O Transistor MOSFET

Introdução

Os transistores são dispositivos eletrônicos compostos por cristais semicondutores cuja função é atuar como um condutor somente em condições especificas. Foram os principais elementos que desencadearam a revolução tecnológica da década de 1960.

Os MOSFET’s são transistores de efeito de campo, compostos por camadas de metal, um óxido e um semicondutor, geralmente sendo de silício (Si), germânio (Ge) ou uma liga entre os dois. Nos transistores comuns, o controle exercido na base é  feito pela corrente, já no MOSFET este controle é exercido pela tensão aplicada no gate. Dentre os transistores de efeito de campo, são os mais utilizados em circuitos eletrônicos.

Os MOSFET’s foram primeiro idealizados por Julius Edgar Lilienfeld em 1925, mais tarde, em 1930, foram patenteados por ele. Possuem 4 terminais sendo que apenas 3 são acessíveis e um é conectado à fonte.

O Funcionamento é bastante simples, a tensão entre o terminal da fonte e o do dreno é dada em função da tensão entre a fonte e o gate, essa propriedade especial dos MOSFET’s fazem com que eles sejam bastante utilizados em amplificadores operacionais e em tipos especiais de circuito, onde atuam como resistores, devido à queda de tensão gerada.

O que é um transistor

Um transistor é um componente eletrônico de corrente continua.  Ele é composto por 3 cristais semicondutores geralmente  de silício ou germânio cuja função é atuar como um amplificador de sinal. Diferente de outros elementos de circuito ele possui 3 terminais coletor base e emissor. A base funciona como uma espécie de controle para o transistor onde uma corrente aplicada na base acaba fazendo passar uma corrente entre o coletor e o emissor.

A razão entre a corrente no emissor e a corrente na base é chamada ganho de corrente. Em função desse ganho de corrente os transistores são amplamente usados em amplificadores como, por exemplo, em microfones onde um a pequena tensão aplicada na base de um transistor acaba gerando uma grande corrente.

Os principais tipos de transistores são o Transistor Bipolar, e o MOSFET.

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História dos MOSFET’s

O JFET foi concebido por Julius Lilienfeld em 1925 e patenteado por ele mesmo em 1930.

[pic 2]

Em 1947, os pesquisadores do Bell Labs Bardeen, Brattain e Schockley estavam tentando construir um JFET, quando descobriram o transistor bipolar de junção acidentalmente.

Em 1959, os pesquisadores Damon Kahng e Martin M. Atalla, também dos Laboratórios Bell, desenvolveram um novo tipo de transistor de efeito de campo, denominado Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET). 

Uma das razões que motivaram seu desenvolvimento é que os transistores bipolares têm limitações. Ele é um dispositivo controlado por tensão , que é uma extremamente rápida sob a pequena corrente necessária para estrangular ou libertar o dispositivo de canal . Por este poder que eles são amplamente utilizados em comutação. Sua velocidade permite que as fases de concepção , com grandes larguras de banda , minimizando, assim, o que é chamado distorção de fase . Foi teoricamente concebido pelo alemão Julius Edgar Lilienfeld von em 1930, mas devido a problemas tecnológicos e falta de conhecimento sobre como os elétrons na superfície de semicondutores não poderia ser fabricados até décadas mais tarde se comportar. Especificamente, para esses dispositivos para funcionar corretamente, a interface entre o substrato dopado e o isolamento deve ser perfeitamente lisa e possível sem defeitos . Isso é algo que apenas poderia ser atingido mais tarde , com o desenvolvimento da tecnologia de silício.

[pic 3]

Funcionamento

O MOSFET é composto por 4 terminais, são eles o dreno, a fonte, a porta (gate) e o substrato (corpo), entre o gate e o corpo existe uma camada metálica e um óxido (daí em o nome dado ao transistor ), geralmente de Silício ou germânio, dependendo do semicondutor que compõe o cristal. O cristal é composto por 2 camadas ‘N’ intercaladas com uma camada ‘P’. O controle no MOSFET é exercido pelo gate na tensão entre ele e a fonte. Diferentemente do Transistor bipolar, o MOSFET atua por meio do campo elétrico exercido entre seus terminais e não pelo fluxo de elétrons entre eles, isso dá ao MOSFET uma velocidade maior que o BJT, já que dentro de um condutor, as linhas de campo propagam-se na velocidade da luz. Bem como os BJT’s, os MOSFET’s possuem zonas de atuação, são elas a de corte, a de saturação e a zona ôhmica, todas análogas às zonas do BJT. Vejamos agora as suas especificações:

1. Zona de corte: [pic 4]

A tensão  representa a tensão entre o gate e a fonte (source), já   representa a tensão de Threshold, que representa o limite mínimo de condução do MOSFET. Nessa região, o transistor atua como um circuito aberto onde não circula nenhuma corrente, exceto algumas correntes de inversão.[pic 5][pic 6]

1. Zona de Saturação:  e [pic 7][pic 8]

A tensão representa tensão entre o dreno e a fonte. Isso permite que o MOSFET atue com uma diferença de potencial entre o dreno e a fonte. Isso permite que ele atue como um resistor, controlando a tensão de saída.[pic 9]

Nesse caso, a corrente que flui entre o dreno e a fonte é:

1. Zona Ôhmica: e [pic 10][pic 11]

A partir desse ponto, a corrente que circula entre os terminais do dreno e da fonte se torna independente da tensão no gate.

Nessa zona de atuação do MOSFET, a corrente do dreno é:

[pic 12]

[pic 13]Como podemos ver, as zonas de atuação são análogas ao BJT. Nesse caso a zona de corte, a zona de saturação e a zona ôhmica dos MOSFET’s são análogas às zonas de corte, ativa e de saturação do BJT.

Agora vejamos a diferença entre o MOSFET e os JFET’s:

Nos JFET’s a junção PN formada pela entre o canal e o substrato não poderá ser polarizada diretamente, evitando assim o surgimento de uma corrente excessiva através do terminal gate, que consequentemente irá trazer uma queda acentuada na impedância de entrada. Nos MOSFET’s de depleção esse tipo de situação não ocorre, pois o terminal gate é isolado do canal pela camada de óxido, independentemente da polaridade dos terminais. Dessa forma, os MOSFET’s de depleção tipo P a aplicação de um potencial negativo á porta irá provocar um aumento na corrente , uma vez que nessa situação a região de depleção no interior do canal é diminuída substancialmente.[pic 14]