TRANSISTORES

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O Transistor de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor MOSFET
Jacobus W Swart
Vimos em capítulo anterior o efeito do campo elétrico ou da tensão aplicada, a
uma porta de um capacitor MOS, ou seja, como, variando a tensão VG, variam os
diagramas de bandas, de densidades de cargas, de campo elétrico e de potencial
elétrico num eixo perpendicular à superfície. Estes resultados resultam daanálise
eletrostática unidimensional, pelo uso das equações básicas de semicondutores e da
equação de Gauss e/ou de Poisson.
Esta análise resultou entre outros, na determinação da tensão de limiar clássica
da estrutura MOS, definida como a condição onde o potencial de superfície torna-se de
valor igual a duas vezes o potencial de Fermi, ou seja, considerando substrato tipo p,
temos:

φ S = 2.φF

(1)
kT  N A 

ln 
q  ni 


1
+ 2.φ F +
. 2.q.ε Si .N A .2.φ F
CO

onde: φ F =

(2)

VT = VFB

(3)

onde:
QO
+ Φ MS
(4)
CO
QO = carga efetiva de interface SiO 2-Si, por unidade de área.
ΦMS = diferença de função trabalho entre o metal e o semicondutor.
ε
C O = ox = capacitância de placas paralelas do dielétrico de porta
t ox
por unidade de área.
VFB = −Estes conceitos citados acima constituem os fundamentos para o entendimento
do transistor MOSFET ou simplesmente MOS. O princípio básico do transistor MOS é
na verdade bem simples e foi proposto e patenteado já em 1928, por Lilienfeld, um
homem muito à frente do seu tempo. Dizemos à frente do seu tempo, pois a realização
física do transistor MOS não foi possível na época, pela nãomaturidade tecnológica. A
Fig. 1 ilustra um desenho esquemático do transistor, como apresentado na patente. A
limitação tecnológica da época refere-se ao não controle e alta densidade de estados e
cargas de superfície do semicondutor. Esta alta densidade de estados de superfície
produzia uma blindagem do semicondutor, impedindo assim uma modulação da
densidade de portadores, portanto, da condutânciaentre os contatos de fonte e dreno,
pela tensão de porta. Finalmente, apenas em 1960, obteve-se sucesso na fabricação
do transistor MOS, na Bell Labs, por D. Kahng e M. Atalla. A Fig. 2 mostra um desenho
esquemático do transistor MOS tipo nMOS (substrato p). O transistor MOS é um
dispositivo de 4 terminais, sendo estes: fonte, dreno, porta e substrato. O transistor
pMOS é complementar ao nMOS,ou seja, é formado por substrato tipo n e regiões de
fonte e dreno tipo p.
1

Neste capítulo apresentaremos os princípios físicos do transistor MOS e os
modelos básicos de operação.

Fig. 1 Desenho esquemático do transistor MOSFET como apresentado por
Lilienfeld, em 1928.

Fig 2 Desenho esquemático da estrutura moderna do transistor MOSFET em
perspectiva, corte em secção transversal eo símbolo do transistor nMOS

2

1. MOS de três terminais ou diodo controlado por porta
A Fig. 3 ilustra a estrutura de um MOS de 3 terminais ou diodo controlado por
porta. Esta estrutura não tem aplicação prática como dispositivo, mas é de extrema
relevância para o entendimento do funcionamento do transistor MOS, ou MOS de 4
terminais. O MOS de 3 terminais corresponde a um meiotransistor, omitindo-se o seu
dreno.

Fig. 3 Estrutura de diodo controlado por porta o MOS de 3 terminais.
Para entender o efeito do diodo sobre a análise do capacitor MOS, devemos
juntar os conceitos do diodo pn e do capacitor MOS. Na Fig. 4 repetimos as estruturas
de bandas de diodos pn, sem e com polarização, sendo esta direta e reversa. Observase que com polarização direta ocorre uma redução dabarreira da junção enquanto com
polarização reversa esta barreira aumenta. Para os casos de polarização da junção, ou
seja, com a estrutura fora do equilíbrio térmico, define-se níveis de quase-Fermi, que
são assumidos constantes dentro das regiões de depleção (existem argumentos
convincentes que justificam esta aproximação). Dentro da região de depleção da
junção, os dois níveis de...
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