MOSFET

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O transistor MOSFET (acrônimo de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, ou transistor de efeito de campo metal - óxido - semicondutor - TECMOS), é, de longe, o tipo mais comum de transístores de efeito de campo em circuitos tanto digitais quanto analógicos. Seu princípio básico foi proposto pela primeira vez por Julius Edgar Lilienfeld, em 1925.

Introdução[editar | editar código-fonte]

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 polissilício, 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 NMOS ou PMOS. 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.

O terminal de comporta é uma camada de polissilício (sílicio 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.

Simbolo de esquema elétrico de um MOSFET

Existem também modelos de Amplificador operacional baseados na tecnologia FET/MOSFET, muito úteis e com grande utilização na indústria eletrônica

Estrutura do MOSFET[editar | editar código-fonte]

O MOSFET é um dispositivo de 4 terminais, Dreno (Drain), Fonte (Source), Gate (Porta), Body (Substrato) sendo que em circuitos discretos, normalmente só tem 3 terminais acessiveis, tendo o substrato ligado à fonte. A dopagem do poço é complementar à dos terminais. Os parâmetros de dimensionamento mais importantes são W a largura do canal, que condiciona a passagem de corrente no transistor, sendo proporcional a esta. O L é o comprimento do canal que está relacionado com o tempo de trânsito dos eletrôes no canal, restrigindo assim a resposta em frequência do dispositivo.

Corte transversal de um MOSFET tipo N (NMOS).

Modos de operação do MOSFET[editar | editar código-fonte]

A operação de um MOSFET pode ser dividida em três diferentes modos, dependendo das tensões aplicadas sobre seus terminais. Para o NMOS os modos são: (para o PMOS as referências de tensões e corrente são complementares):

  • Região de Corte: quando V_{GS} < V_{th}

onde V_{GS} é a tensão entre a comporta e a fonte e V_{th} é a Tensão de threshold (limiar) de condução do dispositivo

O transístor permanece desligado, e não há praticamente corrente entre o dreno e a fonte. Enquanto a corrente entre o dreno e fonte deve idealmente ser zero devido à chave estar desligada, há uma fraca corrente invertida.
  • Região de Triodo: quando V_{GS} > V_{th} e V_{DS} < V_{GS} - V_{th}onde V_{DS} é a tensão entre dreno e fonte.
O transístor é ligado, e o canal que é criado permite o fluxo de corrente entre o dreno e fonte. O MOSFET opera como um resistor, controlado pela tensão na comporta. A corrente do dreno para a fonte é ,
I_D= \frac{\mu_n C_{ox}}{2}\frac{W}{L}(2(V_{GS}-V_{th})V_{DS}-V_{DS}^2)
Nesta região de funcionamento é possível destacar duas zonas, uma aproximadamente linear com V_{DS} << V_{GS} e outra sub-linear com V_{DS} \approx V_{GS}.
De notar que apesar de nesta região haver um troço linear, não é neste o modo usado como amplificador em circuitos analógicos.
  • Região de Saturação: quando V_{GS} > V_{th} e V_{DS} > V_{GS} - V_{th}
O transístor fica ligado, e um canal que é criado permite o fluxo de corrente entre o dreno e a fonte. Como a tensão de dreno é maior do que a tensão na comporta, uma parte do canal é desligado. A criação dessa região é chamada de pinçamento (pinch-off). A corrente de dreno é agora relativamente independente da tensão de dreno (numa primeira aproximação) e é controlada somente pela tensão da comporta de tal forma que ,
I_D = \frac{\mu_n C_{ox}}{2}\frac{W}{L}(V_{GS}-V_{th})^2
Característica da corrente de um transístor

Em circuitos digitais, os MOSFETs são usados preferencialmente os modos de corte e de saturação. Em circuitos analógicos é usado o transístor em modo de saturação, o que costuma fazer confusão com o modo de saturação dos transístores bipolares de junção que são substancialmente diferentes. A saturação nos MOS é análoga a Zona Ativa Direta dos TBJ.

Efeito de modulação do comprimento do canal[editar | editar código-fonte]

Numa primeira aproximação a corrente do transistor no modo de saturação é praticamente independente da tensão V_{DS}. Tal aproximação deixa de ser válida quanto mais se afasta do limiar tríodo-saturação. Obtem-se assim a expressão que tem em conta esse fenómeno:

I_D = \frac{\mu_n C_{ox}}{2}\frac{W}{L}(V_{GS}-V_{th})^2(1+\lambda V_{DS})

Onde, 1/\lambda = U_A que é a tensão de Early. Um parâmetro caracteristico do transistor. Este efeito manifesta-se substancialmente em dispositivos de dimensões muito reduzidas e de substratos pouco dopados.[1]

Regime incremental[editar | editar código-fonte]

A análise da resposta deste dispositivo a sinais não-estacionários pode ser feita com recurso a uma linearização das equações da corrente para o mesmo. Desenvolvimento de primeira ordem em série de Taylor, em torno do ponto de funcionamento em repouso.

i_d = \frac{\partial i_D}{\partial u_{GS}} u_{gs} + \frac{\partial i_D}{\partial u_{DS}} u_{ds} +...

\frac{\partial i_D}{\partial u_{GS}} = g_m = \mu_n C_{ox}\frac{W}{L}(V_{GS0}-V_{th0})

Onde, g_m é definido como o parâmetro de transcondutância incremental.

\frac{\partial i_D}{\partial u_{DS}} = g_{ds} =  r_o^{-1} \approx \lambda i_D

Ver também[editar | editar código-fonte]

Ligações externas[editar | editar código-fonte]

Em inglês[editar | editar código-fonte]

Referências[editar | editar código-fonte]

Baptista, Fernandes, Pereira, Paisana, António, Carlos, Jorge, José. Fundamentos de Eletrónica. [S.l.]: LIDEL, 2012. p. 26. ISBN 978-972-757-872-6

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  1. © B. Van Zeghbroeck (2011). MOS Field-Effect-Transistors. Visitado em 12/2014.