conteÚdo da aula -...

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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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1-Revisão: Classificação dos Transistores


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


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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4-Curva característica de saída


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


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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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


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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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


• 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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3-Características construtivas-proteção do Gate


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


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.

http://www.devicetec.com.br/esd.php

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4-Funcionamento MOSFET canal N – tipo Depleção


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



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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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.



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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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)



•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


•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



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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



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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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


ee

e

e

e


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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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


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


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

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