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22/06/2017
1
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA
ELETRÔNICA 1 - ET74C
Prof.ª Elisabete Nakoneczny Moraes
Aula 26 – TRANSISTOR DE
METAL ÓXIDO SEMICONDUTOR
DE EFEITO DE CAMPO-MOSFET
Curitiba, 23 de junho de 2017.
23 Jun 17 AT26- MOSFET 2
CONTEÚDO DA AULA
1. REVISÃO
2. ESTRUTURA CRISTALINA MOSFET
3. CARACTERÍSTICAS
4. FUNCIONAMENT0 TIPO DEPLEÇÃO
1. Modo depleção
2. Modo intensificação
5. FUNCIONAMENTO TIPO INTENSIFICAÇÃO
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2
1-Revisão: Classificação dos Transistores
23 Jun 17 AT26- MOSFET 3
TRANSISTORES
BIPOLARES(TJB)
NPN
PNP
UNIPOLARES
MOSFET
DEPLEÇÃO
CANAL N
CANAL P
ENRIQUECIMENTO
CANAL N
CANAL P
JFET
CANAL N
CANAL P
Transistor de junção bipolar
Transistor de junção
de efeito de campo
Transistor de metal
óxido semicondutor
de efeito de campo
Boylestad cap 5
Sedra cap 5
O mecanismo de controle do dispositivo é baseado na variação do campo elétrico estabelecido pela tensão aplicada no terminal de controle, no caso o terminal de porta (gate).
2-Diferença entre JFET e MOSFET
23 Jun 17 AT26- MOSFET 4
Transistor de efeito de campo de
junção (Junction Field Effect Transistor )
FET de metal óxido semicondutor
(Metal Oxide Semiconductor FET )
Sím
bo
loEst
rutu
ra c
rist
alin
a
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3
4-Curva característica de saída
23 Jun 17 AT26- MOSFET 5
1ª) VDD >0 e VGS (-VGG)=0
2ª) VGS = -VGG >= VP: Corte
3ª) |VP|≥ |VGG| ≥ 0
Família de curva característica de saída
ID = f(VDS)@VGS
Resumo das condições de operação
1-Revisão: Curva característica de saída
23 Jun 17 AT26- MOSFET 6
Família de curva característica de saída:
ID = f(VDS)@VGS
2
1
P
GSDSSD
V
VII
Variável de
controle
Variável de
saída
Constantes
datasheet
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4
23 Jun 17 AT26- MOSFET 7
2--Transistor de Efeito de Campo tipo MOS(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)
MOSFET
DEPLEÇÃO
TIPOMODO DE
OPERAÇÃO
DEPLEÇÃO
INTENSIFI
CAÇÃO
SÍMBOLO
CANAL P CANAL N
sheetdata
GSD
GSGS
D
GSGSD
onon
Thon
on
Th
VeI
VV
Ik
VVkI
2
2
FORMULAÇÃO
sheetdata
GSoffpDSS
p
GSDSSD
VVeI
V
VII
2
1
NÃO É VALIDA
equação de Shockley:
Equação de Shockley:
INTENSIFI
CAÇÃOINTENSIFI
CAÇÃO
INTENSIFICAÇÃO≡ ENRIQUECIMENTO
2-Estrutura cristalina do MOSFET canal N
23 Jun 17 AT26- MOSFET 8
Fonte: http://www.ufpi.br/subsiteFiles/zurita/arquivos/files/Eletronica-I_5-FET-parte-II-v1_01-prn.pdf
Substrato/Body/Bulk
(SS)
Porta/Gate
(G)
Dreno/Drain
(D)
Fonte/Source
(S)
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5
23 Jun 17 AT26- MOSFET 9
2-Estrutura cristalina simplificada Tipo Depleção canal N (Boylestad seção 5,7)
+
+
capacit
or
Metal
Óxido
Semicondutor
Óxido de silício isolante
s
í
m
b
o
l
o
3-Características elétricas do MOSFET
23 Jun 17 AT26- MOSFET 10
• Dispositivo controlado por tensão e requer uma pequena corrente de entrada.
• Canal entre D e S previamente formado.
• Elevada impedância de entrada na ordem de 1012 a 1015 .
• A elevada impedância da porta, não é afetada pela natureza da polarização.
• Menor dissipação de potência.
• É de fabricação simples e ocupa menos espaço. O MOSFET quando integrado
ocupa menos da área da pastilha ocupada pelo transistor bipolar.
• Problemas com descargas eletrostáticas cuidado no manuseio. tox ≈ m ou nm
Para ter uma noção da energia, uma pessoa chega a acumular uma carga de
12.000 volts em seu corpo ao caminhar sobre um carpete, sendo que apenas
10 volts seria o suficiente para danificar um microchip.
