O MOSFET

Os MOSFET operam da mesma forma que os JFET, mas possuem um terminal de portão eletricamente isolado do canal condutor.

Assim como o transistor de efeito de campo de junção (JFET), existe outro tipo de transistor de efeito de campo disponível cuja entrada de porta é eletricamente isolada do canal principal de transporte de corrente e, portanto, é chamada de transistor de efeito de campo de porta isolada .

O tipo mais comum de portão isolado FET, usado em muitos tipos diferentes de circuitos eletrônicos, é chamado de transistor de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico ou MOSFET .

O IGFET ou MOSFET é um transistor de efeito de campo controlado por tensão que difere de um JFET, pois possui um eletrodo Gate "Oxido de Metal" que é eletricamente isolado do canal n ou canal p semicondutor principal por uma camada muito fina de material isolante geralmente dióxido de silício, vulgarmente conhecido como vidro.

Esse eletrodo de porta de metal com isolamento ultra fino pode ser considerado como uma placa de um capacitor. O isolamento da porta de controle torna a resistência de entrada do MOSFET extremamente alta na região dos mega-ohms ( MΩ ), tornando-a quase infinita.

Como o terminal do portão é eletricamente isolado do canal principal de transporte de corrente entre o dreno e a fonte, “Nenhuma corrente flui para o portão” e, assim como o JFET, o MOSFET também atua como um resistor controlado por tensão, onde a corrente flui através do canal principal entre o dreno e a fonte é proporcional à tensão de entrada. Também como o JFET, os MOSFETs com resistência de entrada muito alta podem acumular facilmente grandes quantidades de carga estática, resultando no MOSFET sendo facilmente danificado, a menos que seja manuseado ou protegido com cuidado.

Como no tutorial anterior do JFET, os MOSFETs são três dispositivos terminais com um Gate , Drain e Source e os MOSFETs de canal P (PMOS) e N-channel (NMOS) estão disponíveis. A principal diferença dessa vez é que os MOSFETs estão disponíveis em duas formas básicas:

1. Tipo de esgotamento   - o transistor requer a tensão da fonte de porta ( V GS ) para desligar o dispositivo. O MOSFET do modo de depleção é equivalente a uma chave "Normalmente fechada".
2. Tipo de aprimoramento   - o transistor requer uma tensão de fonte de porta ( V GS ) para ligar o dispositivo. O modo de aprimoramento MOSFET é equivalente a um comutador "Normalmente aberto".

Os símbolos e a construção básica para ambas as configurações de MOSFETs são mostrados abaixo.

Os quatro símbolos MOSFET acima mostram um terminal adicional chamado Substrato e normalmente não são usados ​​como conexão de entrada ou saída, mas são usados ​​para aterrar o substrato. Ele se conecta ao canal semicondutor principal, por meio de uma junção de diodo, ao corpo ou à guia de metal do MOSFET.

Geralmente em MOSFETs do tipo discreto, esse fio de substrato é conectado internamente ao terminal de origem. Nesse caso, como nos tipos de aprimoramento, ele é omitido do símbolo para esclarecimento.

A linha no símbolo MOSFET entre as conexões de dreno (D) e fonte (S) representa o canal semicondutor dos transistores. Se essa linha de canal for uma linha contínua sólida, ela representa um MOSFET do tipo “Depleção” (normalmente LIGADO), pois a corrente de drenagem pode fluir com potencial de polarização zero da porta.

Se a linha do canal for mostrada como uma linha pontilhada ou quebrada, ela representa um MOSFET do tipo “Aprimoramento” (normalmente DESLIGADO), pois a corrente de drenagem zero flui com potencial de porta zero. A direção da seta apontando para esta linha de canal indica se o canal condutor é um dispositivo semicondutor do tipo P ou do tipo N.

Estrutura e símbolo básicos do MOSFET

A construção do Metal Oxide Semiconductor FET é muito diferente da do Junction FET. Os MOSFETs do tipo Depleção e Aprimoramento usam um campo elétrico produzido por uma tensão de porta para alterar o fluxo de portadores de carga, elétrons para o canal n ou orifícios para o canal P, através do canal semicondutor da fonte de drenagem. O eletrodo da porta é colocado no topo de uma camada isolante muito fina e há um par de pequenas regiões do tipo n logo abaixo dos eletrodos de drenagem e fonte.

Vimos no tutorial anterior, que o portão de um transistor de efeito de campo de junção, JFET, deve ser enviesado de forma a reverter a polarização inversa da junção pn. Com um dispositivo MOSFET de porta isolada, essas limitações não se aplicam, portanto é possível influenciar a porta de um MOSFET em polaridade, positiva ( + ve ) ou negativa ( -ve ).

