MOSFET. Fábio Makihara Gustavo de Carvalho Bertoli Luís Gustavo Fazzio Barbin Luiza Pio Costa da Silva

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1 MOSFET MOSFET tipo depleção (MOSFET-D) Curvas do MOSFET-D Amplificadores com MOSFET-D MOSFET tipo intensificação (MOSFET-E) Curvas de Dreno Tensão Porta-Fonte máxima Fábio Makihara Gustavo de Carvalho Bertoli Luís Gustavo Fazzio Barbin Luiza Pio Costa da Silva Maurício Ayres de Araujo

2 Sumário Introdução...3 MOSFET tipo Depleção...4 Amplificadores com MOSFET no Modo de Depleção...5 MOSFET tipo Intensificação...6 Importância da tensão Porta-Fonte...6 Curvas de dreno MOSFET tipo Intensificação...7 Bibliografia...8 2

3 Introdução O transistor MOSFET (acrônimo de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) ou transistor de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico. A palavra "metal" no nome é um anacronismo vindo dos primeiros chips, onde as comportas (gates) eram de metal. Os chips modernos usam comportas de polisilício, mas ainda são chamados de MOSFETs. Um MOSFET é composto de um canal de material semicondutor de tipo N ou de tipo P e é chamado respectivamente de NMOSFET ou PMOSFET. Geralmente o semicondutor escolhido é o silício, mas alguns fabricantes, principalmente a IBM, começaram a usar uma mistura de silício e germânio (SiGe) nos canais dos MOSFETs. Infelizmente muitos semicondutores com melhores propriedades elétricas do que o silício, tais como o arsenieto de gálio, não formam bons óxidos nas comportas e portanto não são adequados para os MOSFETs. O IGFET é um termo relacionado que significa Insulated-Gate Field Effect Transistor, e é quase sinônimo de MOSFET, embora ele possa se referir a um FET com comporta isolada por um isolante não óxido. Corte transversal de um MOSFET tipo N (NMOS). O terminal de comporta é uma camada de polisilício (silício policristalino) colocada sobre o canal, mas separada do canal por uma fina camada de dióxido de silício isolante. Quando uma tensão é aplicada entre os terminais comporta (gate) e fonte (source), o campo elétrico gerado penetra através do óxido e cria uma espécie de "canal invertido" no canal original abaixo dele. O canal invertido é do mesmo tipo P ou tipo N, como o da fonte ou do dreno, assim, ele cria um condutor através do qual a corrente elétrica possa passar. Variando-se a tensão entre a comporta e a fonte se modula a condutividade dessa camada e torna possível se controlar o fluxo de corrente entre o dreno e a fonte. 3

4 MOSFET tipo Depleção Ele é uma parte de material tipo n com um região p à direita e uma porta isolada à esquerda.os elétrons livres podem fluir da fonte para p dreno através do material n.a região p é chamada substrato ou corpo.os elétrons que fluem da fonte para o dreno têm de passar através do estreito canal entre a porta e a região p. Com uma tensão de porta negativa a tensão Vdd força os elétrons livres a fluir da fonte para o dreno.como em um JFET a tensão de porta controla a largura do canal.quanto mais negativa a tensão da porta, menor a corrente de dreno.quando a tensão da porta é suficientemente negativa, a corrente de dreno é cortada.portanto, o funcionamento de um MOSFET é similar ao JFET quando Vgs é negativa. Como a porta do MOSFET está eletricamente isolada do canal, podemos aplicar uma tensão positiva na porta, essa tensão positiva aumenta o número de elétrons livres que fluem através do canal.quanto maior a tensão positiva, maior a condução da fonte para o dreno. A operação no modo depleção se dá quando Vgs está entre Vgs(off) e zero, quando Vgs maior que zero temos a operação no modo intensificação. 4

5 Amplificadores com MOSFET no Modo de Depleção Um MOSFET no modo de depleção é o único porque pode operar com tensões na porta positiva ou negativa. Por isso, podemos estabelecer o ponto Q em = 0V, no meio da reta de carga. Quando o sinal de entrada é positivo, ele aumenta a acima de. Quando o sinal de entrada é negativo, ele diminui abaixo de. Pelo fato de não existir a junção pn a ser polarizada, a resistência de entrada do MOSFET permanece muito alta. A possibilidade de usar o valor zero para nos permite montar o circuito de polarização muito simples da figura abaixo. Pelo fato de ser zero, = 0V, e. A tensão do dreno é: = - Pelo fato de o MOSFET-D ser um dispositivo normalmente em condução, é possivel também usar a auto polarização adicionando-se um resistor de fonte. A operação fica semelhante à de um circuito JFET com autopolarização. Os amplificadores com MOSFETs-D tem um ganho de tensão relativamente baixo. Uma das principais vantagens deste dispositivo é sua resistência de entrada extremamente alta. Isso nos permite usar o dispositivo quando a carga para o circuito for um problema. Além disso, os MOSFETs têm a exelente propriedade de baixo ruído. Essa é a vantagem definitiva para qualquer estágio inicial de um sistema em que o sinal é fraco; é muito comum em muitos tidos de circuitos eletrônicos de comunicação. Exemplo de Amplificador com MOSFET-D 5

