Transistor de Efeito de Campo MOSFET: Estrutura e Funcionamento

TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO FET O transistor de efeito de campo metal óxido semicondutor conhecido como MOSFET MetalOxideSemiconductor FieldEffect Transistor é um dispositivo eletrônico utilizado em amplificadores circuitos digitais e outras aplicações eletrônicas Ele foi inventado na década de 1960 e se tornou uma peça fundamental na fabricação de circuitos integrados O MOSFET é um dispositivo construído por três camadas que consiste em um substrato de silício dopado uma camada fina de óxido de silício e uma camada de metal A camada de metal é utilizada para criar um campo elétrico que controla o fluxo de elétrons através do substrato A camada de óxido de silício é utilizada como um isolante elétrico entre o metal e o substrato Cada camada do MOSFET está conectada a um terminal portanto ele é um dispositivo de três terminais os quais são nominados dreno drain porta gate e fonte source O dreno e a fonte são os terminais pelos quais a corrente circula no dispositivo O gate é onde o campo elétrico é aplicado para controlar a corrente nos outros dois terminais A partir do modo de construção do MOSFET é possível fazer o controle de corrente que passa pelo dispositivo de modo que ele pode ser utilizado para controlar as demais partes do circuito Existem dois tipos de MOSFET canal N e canal P Na Figura 1 estão apresentadas as simbologias do MOSFET canal N e MOSFET canal P bem como a indicação dos seus respectivos terminais Figura 1 MOSFET canal P e canal N Fonte Disponível em httpsbitly3LLQq0D Acesso em 20 jan 2023 O MOSFET canal N tem um substrato de silício dopado com impurezas do tipo N sendo estes os seus portadores de carga majoritário O MOSFET canal P tem um substrato dopado com impurezas do tipo P sendo estes os seus portadores de carga majoritários A camada de metal é utilizada para criar um campo elétrico que controla o fluxo de elétrons no MOSFET canal N e o fluxo de lacunas no MOSFET canal P O funcionamento do MOSFET é baseado em um efeito conhecido como efeito de campo Quando uma tensão é aplicada ao gate porta um campo elétrico é criado na camada de óxido de silício Esse campo elétrico controla o fluxo de elétrons através do substrato Quando a tensão aplicada ao gate é positiva o canal é aberto e a corrente elétrica pode fluir entre o dreno e a fonte Quando a tensão aplicada ao gate é zero ou negativa o canal é fechado e não há fluxo de corrente elétrica Tipos de MOSFET Existem vários tipos de MOSFET cada um com suas próprias características e aplicações Vamos ver alguns dos tipos mais comuns MOSFET de canal N Este é o tipo mais comum de MOSFET e é usado em muitas aplicações incluindo amplificadores de áudio e fontes de alimentação Ele tem um substrato dopado com impurezas do tipo N e é controlado por um campo elétrico aplicado ao gate MOSFET de canal P Este é o oposto do MOSFET de canal N com um substrato dopado com impurezas do tipo P Ele é usado em algumas aplicações como na proteção de curtocircuito de baterias de íonlítio MOSFET de duplo canal Este tipo de MOSFET tem dois canais um de canal N e outro de canal P É usado em aplicações como em circuitos integrados de alta velocidade e em aplicações de comutação de alta potência Regiões de Operação O MOSFET possui três regiões de operação distintas que são determinadas pela polarização dos seus terminais Essas regiões são corte tríodo e saturação Região de corte Quando a tensão entre o gate e a fonte VGS é menor do que o limite de tensão de limiar Vth o MOSFET se encontra na região de corte e não há fluxo de corrente entre o drain e a fonte ID 0 Nesta região o MOSFET se comporta como um circuito aberto Região de tríodo Quando a tensão entre o gate e a fonte VGS é maior que o limite de tensão de limiar Vth e menor que a tensão de saturação VDSat o MOSFET se encontra na região de tríodo Nesta região o MOSFET comportase como um resistor controlado por tensão e a corrente ID é proporcional à tensão VDS O MOSFET opera como um amplificador de baixa potência nesta região Região de saturação Quando a tensão entre o gate e a fonte VGS é maior que o limite de tensão de limiar Vth e a tensão VDS é maior que a tensão de saturação VDSat o MOSFET se encontra na região de saturação Nesta região o MOSFET opera como um interruptor e a corrente ID é limitada pelo resistor de carga conectado entre o drain e a fonte A resistência RDSon é a resistência do MOSFET quando ele está na região de saturação e é determinada pelo projeto do componente Na figura 2 está apresentado o gráfico da curva característica de funcionamento do MOSFET e a identificação das suas regiões de operação para diferentes valores de Vgs aplicados Figura 2 Curva característica do MOSFET Fonte Disponível em httpsbitly42aTXfX Acesso em 22 jan 2023 A região de operação do MOSFET é determinada pela tensão entre o gate e a fonte VGS e pela tensão entre o drain e a fonte VDS Quando a tensão VGS é menor do que Vth o MOSFET se encontra na região de corte e não há corrente ID Quando