Isso torna o dispositivo MOSFET especialmente valioso como interruptores eletrônicos ou para criar portas lógicas porque, sem viés, eles normalmente não são condutores e essa alta resistência de entrada de porta significa que é necessária muito pouca ou nenhuma corrente de controle, pois os MOSFETs são dispositivos controlados por tensão. Os MOSFETs do canal p e do canal n estão disponíveis em duas formas básicas, o tipo de aprimoramento e o tipo de esgotamento .

MOSFET no modo de depleção

O MOSFET no modo de esgotamento , que é menos comum que os tipos de modo de aprimoramento, é normalmente ligado (conduzindo) sem a aplicação de uma tensão de polarização do portão. Esse é o canal que ocorre quando V GS  = 0, tornando-o um dispositivo "normalmente fechado". O símbolo do circuito mostrado acima para um transistor MOS de depleção usa uma linha de canal sólido para significar um canal condutor normalmente fechado.

Para o transistor MOS de depleção de canal n, uma tensão negativa na porta-fonte, -V GS esgotará (daí o nome) o canal condutor de seus elétrons livres, desligando o transistor. Da mesma forma, para um transistor MOS de depleção de canal p, uma tensão de fonte de porta positiva, + V GS esgotará o canal de seus orifícios livres, desativando-o.

Em outras palavras, para um modo de depleção de canal n, MOSFET: + V GS significa mais elétrons e mais corrente. Enquanto um -V GS significa menos elétrons e menos corrente. O oposto também é verdadeiro para os tipos de canal p. Então, o modo MOSFET de depleção é equivalente a uma chave "normalmente fechada".

MOSFET de canal N em modo de depleção e símbolos de circuito

O MOSFET do modo de depleção é construído de maneira semelhante aos seus equivalentes de transistor JFET, onde o canal da fonte de drenagem é inerentemente condutor dos elétrons e orifícios já presentes no canal do tipo n ou do tipo p. Esse doping do canal produz um caminho condutor de baixa resistência entre o Dreno e a Fonte, sem viés de Gate .

MOSFET no modo de aprimoramento

O MOSFET ou eMOSFET do modo de aprimoramento mais comum é o inverso do tipo do modo de depleção. Aqui, o canal condutor é levemente dopado ou mesmo não dopado, tornando-o não condutor. Isso resulta no dispositivo sendo normalmente “OFF” (não condutor) quando a tensão de polarização do portão, V GS é igual a zero. O símbolo do circuito mostrado acima para um transistor MOS de aprimoramento usa uma linha de canal quebrada para significar um canal não condutor normalmente aberto.

Para o transistor MOS de aprimoramento de canal n, a corrente de drenagem fluirá somente quando uma tensão de porta ( V GS ) for aplicada ao terminal de porta maior que o nível de tensão limite ( V TH ) em que a condutância ocorre, tornando-o um dispositivo de transcondutância.

A aplicação de uma tensão de porta positiva ( + ve ) a um eMOSFET do tipo n atrai mais elétrons para a camada de óxido ao redor da porta, aumentando ou melhorando (daí o nome) a espessura do canal, permitindo que mais corrente flua. É por isso que esse tipo de transistor é chamado de dispositivo no modo de aprimoramento, pois a aplicação de uma tensão de porta aprimora o canal.

Aumentando esta tensão da porta positivo fará com que a resistência do canal para diminuir ainda mais a causar um aumento na corrente de dreno, I D através do canal. Em outras palavras, para um modo de aprimoramento de canal n, o MOSFET: + V GS liga o transistor, enquanto um zero ou -V GS desativa o transistor. Assim, o MOSFET no modo de aprimoramento é equivalente a um comutador "normalmente aberto".

O inverso é verdadeiro para o transistor MOS de aprimoramento de canal p. Quando V GS  = 0, o dispositivo está “OFF” e o canal está aberto. A aplicação de uma tensão de porta negativa ( -ve ) ao eMOSFET do tipo p aprimora a condutividade dos canais, ativando-o. Em seguida, para um modo de aprimoramento de canal p, MOSFET: + V GS desativa o transistor, enquanto -V GS ativa o transistor.

MOSFET de canal N no modo de aprimoramento e símbolos de circuito

Os MOSFETs no modo de aprimoramento são excelentes interruptores eletrônicos devido à sua baixa resistência “ON” e resistência “OFF” extremamente alta, bem como sua resistência de entrada infinitamente alta devido à sua porta isolada. Os MOSFETs no modo de aprimoramento são usados ​​em circuitos integrados para produzir Portas Lógicas do tipo CMOS e circuitos de comutação de energia na forma de portas PMOS (canal P) e NMOS (canal N). O CMOS realmente significa MOS Complementar, o que significa que o dispositivo lógico possui PMOS e NMOS em seu design.

