Jonas Cleber, Eduardo Lemos, Murilo Gonçalves, Victor de Moura

Jonas Cleber, Eduardo Lemos, Murilo Gonçalves, Victor de Moura, Pedro
Felipe, Jair Xavier, Jadson Alves, Felipe Gonçalves, Venâncio Rodrigues
MOSFET
Características, Polarização, Aplicações e Exercícios
Aracaju
Agosto de 2011
Índice
Introduçao
MOSFET Características
MOSFET tipo depleção – Características
MOSFET tipo intensificação – Características
Polarização
Aplicações
Exercícios
Bibliografia
Introdução
Transistor de Efeito de Campo
FET é a sigla em inglês que designa a expressão “Field Effect
Transistor”, que tem por significado Transistor de Efeito de Campo, que como
sugere o nome, tem seu funcionamento através de efeito de um campo elétrico
de junção. Esse tipo de transistor possui muitas aplicações, como
amplificadores, como chaves, ou em controle de corrente sobre uma carga. A
principal característica desses componentes é a elevada impedância de
entrada, que varia de 1 a varias centenas de megaohms, permitindo sua
utilização como adaptador de impedâncias podendo substituir em alguns
casos transformadores, além disso são usados para amplificar frequências
altas com ganho que supera o dos transistores bipolares.
Neste Trabalho consideraremos uma de suas variações os MOSFET
MOSFET – Características
MOSFET , transistor de efeito de campo de semicondutor de metal oxido
(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). São de longe os
transistores de efeito de campo mais utilizados tanto em circuitos digitais
quanto analógicos pelos seguintes motivos:

Comparados com os BJT os MOS podem ser fabricados ocupando
muito menos espaço na pastilha de silício;

Seu processo de fabricação é muito mais simples;

Possuem consumo de energia inferior
Simbologia MOSFET
Zonas de Funcionamento
MOSFET de Tipo Depleção - Características
O MOSFET tipo depleção tem características semelhantes a um
JFET(EM QUAL CONFIGURAÇÃO?) no que se refere a corte e saturação de
IDSS . No entanto existe uma particularidade quanto às curvas características
que, nos transistores MOSFET, estendem-se até a região de polaridade oposta
de VGS.
Construção Básica
Ele é composto por uma parte de material “tipo n” com um região de
material “tipo 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”. (TÁ DIFÍCIL DE
ENTENDER A MENSAGEM)
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.
Curvas Características de MOSFET tipo Depleção
(NUNCA FUI BOM EM LER GRÁFICO ENTÃO NÃO ENTENDI )
MOSFET tipo intensificação - Características
Diferente do MOSFET tipo depleção(MOSFET-D) a curva característica
do MOSFET tipo intensificação(MOSFET-E), são bastantes diferentes e a
corrente que passa pelo dreno para esse dispositivo é nula antes a tensão
porta-fonte atingir determinado valor. E ainda nesse dispositivo de canal n é
realizado por uma tensão positiva porta-fonte, diferente do MOSFET tipo
depleção que o mesmo canal, acontece o controle por tensões negativas.
(DIFÍCIL DE ENTENDER O TEXTO)
Em sua construção basica o MOSFET-E se diferencia do
MOSFET-D, devido não haver um canal entre as regiões n, veja na figura
abaixo:
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.(DIFÍCIL DE ENTENDER O A MENSAGEM)
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.
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 os projetos exigindo transistores de efeito
de campo, é necessário tomar cuidado para saber as especificações do
transistor que se vai usar no projeto. Se for escolher um transistor do tipo JFET
e MOSFET-D, para os dois tipos é fundamental conhecer, IDSS (corrente
máxima) e VGS(off) tensão porta-fonte onde há desligamento do
transistor.(FALTA ALGUMA COISA)
Quando a escolha é por um transistor MOSFET-E, cabe a projetista
conhecer ID(on) (corrente inicia a operação), VGS(th) (tensão VGS de limiar,
mínimo valor para criar a camada de inversão tipo n) e VGS(on) ( tensão onde
inicia operação). Os MOSFETs possuem uma camada muito fina 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.