VGS é maior do que Vth o MOSFET entra na região de tríodo e ID é proporcional a VDS Quando VGS é ainda maior o MOSFET entra na região de saturação e ID é limitado pelo resistor de carga conectado entre o drain e a fonte A escolha adequada da região de operação do MOSFET é importante para obter o melhor desempenho em cada aplicação Aplicações do MOSFET O MOSFET é amplamente utilizado em diversas aplicações eletrônicas tais como Amplificadores de áudio O MOSFET é um dos componentes eletrônicos mais usados em amplificadores de áudio Ele é capaz de fornecer amplificação de sinal de áudio de alta qualidade e baixo ruído Fontes de alimentação O MOSFET é utilizado em fontes de alimentação especialmente em fontes chaveadas para controlar o fluxo de corrente elétrica e fornecer uma tensão constante aos dispositivos eletrônicos Conversores de potência O MOSFET é usado em conversores de potência tais como inversores e retificadores para controlar o fluxo de corrente elétrica e converter a energia elétrica de uma forma para outra Controladores de motores O MOSFET é usado em controladores de motores tais como em motores de corrente contínua DC e motores de corrente alternada AC para controlar o fluxo de corrente elétrica e fornece um controle preciso da velocidade e direção do motor Circuitos digitais O MOSFET é amplamente usado em circuitos digitais tais como em microprocessadores memórias e outros circuitos lógicos Ele é capaz de fornecer chaveamento rápido e eficiente permitindo que circuitos digitais funcionem com alta velocidade e baixo consumo de energia Aplicação em Circuitos Digitais O MOSFET é amplamente utilizado em circuitos digitais como inversores portas lógicas flipflop registradores contadores entre outros A operação do MOSFET como um circuito digital é baseada na sua capacidade de operar como um interruptor controlado por tensão e sua região de saturação é utilizada para representar os estados lógicos 1 e 0 Um circuito digital é composto por um ou mais MOSFETs conectados em uma topologia específica que é projetada para realizar uma função lógica específica Cada MOSFET em um circuito digital é projetado para funcionar na região de corte ou saturação dependendo do estado lógico do circuito Em um circuito digital simples como um inversor um MOSFET é utilizado para inverter o estado lógico de um sinal de entrada Quando a entrada é 1 o MOSFET está na região de saturação e o sinal de saída é 0 Quando a entrada é 0 o MOSFET está na região de corte e o sinal de saída é 1 O inversor pode ser facilmente construído usando um MOSFET e um resistor de carga conectados em série entre a fonte de alimentação e a terra As portas lógicas como AND OR e NOT são construídas utilizando múltiplos MOSFETs em uma topologia específica Em uma porta AND por exemplo dois ou mais MOSFETs são conectados em série entre a fonte de alimentação e a terra e a saída é conectada entre os MOSFETs Quando todos os MOSFETs estão na região de saturação a saída é 1 Quando um ou mais MOSFETs estão na região de corte a saída é 0 Portas OR são construídas com MOSFETs conectados em paralelo enquanto portas NOT são construídas com apenas um MOSFET Os flipflop e registradores são circuitos digitais que armazenam informações binárias Eles são construídos com um conjunto de MOSFETs conectados de forma a permitir a armazenagem e recuperação de informações Em um flipflop D por exemplo dois inversores são conectados em série formando um loop de realimentação Um MOSFET é adicionado à entrada do primeiro inversor e outro MOSFET é adicionado à saída do segundo inversor A entrada de dados é conectada ao gate do primeiro MOSFET e a saída é conectada à saída do segundo MOSFET Quando o sinal de clock é aplicado ao gate do segundo MOSFET a saída é atualizada para refletir o valor da entrada Os contadores digitais são circuitos que contam impulsos de clock e geram sinais de saída correspondentes Eles são construídos com uma série de flipflop conectados em cascata de modo que a saída de um flipflop é conectada à entrada de clock do próximo Quando o sinal de clock é aplicado os flipflop armazenam e atualizam os valores binários gerando uma sequência de saídas correspondentes REFERÊNCIAS BOJORGE NINOSKA Diagrama de Bode Departamento de Engenharia Química e de Petróleo UFF Disponível em httpsbitly3M9EAyI Acesso em 20 de abril de 2023 BOYLESTAD NASHELSKY L Dispositivos Eletrônicos e Teoria dos Circuitos São Paulo Pearson 2004 DA LUZ ALESSANDRO LUCINDO Operação Flexível de Conversores Trifásicos Conectados à Rede Elétrica Dissertação Mestrado Universidade Estadual Paulista Faculdade de Engenharia Bauru 2017 LIMA MANOEL EUSEBIO Eletrônica Introdução à filtros ativos Disponível em httpsbitly3HUmfDd Acesso em 20 de abril de 2023 MALVINO ALBERT P Eletrônica São Paulo McGrawHill 1995 RAZAVI B Fundamentos de Microeletrônica Rio de Janeiro LTC Grupo Gen 2010 SEDRA A SMITH K Microeletrônica São Paulo Pearson 2007 UFRGS Filtros Eléctricos Disponível em httpsbitly42kbdj0 Acesso em 21 de abril de 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