UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA ELETRÔNICA 1 - ET74C Prof.ª Elisabete Nakoneczny Moraes
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- Edson Alencar Castelhano
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1 UNVERSAE TECNOLÓGCA FEERAL O PARANÁ EPARTAMENTO ACAÊMCO E ELETROTÉCNCA ELETRÔNCA 1 - ET74C Prof.ª Elisabt Nakonczny Moras Aula 6 TRANSSTOR E METAL ÓXO SEMCONUTOR E EFETO E CAMPO-MOSFET Curitiba, 3 d junho d 017. CONTEÚO A AULA 1. REVSÃO. ESTRUTURA CRSTALNA MOSFET 3. CARACTERÍSTCAS 4. FUNCONAMENT0 TPO EPLEÇÃO 1. Modo dplção. Modo intnsificação 5. FUNCONAMENTO TPO NTENSFCAÇÃO 3 Jun 17 AT6- MOSFET 1
2 Símbolo Estrutura cristalina /06/017 1-Rvisão: Classificação dos Transistors TRANSSTORES Boylstad cap 5 Sdra cap 5 BPOLARES (TJB) Transistor d junção bipolar UNPOLARES NPN PNP MOSFET Transistor d mtal óxido smicondutor d fito d campo JFET Transistor d junção d fito d campo O mcanismo d control do dispositivo é basado na variação do campo létrico stablcido pla tnsão aplicada no trminal d control, no caso o trminal d porta (gat). EPLEÇÃO ENRQUEC MENTO CANAL N CANAL P CANAL N CANAL P CANAL N CANAL P 3 Jun 17 AT6- MOSFET 3 -ifrnça ntr JFET MOSFET Transistor d fito d campo d junção (Junction Fild Effct Transistor ) FET d mtal óxido smicondutor (Mtal Oxid Smiconductor FET ) 3 Jun 17 AT6- MOSFET 4
3 1ª) V >0 V (-VGG)=0 4-Curva caractrística d saída Rsumo das condiçõs d opração Família d curva caractrística d saída = f(vs)@v ª) V = -VGG >= VP: Cort 3ª) VP VGG 0 3 Jun 17 AT6- MOSFET 5 1-Rvisão: Curva caractrística d saída Variávl d saída SS Constants datasht V 1 VP Variávl d control Família d curva caractrística d saída: = f(vs)@v 3 Jun 17 AT6- MOSFET 6 3
4 --Transistor d Efito d Campo tipo MOS (Mtal Oxid Smiconductor Fild Effct Transistor) MOSFET TPO EPLEÇÃO NTENSF CAÇÃO CANAL P NTENSFCAÇÃO ENRQUECMENTO SÍMBOLO CANAL N MOO E OPERAÇÃO EPLEÇÃO NTENSF CAÇÃO NTENSF CAÇÃO data sht 3 Jun 17 AT6- MOSFET 7 k FORMULAÇÃO Equação d Shockly: V SS 1 V p SS Vp Voff V data sht NÃO É VALA quação d Shockly: k V on V V V on on Th on Th -Estrutura cristalina do MOSFET canal N Font/Sourc (S) Porta/Gat (G) rno/rain () Substrato/Body/Bulk (SS) Font: 3 Jun 17 AT6- MOSFET 8 4
5 -Estrutura cristalina simplificada Tipo plção canal N (Boylstad sção 5,7) Óxido d silício isolant Smicondutor Óxido Mtal s í m b o l o capacit or 3 Jun 17 AT6- MOSFET 9 3-Caractrísticas létricas do MOSFET ispositivo controlado por tnsão rqur uma pquna corrnt d ntrada. Canal ntr S prviamnt formado. Elvada impdância d ntrada na ordm d 10 1 a A lvada impdância da porta, não é aftada pla naturza da polarização. Mnor dissipação d potência. É d fabricação simpls ocupa mnos spaço. O MOSFET quando intgrado ocupa mnos da ára da pastilha ocupada plo transistor bipolar. Problmas com dscargas ltrostáticas cuidado no manusio. tox m ou nm Para tr uma noção da nrgia, uma pssoa chga a acumular uma carga d volts m su corpo ao caminhar sobr um carpt, sndo qu apnas 10 volts sria o suficint para danificar um microchip. Crédito: 3 Jun 17 AT6- MOSFET 10 5