Crédito:http://www.tecmundo.com.br/ciencia/16339-tudo-o-que-voce-precisa-
saber-sobre-energia-estatica.htm
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6
3-Características construtivas-proteção do Gate
23 Jun 17 AT26- MOSFET 11
Os MOSFETs têm uma fina camada de dióxido de silício, característica construtiva
do componente o que lhe confere uma elevada impedância de entrada e
consequentemente impede a circulação de corrente de porta tanto para tensões
VGG positivas ou negativas.
Essa camada isolante é mantida tão fina o quanto possível para possibilitar o um
melhor controle sobre a corrente de dreno.
O simples ato de tocar no MOSFET pode depositar cargas estáticas suficientes
para que excedam a especificação de VGS máximo.
Proteção do terminal de porta
http://www.devicetec.com.br/esd.php
3-Características construtivas-proteção do Gate
23 Jun 17 AT26- MOSFET 12
Símbolo do MOSFET com a proteção contra descargas eletrostáticas e/ou
transiente de tensão/corrente.
Acrescido ao fato da eletricidade estática, tem-se outros dois fatores possíveis de
danificar a camada isolante:
✓ tensão porta-fonte excessiva;
✓ transiente de tensão causados pela retirada/colocação do componente com o
sistema ligado.
Para minimizar esse problema, alguns MOSFETs são protegidos utilizando de diodo
zener, encapsulado de fábrica, no terminal de porta.
Essa medida porém, traz o inconveniente de reduzir a impedância de entrada.
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4-Funcionamento MOSFET canal N – tipo Depleção
23 Jun 17 AT26- MOSFET 13
VGS=0V e VDS= VDD > 0V: O potencial positivo do dreno atrai os elétrons livres do canal N, estabelecendo um
fluxo de portadores majoritários, no caso IDS.
A existência de um canal semicondutor com a mesma dopagem
das regiões dreno e fonte, garante a condução mesmo na ausência
de polarização da porta (controle) normalmente ligado.
Canal pré
existente
4-Funcionamento MOSFET canal N – tipo Depleção
23 Jun 17 AT26- MOSFET 14
Como VDS >0V, as regiões N do dreno, fonte e canal são polarizadas reversamente
em relação ao substrato.
A medida que VDD aumenta, VDS também aumenta, de forma a estabelecer uma
camada de depleção.
Devido ao maior potencial estar na parte
superior do dispositivo, a região de
depleção é maior nas proximidades do
terminal de dreno.
Essa camada avança pela região do
substrato P e também no canal N.
O fluxo de portadores persiste,
circulando por uma área menor,
portanto, com elevada
densidadeIDSS para a condição
em que ocorre o estrangulamento
do canal ou seja: VDS = VP (pinch-off)
IDSS
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4-Funcionamento MOSFET canal N – tipo Depleção
23 Jun 17 AT26- MOSFET 15
MODO DEPLEÇÃO VGS<0VGS < 0V e VDS = VDD > 0V:
Assim como no JFET, a aplicação de tensões negativas em VGS, antecipará a
formação da região de depleção, de modo que o estrangulamento ocorrerá com
valores menores de VDS.
4-Funcionamento MOSFET canal N – tipo Depleção
23 Jun 17 AT26- MOSFET 16
MODO INTENSIFICAÇÃO VGS>0
Neste modo de operação, a tensão aplicada ao terminal da porta (VGS ) é positiva,
considerando o MOSFET de canal N.
e
e
e
e
e
e
Assim, os portadores minoritários, no caso
as lacunas do canal N previamente
formado serão repelidas.
Efeito semelhante ocorre com os
portadores minoritários do substrato, que
serão atraídos na direção do campo
elétrico resultante do potencial positivo
da porta.
Assim o canal N sofrerá um acréscimo no
número de portadores.
Tal cenário assemelha-se um aumento
do fluxo final dos portadores
majoritários entre D e S, portanto
houve um enriquecimento.
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4-Funcionamento MOSFET canal N – tipo Depleção
23 Jun 17 AT26- MOSFET 17
VGS > 0V e VDS= VDD > 0V:
2
1
p
GSDSSD
V
VII
Equação de Shockley:
Curva de Transferência
ID=f(VGS) Curva Característica
(família) – ID=f(VDS)
4-Funcionamento MOSFET canal N – tipo Depleção
23 Jun 17 AT26- MOSFET 18
•Canal previamente formado.
•Normalmente ligado.
•Equação de Shockley é válida.
2
1
p
GSDSSD
V
VII
•Opera nos modos.