(ESSA PARTE TÁ MASSA, SÓ NÃO ACONSELHO USAR A
EXPRESSÃO “TENSÃO PORTA-FONTE” JÁ QUE NOS REFERIMOS À ELA
COMO “VGS”..E TB TALVEZ ADD EXEMPLOS DE QUANDO O USO DO
ZENNER É INDISPENSÁVEL.)
Curvas de dreno MOSFET tipo Intensificação
Um MOSFET-E tem como a curva mais baixa a de vGS(th) onde a corrente
de dreno é aproximadamente zero. Quando VGS for maior que VGS(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 VGS não for igual
à VGS(th) não haverá corrente no dreno. Após atingir VGS(th) a corrente de dreno
aumenta rapidamente até atingir a corrente de saturação ID(saturação).Depois
desse ponto o MOSFET fica polarizado na região ôhmica, mesmo aumentando
VGS a corrente ID não aumenta. Para garantir a saturação forte, é usada uma
tensão na porta de VGS(on) bem acima de VGS(th).
(FALTA LEGENDA DA FIGURA E UMA DEFINIÇÃO DE
“TRANSCONDUTÂNCIA”.
POLARIZAÇÃO
O termo polarização significa a aplicação de tensões DC em um circuito
para estabelecer valores fixos de corrente e tensão. O ponto de polarização (
ponto quiescente ) deve ser localizado na região de saturação e dentro dos
valores máximos permitidos.
(TEM CERTEZA QUE POLARIZAÇÃO É ISSO?SÓ SE REFERE A DC
MESMO. E QUANTO A AC? QUAL O NOME?)
Equações importantes no projeto do circuito de polarização:
Id = K(Vgs - Vt )²
Id = Is
Ig = 0
A equação da corrente de dreno pode fornecer dois valores de Vgs.
Desses valores apenas, um atenderá as condições para a polarização da
região de saturação, o outro valor não tem significado físico. Se os dois valores
de Vs não atenderem as condições, significa que o transistor não está em sua
região de saturação.
MOSFET - Polarização
MOSFET de Enriquecimento
Condução
(formação de
canal)
Saturação
(estrangulamento do canal, corrente
constante
e modulação do comprimento de canal)
Tríodo
(linear e
transição)
|VGS| > |Vt|
|VDS| > |VGS - Vt|
|VDS| < |VGS - Vt|
Condução Saturação
Tríodo
Enriquecimento
canal
n
VGS > Vt
Depleção
VDS > VGS Vt
VDS <
VGS - Vt
lVt
lambda
(V)
(V-1)
>
0
>0
<
0
Enriquecimento
canal
p
VGS < Vt
Depleção
VDS < VGS Vt
VDS >
VGS - Vt
<
0
<0
>
0
Resumo
1. Para sinais de entrada de amplitude muito baixa, um transistor FET pode
ser operado sem nenhuma polarização.
2. O circuito sem polarização funciona tanto para transistores. JFET como
para transistores MOSFET tipo redução.
3. Um transistor FET pode ser polarizado com uma bateria separada.
4. Um transistor FET pode ser polarizado com uma fonte de alimentação
separada.
5. Uma tensão de controle automático de volume (ou controle automático
de ganho) pode ser usada para polarizar um transistor FET.
6. Auto polarização pode ser usada com um transistor FET. Um resistor de
fonte é usado e sua operação é semelhante ao uso de um resistor de
polarização de catodo
para operação de uma válvula.
(ESSE TÓPICO “RESUMO” FICOU PAIA POW..TROQUE O NOME OU
ELABORE MAIS AWE.. )
Aplicações
As características desse componente nos permite a utilização do mesmo
de várias formas como por exemplo: amplificação de sinais, dispositivos
digitais, chaves. Abaixo se segue exemplos das três aplicações que foram
faladas anteriormente:
(COMO ASSIM DIPOSITIVOS DIGITAIS? FALTA EXEMPLOS POW..)
Amplificador de Sinais Sintonizado
A partir da tensão contínua aplicada em VI, é gerada uma diferença de
potencial que é responsável pela polarização do transistor. A depender de um
sinal recebido a frequência obtida em VDD é gerada uma amplificação se o seu
valor for menor que a ddp G-S (diferença de potencial entre G e S), se o valor
de VI for negativo e maior se o valor for positivo, e o sinal amplificado poderá
ser obtido em VO, senão será barrado pelo filtro passa-faixa que é constituído
por L,C e RL e o VO será igual a zero.