6 3-Caractrísticas construtivas-protção do Gat Protção do trminal d porta Os MOSFETs têm uma fina camada d dióxido d silício, caractrística construtiva do componnt o qu lh confr uma lvada impdância d ntrada consquntmnt impd a circulação d corrnt d porta tanto para tnsõs VGG positivas ou ngativas. Essa camada isolant é mantida tão fina o quanto possívl para possibilitar o um mlhor control sobr a corrnt d drno. O simpls ato d tocar no MOSFET pod dpositar cargas státicas suficints para qu xcdam a spcificação d V máximo. 3 Jun 17 AT6- MOSFET Caractrísticas construtivas-protção do Gat Acrscido ao fato da ltricidad stática, tm-s outros dois fators possívis d danificar a camada isolant: tnsão porta-font xcssiva; transint d tnsão causados pla rtirada/colocação do componnt com o sistma ligado. Para minimizar ss problma, alguns MOSFETs são protgidos utilizando d diodo znr, ncapsulado d fábrica, no trminal d porta. Essa mdida porém, traz o inconvnint d rduzir a impdância d ntrada. Símbolo do MOSFET com a protção contra dscargas ltrostáticas /ou transint d tnsão/corrnt. 3 Jun 17 AT6- MOSFET 1 6
7 4-Funcionamnto MOSFET canal N tipo plção V=0V VS= V > 0V: O potncial positivo do drno atrai os létrons livrs do canal N, stablcndo um fluxo d portadors majoritários, no caso S. Canal pré xistnt A xistência d um canal smicondutor com a msma dopagm das rgiõs drno font, garant a condução msmo na ausência 3 Jun d17 polarização da porta (control) AT6- MOSFET normalmnt ligado Funcionamnto MOSFET canal N tipo plção Como VS >0V, as rgiõs N do drno, font canal são polarizadas rvrsamnt m rlação ao substrato. A mdida qu V aumnta, VS também aumnta, d forma a stablcr uma camada d dplção. Essa camada avança pla rgião do substrato P também no canal N. vido ao maior potncial star na part suprior do dispositivo, a rgião d dplção é maior nas proximidads do trminal d drno. O fluxo d portadors prsist, circulando por uma ára mnor, portanto, com lvada dnsidadss para a condição m qu ocorr o strangulamnto do canal ou sja: VS = VP (pinch-off) SS 3 Jun 17 AT6- MOSFET 14 7
8 4-Funcionamnto MOSFET canal N tipo plção MOO EPLEÇÃO V<0 V < 0V VS = V > 0V: Assim como no JFET, a aplicação d tnsõs ngativas m V, antcipará a formação da rgião d dplção, d modo qu o strangulamnto ocorrrá com valors mnors d VS. 3 Jun 17 AT6- MOSFET 15 4-Funcionamnto MOSFET canal N tipo plção MOO NTENSFCAÇÃO V>0 Nst modo d opração, a tnsão aplicada ao trminal da porta (V ) é positiva, considrando o MOSFET d canal N. Assim, os portadors minoritários, no caso as lacunas do canal N prviamnt formado srão rplidas. Efito smlhant ocorr com os portadors minoritários do substrato, qu srão atraídos na dirção do campo létrico rsultant do potncial positivo da porta. Assim o canal N sofrrá um acréscimo no númro d portadors. Tal cnário assmlha-s um aumnto do fluxo final dos portadors majoritários ntr S, portanto houv um nriqucimnto. 3 Jun 17 AT6- MOSFET 16 8
9 4-Funcionamnto MOSFET canal N tipo plção Curva d Transfrência =f(v) Curva Caractrística (família) =f(vs) Equação d Shockly: SS V 1 V p V > 0V VS= V > 0V: 3 Jun 17 AT6- MOSFET 17 4-Funcionamnto MOSFET canal N tipo plção Canal N Canal prviamnt formado. Normalmnt ligado. Equação d Shockly é válida. SS V 1 V p Opra nos modos. dplção: V < 0V (canal N) intnsificação: V > 0V (canal N) 3 Jun 17 AT6- MOSFET 18 9
