MOSFET MOSFET MOSFET´s - introdução - IFBA

16/6/2010
IFBA
MOSFET
CELET – Coordenação do Curso Técnico em Eletrônica
Professor: Edvaldo Moraes Ruas,, EE
Vitória da Conquista - 2009
MOSFET´s - introdução
• Semicondutor FET de óxido metálico, ou Mosfet (Metal Oxide
Semiconductor Field-Effect);
• É um transistor unipolar, pois depende somente de um tipo de
carga, ou as lacunas ou os elétrons;
• Ao contrário do JFET a porta é isolada do canal
canal.
• É um dispositivo sensível a tensão
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MOSFET´s – estrutura e símbolos
Tipo Depleção – normalmente ligado
Tipo Intensidade – normalmente desligado
•
•
•
•
Fonte porque os elétrons livres entram no dispositivo nesse ponto.
Dreno por onde os elétrons livres saem;
Substrato ou corpo (o quarto terminal);
Porta = gate - SiO2 = dióxido de silício = isolante (mesmo que vidro).
MOSFET-D – Tipo Depleção - Funcionamento
Modo de depleção
VDD força os elétrons livres a passarem pelo canal;
Quanto mais negativa a tensão da porta, menor a corrente do dreno;
Corrente da porta = de fuga, desprezível;
Deste modo o funcionamento do Mosfet é semelhante ao de um Jfet;
Modo de intensificação (crescimento)
Como a porta é isolada do canal, podemos aplicar uma tensão positiva à porta;
Que aumente o número de elétrons livres do canal;
Corrente da porta = de fuga, desprezível;
Resistência de entrada da ordem de 10.000 MΩ a 10.000.000 MΩ.
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MOSFET-D – Tipo Depleção - Curvas
Curva de Dreno
– Região de saturação;
– Região ativa;
– Região de corte;
– Região de ruptura.
Curva de Transcondutância
– A equação para qualquer JFET é:
– A curva é um trecho de parábola;
– Ponto Q --- VGS = 0 e ID = IDSS;
MOSFET-D – Tipo Depleção - Polarização
 Polarização zero;
 Como o Mosfet
Mosfet’ss opera no modo depleção todos os métodos de polarização do
Jfet’s podem ser usados:
– Polarização da porta;
– Autopolarização;
– Por Divisor de Tensão;
– Por Fonte de Corrente.
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MOSFET-D – Tipo Depleção - Aplicações
 Se a impedância de entrada de um Jfet não for suficientemente alta, podemos
usar um Mosfet;
– Como Buffer;
 Como Amplificadores GC;
 Baixo ruído;
 Mosfet com porta dupla para amplificadores cascode, que equivale a amp. GC e
um SC.
– Usado para altas frequências, devido sua baixa capacitância de entrada;
– Circuito de RF.
MOSFET-E – Tipo Intensificação - Funcionamento
Esse Mosfet conduz somente no modo de intensificação;
É amplamente usado como uma chave porque é
normalmente desligada.
Criando a camada de inversão
•Quando VGS = 0 o substrato p tem apenas alguns elétrons, portadores minoritários,
ID = 0;
•A porta e o substrato são como duas placas de capacitor separados por um
dielétrico (SiO2);
•Um potencial positivo na porta joga elétrons livres no substrato p, que
recombinam com lacunas adjacentes do dióxido de silício;
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MOSFET-E – Tipo Intensificação - Funcionamento
•Quanto a porta é suficientemente positiva e todas as lacunas adjacentes estão
recombinadas, ela passa a formar um canal fino entre a fonte e o dreno (camada de
inversão tipo n);
•Os elétrons livres começam a fluir da fonte para o dreno.
Tensão de Limiar (threshold)
•É a mínima tensão VGS que cria a camada de inversão tipo n;
•Quando VGS < VGS(limiar) a corrente de dreno ID = 0;
• VGS(limiar) pode variar de 1V a mais de 3V.
MOSFET-E – Tipo Intensificação - Curvas
Curva de Dreno
– Região ôhmica
(saturação - principal uso);
– Região ativa = fonte de corrente;
– Região de corte;
– Região de ruptura.
Curva de Transcondutância
– A equação é diferente da anterior:
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ID = k[VGS – VGS(limiar)
(
)] ;
– k = constante que depende do Mosfet;
– Exemplo: 0,008 = K(5 - 3)2 = 4K;
– k = 0,002;
– Portanto: ID = 0,002(VGS – 3)2;
– A curva é um trecho de parábola.
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MOSFET – Tensão de Ruptura
Os Mosfet’s dos tipo depleção e de intensificação, têm uma camada fina de
dióxido de silício, justamente para dar à porta maior controle sobre ID;
Por esse fato ela é facilmente destruída por uma tensão excessiva;
Por exemplo, um 2N7000 tem uma especificação de VGS(max) = ± 20 V;
Pode-se destruir essa camada de maneira mais sutis:
• Inserindo ou retirando o Mosfet de um circuito ainda energizado;
• Ou ppegando
g
neles,, eletricidade estática.