(QUEM SER VI? CASO SEJA “VI” USE DESSE MODO.. FICA MAIS
ORGANIZADO..)
O transistor usado acima é de enriquecimento e como foi explicado está
configurado para dar um ganho se a tensão corresponder a faixa.
Inversor Lógico CMOS
No circuito acima, temos a tensão mais baixa é igual à tensão de
referência e a tensão mais alta é igual a +VDD, sendo que esse circuito só
pode operar nesses dois valores Quando a tensão de entrada é alta, o
transistor Q1 está cortado(aberto) e Q2 está conduzindo(em curto), assim a
saída Vout assume o valor potencial de terra, no entanto, quando Vin assume
nível baixo Q1 liga e Q2 desliga, desta forma a saída assume o valor +VDD, e
portanto, tem-se uma tensão de saída invertida com relação à tensão de
entrada em ambos os casos.
Nesse arranjo é usado dois tipos de mosfet Q1 tipo PMOS e Q2 tipo
NMOS, os dois são de enriquecimento e foram configurados como chaves
que vão permitir a passagem ou não do VDD no caso de Q1 e GND no caso de
Q2.
Fonte chaveada em paralelo com Mosfet
No circuito anterior temos o pino gate do MOSFET ligado a saída do
pino cinco do CI 555 que corresponde ao CV(control voltage) que de acordo
com o circuito permite ou não a passagem de corrente fazendo com que o gate
seja energizado, ocorrendo uma diferença de potencial entre o gate e o source
do MOSFET com isso faz com que o MOSFET conduza (em curto) ativando o
resto do circuito snubber e quando o CV não energiza o gate com isso não
ocorre a diferença de potencial cortando o MOSFET(em aberto) não ativando o
resto do circuito. O MOSFET usado foi do tipo enriquecimento, mas está sendo
usado como uma chave de acionamento do circuito Snubber.
Exercícios
Exercício 1:
Para o MOSFET tipo depleção canal n da figura a seguir, determine:
Solução
(a) Para a curva de transferência, um ponto no gráfico é definido por:
= 3v/2 = - 1,5V
Considerando a nível de Vp e o fato de a equação de Shockley definir
uma curva que cresce mais rapidamente para VGS mais positivo, um ponto
no gráfico será definido em VGS = +1V. Substituindo:
Os pontos no gráfico e a reta de polarização resultante aparecem na figura
a cima.
O ponto de operação resultante:
(b)
Exercício 2:
Determine IDQ , VGSQ e VD para o seguinte circuito:
Solução
A configuração de autopolarização resulta em
Exercício 3:
Determine IDQ e VDSQ para o MOSFET tipo intensificação da figura a seguir:
Solução:
Traçando a curva de transferência: dois pontos são definidos imediatamente,
como mostra o gráfico 1. Resolvendo para K:
Como mostrado na figura a cima, para VGS = 10V (ligeiramente maior que
VGS(TH):
Aparecendo também na figura a cima, os quatro pontos são suficientes para
traçarem toda a curva na faixa de interesse.
Para a reta de polarização do circuito:
Exemplo 4
Determine IDQ ,VGSQ e vDS para o circuito da figura abaixo:
Solução
Circuito:
Quando ID=0mA,
Como mostrado na figura 2 do exemplo 4,quando VGS=0v
Como mostrado na figura 2 do exemplo 4.
Dispositivo:
e
Que é traçado no gráfico da Figura 2
Figura 2
Bibliografia
Sites:
http://www.dee.feb.unesp.br/~alceu/Grupo08.pdf
http://www.dee.ufcg.edu.br/~gutemb/Serie%20Exercicio%205_2008_2.pdf
http://www.dee.feb.unesp.br/~alceu/Grupo06.pdf ;
http://www.youtube.com/watch?v=OU6J50xC1sU&feature=related
Livros:
Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuito, 8ª Edição, Robert L.
Boylestad e Louis Nashelsky.