10 5-Funcionamnto MOSFET canal N tipo ntnsificação Não há o canal prviamnt formado Não há canal. Opra somnt no modo intnsificação (V>0V). Normalmnt dsligado. Trminal d porta com protção (diodo znr) contra transints d tnsão. Mínima tnsão qu possibilita o fluxo d portadors ntr S tnsão d limiar ou thrshold (Vth). 3 Jun 17 AT6- MOSFET 19 Equação d Shockly NÃO é válida. 5-Funcionamnto MOSFET canal N tipo ntnsificação 3 Jun 17 AT6- MOSFET 0 10
11 5-Funcionamnto MOSFET canal N tipo ntnsificação Nst dispositivo a quação d Shockly não é válida!! Formulação a sr usada: k on V k V on V data sht V V on Th on Th spcificaçõs canal N V th tnsão d limiar ou thrshold 3 Jun 17 AT6- MOSFET 1 5-Funcionamnto MOSFET canal N tipo ntnsificação V =0V VS = V > 0V A inxistência d um canal smicondutor com a msma dopagm ntr as rgiõs drno font, impd o fluxo d portadors d qualqur naturza normalmnt dsligado. Efito d V s? R: intnsifica a prsnça das lacunas no canal, impdindo qualqur stablcimnto do fluxo d portadors ntr S. Assim sndo, o MOSFET tipo intnsificação NÃO opra no modo dplção. 3 Jun 17 AT6- MOSFET 11
12 5-Funcionamnto MOSFET canal N tipo ntnsificação MOO NTENSFCAÇÃO V > 0 V > 0V VS= V > 0V: A mdida com qu V aumnta d valor, a quantidad d cargas acumuladas próximo ao óxido, torna-s suficint para stablcr um canal d condução tipo N, na forma d uma fina camada d létrons. O valor d V qu rsulta nst fito é dnominado d tnsão d thrshold (VT, Vth) ou d limiar (V). O canal formado a partir dssa condição é dnominado d canal induzido ou canal d invrsão, por sr grado a partir da invrsão d uma rgião tipo P m tipo N. 3 Jun 17 AT6- MOSFET 3 5-Rsumo MOSFET canal N tipo ntnsificação V = 0V VS= V > 0V: V > 0V VS= V > 0V: Canal induzido V=0V?? O valor d V qu rsulta na formação do canal induzido é dnominado d tnsão d thrshold (VT) ou d limiar. 3 Jun 17 AT6- MOSFET 4 1
13 5-Funcionamnto MOSFET canal N tipo ntnsificação Curva d Transfrência =f(v) Curva Caractrística (família) =f(vs) k V V T k on V on V V on T on spcificaçõs 3 Jun 17 AT6- MOSFET 5 ELETRÔNCA E POTÊNCA Visão gral da ltrônica d potência, sgundo vo Barbi: 1) Eltrônica d potência básica: V< kv, <1kA f< 1kHz. ) Comutação forçada: nvrsors autônomos a tiristor. 3) Altas corrnts: > 1kA. 4) Altas tnsõs: V >kv. 5) Altas potências: V > kv > 1kA 6) Altas frquências: f> 1kHz 7) Minimização d pso volum: aronáutica, arospacial. 8) Técnicas spciais d control: fonts chavadas. 9) Filtragm: control dos harmônicos d tnsão corrnts. 3 Jun 17 AT6- MOSFET 6 13
14 MOSFET E POTÊNCA MOSFET s E POTÊNCA: Valors d tnsão corrnt nominais supriors aos MOSFETs usado m pqunos sinais. Vlocidad d chavamnto lvada tmpos d chavamnto na ordm d 10-9 s. Baixas prdas d potência durant o chavamnto. Aplicaçõs m convrsors d alta frquência baixa potência. Vantajoso por sr um dispositivo d alta rsposta oprado por tnsão mais compatívl com o intrfacamnto a um microprocssador. Comparativo MCT=MOS-Controlld Thyristor GTO=Gat Turn-Off Thyristor TBP= Transistor Bipolar d Potência 3 Jun 17 AT6- MOSFET 7 14
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