Transistores de efeito de campo de porta isolada (MOSFET)

O transistor de efeito de campo de porta isolada (IGFET), também conhecido como Metal Oxide Field Effect Transistor (MOSFET), é um derivado do transistor de efeito de campo (FET). Hoje, a maioria dos transistores são do tipo MOSFET como componentes de circuitos integrados digitais. Embora BJTs discretos sejam mais numerosos do que MOSFETs discretos. A contagem de transistores MOSFET dentro de um circuito integrado pode se aproximar de centenas de um milhão. As dimensões dos dispositivos MOSFET individuais estão abaixo de um mícron, diminuindo a cada 18 meses. MOSFETs muito maiores são capazes de comutar quase 100 amperes de corrente em baixas tensões; alguns suportam quase 1000 V em correntes mais baixas. Esses dispositivos ocupam uma boa fração de um centímetro quadrado de silício. Os MOSFETs encontram uma aplicação muito mais ampla do que os JFETs. No entanto, os dispositivos de alimentação MOSFET não são tão amplamente usados ​​como os transistores de junção bipolar no momento.

Operação MOSFET

O MOSFET tem terminais de fonte, porta e dreno como o FET. No entanto, o condutor do gate não faz uma conexão direta com o silício em comparação com o caso do FET. A porta MOSFET é uma camada metálica ou de polissilício sobre um isolador de dióxido de silício. O portão tem uma semelhança com um Metal Oxide Semiconductor (MOS) capacitor na figura abaixo. Quando carregadas, as placas do capacitor assumem a polaridade de carga dos respectivos terminais da bateria. A placa inferior é de silício tipo P, a partir do qual os elétrons são repelidos pelo terminal negativo (-) da bateria em direção ao óxido e atraídos pela placa superior positiva (+). Esse excesso de elétrons perto do óxido cria um canal invertido (excesso de elétrons) sob o óxido. Este canal também é acompanhado por uma região de depleção que isola o canal do substrato de silício em massa.



Capacitor MOS de canal N:(a) sem carga, (b) carregado.

Na Figura abaixo (a) o capacitor MOS é colocado entre um par de difusões do tipo N em um substrato do tipo P. Sem carga no capacitor, sem polarização na porta, as difusões do tipo N, a fonte e o dreno, permanecem eletricamente isolados.



MOSFET do canal N (tipo de aprimoramento):(a) polarização de porta 0 V, (b) polarização de porta positiva.

Uma polarização positiva aplicada à porta carrega o capacitor (a porta). O portão no topo do óxido recebe uma carga positiva da bateria de polarização do portão. O substrato tipo P abaixo da porta assume uma carga negativa. Uma região de inversão com excesso de elétrons se forma abaixo do óxido de porta. Esta região agora conecta a fonte e as regiões do tipo N de drenagem, formando uma região N contínua da fonte ao dreno. Assim, o MOSFET, assim como o FET, é um dispositivo unipolar. Um tipo de portador de carga é responsável pela condução. Este exemplo é um MOSFET de canal N. A condução de uma grande corrente da fonte ao dreno é possível com uma tensão aplicada entre essas conexões. Um circuito prático teria uma carga em série com a bateria drenada na Figura acima (b).

E-MOSFET

O MOSFET descrito acima na Figura acima é conhecido como um Modo de Melhoria MOSFET. O canal não condutor, desligado, é ligado aumentando o canal abaixo da porta pela aplicação de uma polarização. Este é o tipo de dispositivo mais comum. O outro tipo de MOSFET não será descrito aqui. Veja o capítulo sobre transistor de efeito de campo de porta isolada para o modo de depleção dispositivo.

O MOSFET, assim como o FET, é um dispositivo controlado por voltagem. Uma entrada de tensão para a porta controla o fluxo de corrente da fonte para o dreno. O portão não puxa uma corrente contínua. Porém, o portão puxa uma onda de corrente para carregar a capacitância do portão.

A seção transversal de um MOSFET discreto de canal N é mostrada na Figura abaixo (a). Dispositivos discretos são geralmente otimizados para comutação de alta potência. O N + indica que a fonte e o dreno são fortemente dopados do tipo N. Isso minimiza as perdas resistivas no caminho de alta corrente da fonte ao dreno. O N- indica dopagem leve. A região P sob a porta, entre a fonte e o dreno, pode ser invertida pela aplicação de uma tensão de polarização positiva. O perfil de dopagem é uma seção transversal, que pode ser disposta em um padrão de serpentina na matriz de silício. Isso aumenta muito a área e, consequentemente, a capacidade de manuseio atual.



MOSFET de canal N (tipo de melhoria):(a) Seção transversal, (b) símbolo esquemático.

O símbolo esquemático do MOSFET na Figura acima (b) mostra uma porta “flutuante”, indicando que não há conexão direta com o substrato de silício. A linha tracejada da fonte ao dreno indica que este dispositivo está desligado, não conduzindo, com polarização zero na porta. Um MOSFET normalmente “desligado” é um dispositivo de modo de aprimoramento. O canal deve ser aprimorado pela aplicação de uma polarização à porta para condução. A extremidade "apontando" da seta do substrato corresponde ao material do tipo P, que aponta para um canal do tipo N, a extremidade "não apontada". Este é o símbolo de um MOSFET de canal N. A seta aponta na direção oposta para um dispositivo de canal P (não mostrado). Os MOSFETs são quatro dispositivos terminais:fonte, porta, dreno e substrato. O substrato é conectado à fonte em MOSFETs discretos, tornando a parte embalada um dispositivo de três terminais. Os MOSFETs, que fazem parte de um circuito integrado, têm o substrato comum a todos os dispositivos, a menos que sejam isolados propositalmente. Esta conexão comum pode ser ligada fora da matriz para conexão a um aterramento ou tensão de polarização da fonte de alimentação.

V-MOS

Transistor “V-MOS” de canal N:(a) Seção transversal, (b) símbolo esquemático.



O V-MOS dispositivo em (Figura acima) é um MOSFET de energia aprimorado com o perfil de dopagem disposto para fonte no estado inferior para drenar a resistência. O VMOS leva o nome da região da porta em forma de V, que aumenta a área da seção transversal do caminho fonte-dreno. Isso minimiza as perdas e permite a comutação de níveis mais elevados de potência. UMOS, uma variação que usa uma ranhura em forma de U, é mais reproduzível na fabricação.

REVER:

• MOSFETs são dispositivos de condução unipolar, condução com um tipo de portador de carga, como um FET, mas ao contrário de um BJT.
• Um MOSFET é um dispositivo controlado por tensão como um FET. Uma entrada de tensão de porta controla a fonte para drenar a corrente.
• A porta MOSFET não consome corrente contínua, exceto vazamento. No entanto, um aumento considerável de corrente inicial é necessário para carregar a capacitância da porta.

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