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MOSFET

IFBA

MOSFET

CELET – Coordenação do Curso Técnico em EletrônicaProfessor: 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• Ao contrário do JFET a porta é isolada do canal.

• É um dispositivo sensível a tensão

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Tipo Depleção – normalmente ligado

MOSFET´s – estrutura e símbolos

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 corte;

– Região de ruptura.

Curva de Transcondutância

– A equação para qualquer JFET é:

A curva é um trecho de parábola;– A curva é um trecho de parábola;

– Ponto Q --- VGS = 0 e ID = IDSS;

MOSFET-D – Tipo Depleção - Polarização

Polarização zero;

Como o Mosfet’s opera no modo depleção todos os métodos de polarização do Como o Mosfet s 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; 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,

I = 0;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);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:

ID = k[VGS – VGS(limiar)]2;( )

– 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 pegando neles, eletricidade estática.p g ,

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.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 r é pequeno;– 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;

S i f i i– Superior funciona como resistor;

– 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 d li d i– O outro esta desligado e vice-versa;

– 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;

– Substrato age como dreno;

Q d V V

ID

– Quando 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

U t t t– Um aumento na temperatura;

– 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

S d V ã j t– Sua queda em VBE não se ajusta;

– O TBJ que tiver VBE mais baixo tem IC maior.

• VMOS - Podem ser ligados em paralelos

– Coeficiente térmico negativo;

– As correntes são aproximadamente iguais.p g

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MOSFET-E – Tipo Intensificação - VMOS

Vantagens

• TBJ – Velocidade de chaveamento

S t ã– Saturação;

– Tempo de atraso de saturação.

• VMOS – Maior velocidade de chaveamento

– Não existe cargas extras estocadas;

– Pode sair da saturação quase imediatamente;q

– 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

• Um buffer entre um dispositivo de baixa potência e uma carga de alta p p gpotência.

MOSFET-E – VMOS – Aplicações

Interface

• Um buffer entre um dispositivo de baixa potência e uma carga de alta p p gpotência.