6 MOSFET tipo Intensificação A diferença entre o MOSFET tipo intensificação (MOSFET-E) e o MOSFET tipo depleção (MOSFET-D) é com relação ao seu substrato, nos tipo intensificação o substrato estende-se até o dióxido de silício. O MOSFET-E possui uma tensão mínima para seu funcionamento, chamada tensão de limiar, isto é, uma tensão que a partir dela é possível obter uma camada entre o dióxido de silício e o substrato permitindo assim um fluxo de elétrons (corrente de dreno) entre fonte e dreno, a partir deste momento o MOSFET-E possui uma configuração semelhante ao MOSFET-D, vale lembrar que o controle da corrente neste dispositivo no caso canal n é realizado por uma tensão positiva porta-fonte, o que não ocorria para o JFET de canal n e MOSFET-D de canal n, onde este controle era feito por tensões negativas. Outras características: A curva de transferência não é definida pela equação de Schocley. A corrente de dreno, é cortada antes da tensão porta-fonte atingir determinado valor. Relações básicas: - I G = 0 A, I D =I S - - Devido a sua tensão de limiar, o MOSFET-E é ideal para ser usado como um dispositivo de chaveamento. Quando a tensão da porta é maior do que a tensão de limiar, o dispositivo conduz. Essa ação liga-desliga é a base de funcionamento dos computadores. Importância da tensão Porta-Fonte Quando nos deparamos com um novo projeto usando transistores de efeito de campo (FETs), nos é exigido atenção a alguns dados na escolha de qual tipo de transistor usar. A nível de simplificação temos duas situações, uma na escolha de transistores do tipo JFET e D-MOSFET, para os dois tipos é fundamental conhecer, Idss (corrente máxima) e Vgs(off) tensão porta-fonte onde há desligamento do transistor. 6

7 Quando a escolhe é de um transistor E-MOSFET, cabe a projetista conhecer Id(on) (corrente inicia a operação), Vgs(th) (tensão Vgs de limiar, mínimo valor para cria a camada de inversão tipo n) e Vgs(on) ( tensão onde inicia operação). Os MOSFETs possuem uma camada muito final de dióxido de silício, um isolante que impede o fluxo de corrente de porta, tanto para tensões negativas, quanto para positivas. É fundamental que esta camada seja o mais fina possível, pois quando isso ocorre há um controle maior sobre a corrente de dreno (Id). Como está camada é muito fina, é fácil destruí-la quando se aplica uma tensão porta-fonte muito alta. Por exemplo, um transistor que tem especificação de Vgs(Max) de +-30V. Se a tensão porta-fonte for maior em módulo que 30V, a fina camada de dióxido de silício irá ser destruída. Entretanto não é só isto, quando se retira e recoloca-se o transistor com a fonte de alimentação ligada, devido ao efeito de cargas indutivas e outros efeitos, pode haver um excesso de Vgs(Max), fazendo com que o transistor torne-se inutilizável. Quando transportando os MOSFET também é necessário muito cuidado, devida ao deposito de carga estática, outro fator que causa excesso de Vgs(Max). Para evitar excesso de Vgs(Max) pode ser colocado um diodo Zener em paralelo com a porta e a fonte, de tensão menor que a especificação de Vgs(Max). Assim o diodo Zener atinge a ruptura antes de haver dano na camada de dióxido de silício. Entretanto há uma desvantagem, pois quando há diodo Zener interno há uma redução da resistência de entrada. Só são usados diodos internos para aplicações onde há fácil destruição sem o uso do Zener. Curvas de dreno MOSFET tipo Intensificação Um MOSFET-E tem como a curva mais baixa a de V GS(th) onde a corrente de dreno é aproximadamente zero.quando V GS for maior que V GS(th), o MOSFET entra em condução e a corrente de dreno é controlada pela tensão na porta. Existem duas partes no gráfico de dreno, uma é a região ôhmica e as partes horizontais são a região ativa.quando polarizado na região ôhmica o MOSFET-E equivale a um resistor e polarizado na região ativa, ele é equivalente a uma fonte de corrente. Curva de dreno do MOSFET-E A figura 2 define a curva de transcondutância,enquanto V GS não for igual à V GS(th) não haverá corrente no dreno. Após atingir V GS(th) a corrente de dreno aumenta rapidamente até atingir a corrente de saturação I D(saturação).Depois desse ponto o 7

8 MOSFET fica polarizado na região ôhmica, mesmo aumentando V GS a corrente I D não aumenta. Para garantir a saturação forte, é usada uma tensão na porta de V GS(on) bem acima de V GS(th). Figura 2 Bibliografia MALVINO, A P. ELETRÔNICA. VOLUME 1. 4ª Edição. São Paulo. Pearson Makron Books BOYLESTAD, R. L.; NASHELSKY, L. DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS E TEORIA DE CIRCUITOS. 6 ª Edição. Rio de Janeiro. Prentice-Hall do Brasil. 8