MOSFET – Transistor de Efeito de Campo de Metal-Oxido-Semicondutor
O MOSFET, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ou FET tem um filme de óxido entre o portão e o canal para aumentar a impedância de entrada e reduzir a corrente geral do circuito.
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Nosso tutoral de FETs, Transistores de Efeito de Campo, inclui:
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O MOSFET ou transistor de efeito de campo semicondutor de óxido metálico é uma forma de FET que oferece uma impedância de entrada extremamente alta.
A entrada da porta tem uma camada de óxido isolando-a do canal e, como resultado, sua resistência de entrada é de muitos MΩ.
O MOSFET tem várias características diferentes em comparação com o FET de junção e, como resultado, pode ser usado em várias áreas diferentes e é capaz de fornecer excelente desempenho.
Uma área específica em que a tecnologia MOSFET é usada é nos circuitos integrados de lógica CMOS. A impedância de entrada extraordinariamente alta significa que esses circuitos são capazes de consumir níveis de energia muito baixos e isso significa que altos níveis de integração podem ser alcançados.
desenvolvimento MOSFET
O conceito do MOSFET é conhecido há muitos anos, mas eles só se tornaram importantes em meados da década de 1960.
Um dos maiores problemas experimentados com o desenvolvimento inicial de MOSFETs foi associado ao desenvolvimento das camadas de óxido isolante. Os problemas só foram superados quando os materiais semicondutores e a tecnologia de processamento melhoraram. Como resultado, no final da década de 1960, a tecnologia MOSFET tornou-se mais difundida.
Atualmente, a tecnologia MOSFET é uma das técnicas de semicondutores mais amplamente utilizadas, tornando-se um dos principais elementos da tecnologia de circuitos integrados.
Símbolo do circuito MOSFET
Há uma variedade de símbolos de circuito diferentes usados para MOSFETs. Tendo em vista a variedade diferente de padrões usados, junto com os diferentes tipos de MOSFET, uma série de símbolos de circuitos MOSFET diferentes podem ser vistos.
Notas do símbolo do circuito MOSFET:
- O símbolo do circuito para o MOSFET básico (mostrado mais à esquerda) indica que o dispositivo possui um substrato em massa – isso é indicado pela seta na área central do substrato.
- Os símbolos do circuito MOSFET mostrados no centro e marcados como “enhancement no bulk semi” são válidos e usados com a mesma frequência. Eles indicam um MOSFET de aprimoramento que não possui semicondutor em massa.
- Os MOSFETs do modo de depleção são geralmente indicados conforme mostrado na seção mais à direita.
Os símbolos do circuito MOSFET para os tipos de canal P e canal N são exibidos. O dreno é mostrado na parte superior, pois geralmente é visto nos diagramas de circuito.
Parâmetros chave MOSFET
Antes de examinar a operação do MOSFET, vale a pena resumir alguns dos principais recursos associados à tecnologia MOSFET.
| PRINCIPAIS RECURSOS DO MOSFET | |
|---|---|
| RECURSO | DETALHES |
| Construção de portão | A porta é fisicamente isolada do canal por uma camada de óxido. As tensões aplicadas ao portão controlam a condutividade do canal como resultado do campo elétrico induzido capacitivamente através da camada dielétrica isolante. |
| canal N/P | Estão disponíveis variantes de canal N e canal P |
| Aprimoramento / esgotamento | Ambos os tipos de aprimoramento e esgotamento estão disponíveis. Como o nome sugere, o MOSFET do modo de depleção atua esgotando ou removendo as portadoras de corrente do canal, enquanto o tipo de aprimoramento aumenta o número de portadoras de acordo com a tensão da porta. |
Os MOSFETs podem ser caracterizados como N Channel e P-Channel. Cada um tem características diferentes:
| COMPARAÇÃO DOS PRINCIPAIS RECURSOS DOS MOSFETS DE CANAL N E CANAL P | ||
|---|---|---|
| PARÂMETRO | CANAL N | CANAL P |
| Material de origem/drenagem | Tipo N | Tipo P |
| material do canal | Tipo P | Tipo N |
| Tensão limite V th | negativo | dependente de doping |
| Substrato material | Tipo P | Tipo P |
| Portadores da camada de inversão | elétrons | Buracos |
Operação MOSFET: como funciona um MOSFET
Como outras formas de FET, a corrente que flui no canal do MOSFET é controlada pela tensão presente no gate. Como tal, os MOSFETs são amplamente utilizados em aplicações como interruptores e também amplificadores. Eles também são capazes de consumir níveis muito baixos de corrente e, como resultado, são amplamente utilizados em microprocessadores, circuitos lógicos integrados e similares. Os circuitos integrados CMOS usavam a tecnologia MOSFET.