O amplificador MOSFET

Assim como o transistor Junction Field Effect anterior, os MOSFETs podem ser usados ​​para criar circuitos de amplificador classe A de estágio único, com o amplificador de fonte comum MOSFET de canal n do modo de aprimoramento sendo o circuito mais popular. Os amplificadores MOSFET do modo de depleção são muito semelhantes aos amplificadores JFET, exceto que o MOSFET tem uma impedância de entrada muito maior.

Essa alta impedância de entrada é controlada pela rede resistiva de polarização de porta formada por R1 e R2 . Além disso, o sinal de saída para o amplificador MOSFET de fonte comum do modo de aprimoramento é invertido porque, quando V G está baixo, o transistor é desligado e V D (Vout) é alto. Quando V L é alta o transistor está na posição “ON” e V D (Vout) é baixo, como mostrado.

Amplificador MOSFET de canal N em modo de aprimoramento

A polarização DC deste circuito amplificador MOSFET de fonte comum (CS) é praticamente idêntica ao amplificador JFET. O circuito MOSFET é polarizado no modo classe A pela rede divisora ​​de tensão formada pelos resistores R1 e R2 . A resistência de entrada CA é fornecida como R IN  = R G  = 1MΩ .

Os transistores de efeito de campo de semicondutores de óxido de metal são três dispositivos ativos terminais feitos de diferentes materiais semicondutores que podem atuar como isolador ou condutor pela aplicação de uma pequena tensão de sinal.

A capacidade do MOSFET de mudar entre esses dois estados permite que ele tenha duas funções básicas: "comutação" (eletrônica digital) ou "amplificação" (eletrônica analógica). Os MOSFETs podem operar em três regiões diferentes:

• 1. cut-off Região    - com V GS  <V limiar  a tensão da porta-fonte é muito menor do que a tensão de limiar transistores de modo que o transistor MOSFET é comutado “totalmente OFF”, portanto, I D  = 0 , com o transistor agindo como um interruptor aberto, independentemente do valor do V DS .
• 2. Região linear (ôhmica)    - com limiar V GS  > V  e V DS  <V GS, o transistor está em sua região de resistência constante se comportando como uma resistência controlada por tensão cujo valor resistivo é determinado pela tensão de porta, nível V GS .
• 3. Região de Saturação    - com o limite V GS  > V e V DS  > V GS, o transistor está em sua região de corrente constante e, portanto, está "totalmente ligado". A corrente de drenagem I D  = Máxima com o transistor atuando como uma chave fechada.

Resumo do Tutorial sobre MOSFET

O transistor de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico, ou MOSFET , tem uma resistência de porta de entrada extremamente alta, com a corrente fluindo através do canal entre a fonte e o dreno, sendo controlada pela tensão da porta. Devido a essa alta impedância e ganho de entrada, os MOSFETs podem ser facilmente danificados pela eletricidade estática se não forem protegidos ou manuseados com cuidado.

Os MOSFET são ideais para uso como interruptores eletrônicos ou como amplificadores de fonte comum, pois seu consumo de energia é muito pequeno. As aplicações típicas para transistores de efeito de campo semicondutores de óxido metálico estão em microprocessadores, memórias, calculadoras e portas lógicas CMOS etc.

Além disso, observe que uma linha pontilhada ou quebrada no símbolo indica um tipo de aprimoramento normalmente "OFF", mostrando que a corrente "NO" pode fluir através do canal quando a tensão de fonte de porta zero V GS é aplicada.

Uma linha contínua ininterrupta dentro do símbolo indica um tipo de esgotamento normalmente "ON", mostrando que a corrente "CAN" flui através do canal com tensão de porta zero. Para os tipos de canal p, os símbolos são exatamente os mesmos para os dois tipos, exceto que a seta aponta para fora. Isso pode ser resumido na seguinte tabela de comutação.

Tipo MOSFET	V GS  = + ve	V GS  = 0	V GS  = -ve
Depleção de canal N	EM	EM	FORA
Aprimoramento de canal N	EM	FORA	FORA
Depleção do canal P	FORA	EM	EM
Aprimoramento do canal P	FORA	FORA	EM

Portanto, para os MOSFETs de aprimoramento do tipo n, uma tensão de porta positiva liga o transistor e, com tensão de porta zero, o transistor fica na posição “OFF”. Para um MOSFET de aprimoramento de canal p, uma tensão de porta negativa ativará o transistor e, com tensão de porta zero, o transistor será desativado. O ponto de tensão no qual o MOSFET começa a passar a corrente através do canal é determinado pela tensão limite V TH do dispositivo.

No próximo tutorial sobre transistores de efeito de campo, em vez de usar o transistor como um dispositivo de amplificação, veremos a operação do transistor em suas regiões de saturação e corte quando usado como um comutador de estado sólido. Os interruptores transistorizados de efeito de campo são usados ​​em muitas aplicações para ligar ou desligar uma corrente CC, como LEDs, que requerem apenas alguns miliamperes em baixas tensões CC ou motores que exigem correntes mais altas em tensões mais altas.