Por isso frequentemente eles são embalados com anéis metálicos em volta de
seus terminais, que são retirados depois de ter sido ligado ao circuito;
Alguns Mosfet’s são protegidos por diodos zener interno, o que reduz a alta
resistência de entrada.
MOSFET-E – Tipo Intensificação - Polarização
 Quando o Mosfet’s operam no modo intensificação nem todos os métodos de
polarização do Jfet’s podem ser usados:
– Polarização da porta;
– Por Divisor de Tensão.
 Polarização por realimentação do dreno;
• Como IG ≈ 0, não aparece nenhuma tensão através de RG;
• Portanto VGS = VDS(ligado);
• Se ID(ligado) aumenta, VDS(ligado) diminui.
Isto reduz VGS. O que compensa parcialmente o
aumento inicial em ID(ligado);
• Ponto Q → RD.
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MOSFET-E – Amplificador cc
 Opera sempre até a frequência zero, sem perda de ganho;
• Não é necessário capacitores de acoplamento;
• A tensão quiescente de saída é 0 V.
MOSFET-E – Tipo Intensificação – Como chave
 Os circuitos que utilizam o transistor como fonte de corrente são chamados:
circuitos lineares, circuito analógicos etc.
 Os circuitos que utilizam o transistor como chave são chamados: Circuito de
chaveamento, circuito digital ou circuito lógico.
Os Mosfet’s tipo intensificação são mais indicados para circuitos digitais.
– Pelo seu baixo consumo;
– Pequeno espaço de ocupação numa pastilha.
 Região ôhmica:
RDS(lig) = VDS(lig)
ID(lig)
 Por esta razão são usados na fabricação de microprocessodores, memórias e em
outros dispositivos.
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MOSFET-E – Tipo Intensificação – Como chave
 Amplificador amostra e mantém
– O Jfet ou o Mosfet pode funcionar como chave, em derivação ou série com a carga;
– O Mosfet tipo Intensificação é conveniente porque normalmente está desligado;
– A constante de tempo de carga é pequena porque rds(ligado) é pequeno;
– Já a constante de tempo de descarga depende de RL;
– Fazendo RL suficientemente grande o capacitor pode manter sua carga durante um
longo tempo;
– Usados em conversores.
MOSFET-E – Tipo Intensificação – Como chave
 Carga Ativa
– Por causa da polarização por realimentação do dreno;
– rds(ligado) é 10 vezes maior do que rds(ligado) de Q2;
– Superior
S
i funciona
f i
como resistor;
i
– O inferior como chave.
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MOSFET-E – Tipo Intensificação – Como chave
 Inversor CMOS
– Circuitos MOS complementares (CMOS);
– Quando um componente está ligado;
– O outro esta ddesligado
li d e vice-versa;
i
– A tensão de saída é sempre oposta a da entrada;
– Circuitos em séria → corrente fuga (nanoampéres).
MOSFET-E – Tipo Intensificação - VMOS
 Mosfet convencional
 Canal Vertical - VMOS
– Duas Fontes;
ID
– Substrato age como dreno;
– Quando
Q d VGS > VGS(limiar);
– Forma-se dois canais mais largos;
– ID é muito maior;
– Antes não podiam competir com as especificações de potência dos TBJ;
– Amplificadores de áudio, de RF, etc.
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MOSFET-E – Tipo Intensificação - VMOS
 Vantagens
• TBJ - Deriva térmica
– Um
U aumento
t na ttemperatura;
t
– Abaixa VBE o que provoca um aumento e IC;
– Que por sua vez produz um aumenta maior na temperatura;
– Se a dissipação de calor for inadequada, o transistor é danificado.
• VMOS - Ausência de deriva térmica
– Coeficiente térmico negativo;
– À medida que a temperatura aumenta ID diminui;
– O que reduz a dissipação.
MOSFET-E – Tipo Intensificação - VMOS
 Vantagens
• TBJ – Não podem ser ligados em paralelos
– Sua
S queda
d em VBE não
ã se ajusta;
j t
– O TBJ que tiver VBE mais baixo tem IC maior.
• VMOS - Podem ser ligados em paralelos
– Coeficiente térmico negativo;
– As correntes são aproximadamente
p
iguais.
g
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MOSFET-E – Tipo Intensificação - VMOS
 Vantagens
• TBJ – Velocidade de chaveamento
– Saturação;
S t
ã
– Tempo de atraso de saturação.
• VMOS – Maior velocidade de chaveamento
– Não existe cargas extras estocadas;
– Pode sair da saturação qquase imediatamente;
– De 10 a 100 vezes mais rápido que o TBJ.
MOSFET-E – VMOS – Aplicações
 Amplificador Classe C
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MOSFET-E – VMOS – Aplicações
 Interface
p
de baixa ppotência e uma carga
g de alta
• Um buffer entre um dispositivo
potência.
MOSFET-E – VMOS – Aplicações
 Interface
p
de baixa ppotência e uma carga
g de alta
• Um buffer entre um dispositivo
potência.
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