para a realidade...
Robo do Joãozinho...
Universidade de São Paulo
PSI3322 - João A. Martino – PSI/EPUSP
Modelo de iD=f(vGS, vDS)
iD=0
iD = kp
′
W
L
vGS − Vt . vDS −
vDS
2
2
onde 𝑘𝑝
′ =
μpεox
tox
= μp.Cox
• Região de Corte: vGS Vt ou vGS-Vt  0 
• Região Triodo: vGS-Vt  vDS < 0
• Região de Saturação: vDS vGS-Vt < 0
Vt < 0
vGS < 0
vDS < 0
VA < 0
iD = kp
′ W
L
v
GS
−Vt
2
2
. (1 + l.vDS)
l=
1
𝑉𝐴
VA = tensão Early
PMOS (análogo ao NMOS)
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Ex. 4.8 (pag. 156 do Livro texto)
Ex 4.8 – O transistor PMOS mostrado na figura abaixo tem 
Vt = -1V, kp’ = 60mA/V2, W/L = 10.
a) Obtenha a faixa de VG para que o transistor conduza.
b) Obtenha a faixa de VD = f(VG) → Região de Triodo.
c) Obtenha a faixa de VD = f(VG) → Saturação.
d) Determine VG, |VOV| e a faixa de VD para que o 
transistor opere em saturação com ID = 75mA (adote 
l = 0).
e) Se l = − 0,02 V-1, encontre ro para o mesmo VOV do 
item (d).
f) Para l = − 0,02 V-1 e VOV do item (d), obtenha ID, para 
VD = 3V e para VD = 0V
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Exercícios de fixação
1) Desenhe a secção transversal de um transistor PMOS 
indicando na figura: VD, VS, VG, VB, tox e L. Indique também o 
perfil de cargas no canal para o transistor funcionando em 
regime triodo.
2) Esboce as curvas características ID x VD de um PMOS para 
VGS = 0, -2 e –5V. Considere que a tensão de limiar para este 
transistor é -1V. Indique nas curvas as regiões de corte, 
triodo e saturação.
3) Fazer também os exercícios do livro (capitulo 4 da aula e do 
fim do capitulo) e da lista de exercícios do eDisciplinas
	Slide 1: PSI3322 - ELETRÔNICA II   Prof. João Antonio Martino
	Slide 2
	Slide 3
	Slide 4
	Slide 5
	Slide 6
	Slide 7
	Slide 8
	Slide 9
	Slide 10
	Slide 11
	Slide 12
	Slide 13: Características de Corrente-Tensão de um NMOSFET
	Slide 14: Alunos de PSI3322 Vamos agora incrementar o modelo de primeira ordem do NMOS
	Slide 16: A Resistência de Saída Finita na Saturação (modulação do comprimento de canal)
	Slide 18: A Resistência de Saída Finita na Saturação (modulação do comprimento de canal)
	Slide 21
	Slide 23
	Slide 24: O Efeito de Corpo (Substrato) 
	Slide 25
	Slide 26
	Slide 27: PMOSFET
	Slide 29
	Slide 30
	Slide 31
	Slide 32
	Slide 33
	Slide 34
	Slide 35
	Slide 36
	Slide 37
	Slide 38: PMOSFET
	Slide 39
	Slide 40: Características de Corrente-Tensão de um PMOSFET desprezando a modulação de canal ( ou seja l = 0 pois VA  )
	Slide 41Slide 42: Perfil de um Circuito Integrado CMOS
	Slide 43
	Slide 44
	Slide 45
	Slide 46
	Slide 47
	Slide 48
	Slide 49
	Slide 50
	Slide 51
	Slide 52
	Slide 53
	Slide 58