✓ depleção: VGS < 0V (canal N)
✓ intensificação: VGS > 0V (canal N)
Canal N
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5-Funcionamento MOSFET canal N–tipo Intensificação
23 Jun 17 AT26- MOSFET 19
•Não há canal.
•Opera somente no modo intensificação (VGS>0V).
•Normalmente desligado.
•Terminal de porta com proteção (diodo zener) contra transientes de tensão.
•Mínima tensão que possibilita o fluxo de portadores entre D e S tensão de limiar
ou threshold (Vth).
•Equação de Shockley NÃO é válida.
Não há o canal previamente formado
5-Funcionamento MOSFET canal N–tipo Intensificação
23 Jun 17 AT26- MOSFET 20
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5-Funcionamento MOSFET canal N–tipo Intensificação
23 Jun 17 AT26- MOSFET 21
Formulação a ser usada:
Neste dispositivo a equação de Shockley não é válida!!
sheetdata
çõesespecificaVeI
VV
Ik
VVkI
onon
Thon
on
Th
GSD
GSGS
D
GSGSD
2
2
VGS th tensão de limiar ou threshold
canal N
5-Funcionamento MOSFET canal N–tipo Intensificação
23 Jun 17 AT26- MOSFET 22
A inexistência de um canal
semicondutor com a mesma
dopagem entre as regiões
dreno e fonte, impede o fluxo
de portadores de qualquer
natureza normalmente
desligado.
VGS =0V e VDS = VDD > 0V
R: intensifica a presença das
lacunas no canal, impedindo
qualquer estabelecimento do
fluxo de portadores entre D e S.
Efeito de VGS se ?
Assim sendo, o MOSFET tipo
intensificação NÃO opera no
modo depleção.
+
+
+
+
+
+
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5-Funcionamento MOSFET canal N–tipo Intensificação
23 Jun 17 AT26- MOSFET 23
VGS > 0V e VDS= VDD > 0V:
A medida com que VGS aumenta de
valor, a quantidade de cargas
acumuladas próximo ao óxido, torna-se
suficiente para estabelecer um canal de
condução tipo N, na forma de uma fina
camada de elétrons.
O valor de VGS que resulta
neste efeito é denominado
de tensão de threshold
(VT , Vth) ou de limiar (V).
O canal formado a partir dessa
condição é denominado de “canal
induzido” ou “canal de inversão”, por
ser gerado a partir da inversão de
uma região tipo P em tipo N.
e
e
e
e
e
MODO INTENSIFICAÇÃO VGS > 0
5-Resumo MOSFET canal N–tipo Intensificação
23 Jun 17 AT26- MOSFET 24
ee
e
e
e
VGS > 0V e VDS= VDD > 0V:
O valor de VGS que resulta na
formação do canal induzido é
denominado de tensão de threshold
(VT) ou de limiar.
Canal
induzido
e ??
VGS = 0V e VDS= VDD > 0V:
VGS=0V
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5-Funcionamento MOSFET canal N–tipo Intensificação
23 Jun 17 AT26- MOSFET 25
çõesespecificaVeI
VV
Ik
onon
Ton
on
GSD
GSGS
D
2
2TGSGSD VVkI
Curva de Transferência
ID=f(VGS)
Curva Característica
(família) – ID=f(VDS)
ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
23 Jun 17 AT26- MOSFET 26
1) Eletrônica de potência básica:
V< 2kV, I<1kA e f< 1kHz.
2) Comutação forçada: Inversores autô-
nomos a tiristor.
3) Altas correntes: I > 1kA.
4) Altas tensões: V >2kV.
5) Altas potências: V > 2kV e I > 1kA
6) Altas frequências: f> 1kHz
7) Minimização de peso e volume:
aeronáutica, aeroespacial.
8) Técnicas especiais de controle: fontes
chaveadas.
9) Filtragem: controle dos harmônicos de
tensão e correntes.
Visão geral da eletrônica de potência, segundo Ivo Barbi:
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MOSFET DE POTÊNCIA
23 Jun 17 AT26- MOSFET 27
MOSFET’s DE POTÊNCIA:
• Valores de tensão e corrente
nominais superiores aos
MOSFETs usado em pequenos
sinais.
• Velocidade de chaveamento
elevada e tempos de
chaveamento na ordem de 10-9 s.
• Baixas perdas de potência
durante o chaveamento.
• Aplicações em conversores de
alta frequência e baixa potência.
• Vantajoso por ser um dispositivo
de alta resposta operado por
tensão e mais compatível com o
interfaceamento a um
microprocessador. MCT=MOS-Controlled Thyristor
GTO=Gate Turn-Off Thyristor
TBP= Transistor Bipolar de Potência
Comparativo