Nota: Tendo em vista a estrutura do MOSFET – sua porta é isolada do canal por uma fina camada de óxido e isso significa que ele pode ser danificado por estática se não for manuseado da maneira correta, ou o circuito não o proteger adequadamente.
Também como outras formas de FET, o MOSFET está disponível em modo de depleção e variantes de modo de aprimoramento. O modo de aprimoramento é o que pode ser denominado normalmente OFF, ou seja, quando a tensão da fonte da porta V GS é zero e requer uma tensão da porta para ligá-la, enquanto a outra forma, os dispositivos do modo de exclusão estão normalmente LIGADOS quando V GS é zero .
Existem basicamente três regiões nas quais os MOSFETs podem operar:
- Região de corte: Nesta região o MOSFET está em um estado não condutor, ou seja, desligado – corrente de canal I DS = 0. A tensão de porta V GS é menor que a tensão limite necessária para condução.
- Região linear: Nesta região linear o canal está conduzindo e sendo controlado pela tensão da porta. Para o MOSFET ficar neste estado o V GS deve ser maior que a tensão limiar e também a tensão no canal, V DS deve ser maior que V GS .
- Região de saturação: Nesta região o MOSFET é ligado fortemente. A queda de tensão para um MOSFET é tipicamente menor do que a de um transistor bipolar e, como resultado, os MOSFETs de potência são amplamente usados para comutar grandes correntes.
| TIPO MOSFET | V GS +VE | V GS 0 | V GS -VE |
|---|---|---|---|
| Aprimoramento do Canal N | SOBRE | DESLIGADO | DESLIGADO |
| Depleção do Canal N | SOBRE | SOBRE | DESLIGADO |
| Aprimoramento do Canal P | DESLIGADO | DESLIGADO | SOBRE |
| Depleção do Canal P | DESLIGADO | SOBRE | SOBRE |
Estrutura MOSFET
Como já implícito, o fator chave do MOSFET é o fato de que o portão é isolado do canal por uma fina camada de óxido. Isso forma um dos elementos-chave de sua estrutura.
Para um dispositivo de canal N, o fluxo de corrente é transportado por elétrons e no diagrama abaixo pode ser visto que o dreno e a fonte são formados usando regiões N+ que fornecem boa condutividade para essas regiões.
Em algumas estruturas, as regiões N+ são formadas usando implantação de íons após a formação da área de porta. Desta forma, eles são auto-alinhados ao portão.
A sobreposição do portão para a fonte e do portão para o dreno é necessária para garantir que haja um canal contínuo. Além disso, o dispositivo geralmente é simétrico e, portanto, a fonte e o dreno podem ser trocados. Em alguns projetos de maior potência, isso nem sempre pode ser o caso.
Pode ser visto no diagrama que o substrato é do tipo oposto ao canal, ou seja, tipo P em vez de tipo N, etc. Isso é feito para obter isolamento de fonte e dreno.
O óxido sobre o canal normalmente cresce termicamente, pois isso garante uma boa interface com o substrato e o material de entrada mais comum é o polissilício, embora alguns metais e silicetos possam ser usados.
O modo de depleção tem uma estrutura ligeiramente diferente. Para isso, um canal separado do tipo N é configurado dentro do substrato.
Os FETs de canal P não são tão amplamente usados. A principal razão para isso é que os buracos não têm um nível de mobilidade tão alto quanto os elétrons e, portanto, o desempenho não é tão alto. No entanto, muitas vezes são necessários para uso em circuitos complementares, e é principalmente por esse motivo que são fabricados ou incorporados em CIs.
Os MOSFETs são possivelmente o dispositivo ativo mais amplamente utilizado. Como eles aparecem no CMOS e em outras tecnologias de circuito integrado, onde permitem operação com consumo de energia muito baixo – um requisito para integração em grande escala, caso contrário, o consumo de energia seria muito alto.
Eles não são usados apenas na tecnologia IC, mas também como componentes discretos, onde são capazes de oferecer níveis de impedância de entrada muito altos e também operação de baixo ruído em osciladores, amplificadores e muitos outros circuitos.
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