Entendendo IGFETs Tipo Depleção: Projeto, Operação e Análise SPICE

Transistores de efeito de campo de gate isolado (IGFETs) são dispositivos unipolares, muito como JFETs: a corrente controlada flui inteiramente dentro de um único tipo de semicondutor, então nenhuma junção PN é cruzada pela corrente.

Dentro do dispositivo, uma junção PN existe exclusivamente para formar a região de depleção não condutora que limita corrente através do canal. A junção em si nunca conduz corrente.

Símbolo Esquemático e Diagrama Físico

Abaixo está esquemático de IGFET tipo depleção canal-N:

Note como os terminais fonte e dreno ligam a cada extremidade do canal tipo-N, enquanto o gate conecta a uma placa metálica separada por fina barreira isolante — comumente dióxido de silício, componente principal da areia. Esta construção Metal-Óxido-Semicondutor (MOS) é por que muitos IGFETs também são chamados MOSFETs, embora "IGFET" descreva melhor toda a classe de dispositivos gate isolado.

IGFETs modernos usualmente ligam o substrato à fonte internamente, resultando em dispositivo três terminais. O esquemático abaixo reflete esta configuração comum:

Como substrato e fonte são eletricamente comuns, nenhuma tensão pode ser aplicada através da junção PN interna. Consequentemente, a região de depleção não pode ser expandida ou colapsada como em JFET; em vez disso, a operação do IGFET depende do deslocamento daquela região de depleção relativa ao gate.

IGFET Canal-N

Aplicar tensão positiva ao gate relativo à fonte repele a região de depleção, alargando o canal tipo-N e aumentando condutividade:

Inverter polaridade atrai região de depleção, estreitando canal e reduzindo condutividade:

O gate isolado permite qualquer polaridade de tensão de controle sem risco de polarização direta da junção interna — preocupação que limita JFETs. Embora rotulado "tipo depleção", o dispositivo pode ser tanto depletado (canal estreitado) quanto realçado (canal expandido) dependendo da polaridade da tensão gate-fonte.

Para prever o efeito, combine dopagem do semicondutor do canal (tipo-N ou P) com sinal da tensão de fonte. Para dispositivo canal-N, gate positivo e fonte negativa realçam canal acumulando elétrons no lado do canal do dielétrico. Se polaridades invertidas, elétrons são removidos do canal, depletando-o e baixando condutividade.

IGFET Canal-P

Dispositivos canal-P obedecem mesmo princípio, mas polaridade requerida é invertida. As imagens abaixo ilustram a polarização:

Com tensão gate-fonte zero, IGFET tipo depleção conduz entre fonte e dreno, mas não em capacidade total — diferente de transistores bipolares, que são normalmente desligados, ou JFETs, que são normalmente ligados. Em efeito, comporta-se como dispositivo meio-ligado.

Como gate é isolado, IGFET tolera tensões gate-fonte de qualquer polaridade. Junção PN é protegida, e conexão direta fonte-substrato previne qualquer diferencial de tensão através da junção.

Notavelmente, comportamento de condução de IGFET tipo-D assemelha-se ao de tubos a vácuo iniciais, onde tensão de grade podia tanto suprimir quanto realçar fluxo de elétrons entre cátodo e anodo.

Simulação SPICE de IGFET Tipo-D

As seguintes execuções SPICE ilustram natureza de regulação de corrente de IGFET tipo depleção.

Primeiro, com gate curto-circuitado à fonte (0 V) e alimentação varrida de 0 V a 50 V, corrente de dreno estabiliza em 10 µA regulados sobre toda faixa:

n-channel igfet characteristic curve m1 1 0 0 0 mod1 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end 

Aplicando tensão de gate negativa de –0,5 V enquanto varre alimentação novamente reduz corrente de dreno regulada para 2,5 µA:

n-channel igfet characteristic curve m1 1 3 0 0 mod1 vin 0 3 dc 0.5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end 

Inversamente, tensão de gate positiva de +0,5 V aumenta corrente para 22,5 µA:

n-channel igfet characteristic curve m1 1 3 0 0 mod1 vin 3 0 dc 0.5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end 

Estes resultados confirmam relação não-linear entre tensão gate-fonte e corrente de dreno, análoga à vista em JFETs. Tensão depleting de cerca de –1 V pode beliscar canal, reduzindo corrente de dreno virtualmente a zero. Tensão exata de pinch-off varia com especificações de cada dispositivo.

Curva Característica do IGFET

Plotando múltiplas curvas características para diferentes tensões de gate resulta em padrão similar à família de curvas de JFET:

PLANILHA RELACIONADA:

• Planilha de Transistores de Efeito de Campo de Gate Isolado