CIRCUITOS  INTEGRADOS  COM TRANSISTOR MOS

Rômulo O. Albuquerque

INTRODUÇÃO AOS  CIRCUITOS INTEGRADOS CMOS

Os  circuitos  integrados baseados na tecnologia CMOS ( Complementary - Metal - Oxide - Semicondutors ) já substituíram os CI's  baseados na tecnologia TTL  em quase 100% dos casos. A principal razão para isso está na grande capacidade de integração que os mesmos possuem ( isto é , ocupam pouca área  ), mas existem outras vantagens entre elas podemos citar a baixa capacidade de  dissipação de potência quando comparados  com os mesmos circuitos  TTL..

Dissipação de Potência

CMOS estáticos  só dissipam potência  quando os transistores estão mudando de estado. Quando a entrada  de  um inversor CMOS é  alta  ou baixa , a  potência  estática dissipada é devido à  correntes de  fuga sendo praticamente zero. Quando comparado com as lógicas NMOS e  bipolar é uma grande vantagem.Porém  quando os transistores estão mudando de estado o circuito dissipará uma certa quantidade de  potência ( potência dinâmica ) , isto é ,

P_dinâmica=K.f ( proporcional à potência ).

A potência total dissipada será calculada por :  P_total = P_estática + P_dinâmica

Em  baixas freqüências  ambas as contribuições serão desprezíveis, porém em altas freqüências a potência dissipada  aumenta. A nível de sistema , a potência total de pende  da freqüência de chaveamento e do número de portas  que estão mudando de nível lógico num determinado instante .A Fig01 mostra  um inversor CMOS onde  o transistor de cima é tipo PMOS e o de  baixo tipo NMOS.A Fig02 mostra  o modelo usado quando o transistor é usado como chave.Observe a capacitância  C_L  de  carga que será  definida posteriormente.

Fig01: Inversor CMOS	Fig02: CMOS operando como chave com Ventrada= 0

Transistores CMOS são chaves eletrônicas controladas por tensão. Os dois tipos básicos de  MOS são o MOSFET canal N ( NMOS) e o MOSFET canal P ( PMOS ).

As Fig03 e Fig04  mostram  os  símbolos mais usados. Observe que um MOS tem 4 terminais : Gate (G), Dreno(D), Fonte(S) e Substrato(B).Os símbolos da direita muita vezes são usados  para simplificar.As tensões  que são usadas para controlar o fluxo de corrente através do dispositivo são  V_GS  e V_DS. A tensão de substrato V_SB também afeta o fluxo de cargas

		Muitas vezes o eletrodo do substrato é omitido por simplicidade, e  para distinguir  entre NMOS e PMOS é usada   o circulo  na porta  para indicar inversão. Aplicando uma tensão à porta   o transistor conduz. Um NMOS conduz quando é aplicada uma tensão positiva , enquanto um PMOS conduz com uma tensão negativa.
Fig03: MOS canal N simbologias
Fig04: MOS canal P simbologias
Transistor como Chave(voltar) Um transistor MOS pode ser modelado como sendo simplesmente uma chave, como indicado na Fig05. O fechamento ( e  a abertura é controlada pela tensão de gate , VGS , ).Se associarmos o nível lógico "1" a VDD e  o nível lógico "0" a  0V , se  no transistor NMOS     VGS = VDD então a chave fecha , no transistor PMOS é o contrário , se VGS =0V a chave fecha. A Fig06 mostra como construir um inversor usando dois transistores. A saída deve ser alta quando a entrada for baixa e vice versa. Como podemos verificar a  tensão de entrada ( Ve ) é aplicada  simultaneamente  aos dois  gates dos  transistores. Para que a saída  vá de 0 a  VDD  o transistor PMOS deve conduzir e isto é obtido fazendo  Ve = 0 , neste caso a tensão de saída será dada por:               VS =VDD.(1 - e-t/tP )   Fig05: Transistor MOS como chave

A seguir mostraremos  o funcionamento físico de um transistor MOS canal N, o canal P tem um funcionamento análogo, invertendo polaridade e tipo de portador.A Fig07 mostra um corte de um transistor MOS, no qual podemos identificar as  [principais partes.

O transistor é fabricado em cima de uma base chamada de substrato ( no caso de MOS canal P essa região é N ). Duas regiões fortemente dopadas   tipo N são criadas no substrato originando o dreno(D) e a fonte(S de source ). Uma camada muito fina  de cerca de    40nm de dióxido de silício ( que é isolante ) é criada sobre  a região do substrato entre dreno e fonte.No começo, era depositado sobre esse óxido uma camada de metal ( o M de MOS), atualmente  devido a necessidades tecnológicas o material é o silício policristalino( polisilicio )

Fig07: Estrutura física de um MOS canal N

A Fig08 mostra  o mesmo transistor em 3D  e as duas principais dimensões  do mesmo: Comprimento do canal ( L ) e largura  do canal (W).