O que é um transistor MOSFET?
MOSFET, abreviação de Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (Transistor de Efeito de Campo de Semicondutor de Óxido Metálico), é um componente eletrônico comumente usado em circuitos eletrônicos como um interruptor ou amplificador para controlar o fluxo de alta tensão e alta corrente. É um tipo de transistor composto por uma porta metálica, uma camada de óxido e um canal semicondutor.
Quem inventou o transistor MOSFET?
Em 1959, D. Kahng e Martin Atalla, da Bell Labs, revolucionaram o mundo da eletrônica com a invenção do transistor MOSFET. Essa invenção revolucionária possibilitou a miniaturização dos componentes eletrônicos, abrindo caminho para o circuito integrado e o computador moderno. Embora a invenção em si fosse revolucionária, o processo de sua invenção também foi fascinante.
Kahng e Atalla começaram sua pesquisa sobre o MOSFET estudando primeiro as propriedades das estruturas de semicondutor de óxido metálico (MOS). Usando uma técnica chamada deposição química de vapor (CVD), eles conseguiram depositar uma fina camada de dióxido de silício sobre um substrato de silício. Essa camada de dióxido de silício atuava como um isolante entre as duas camadas condutoras da estrutura MOS.
O próximo passo no processo foi fabricar o MOSFET. Ao introduzir um dopante na camada isolante, Kahng e Atalla conseguiram criar um canal entre as duas camadas condutoras. Esse canal foi então conectado a uma porta, o que permitiu que a eletricidade fluísse através do MOSFET quando acionado. Isso tornou possível controlar o fluxo de corrente através do transistor com uma entrada de tensão.
Por fim, Kahng e Atalla testaram sua invenção para garantir que funcionasse corretamente. Eles descobriram que o MOSFET era capaz de ligar e desligar a corrente rapidamente, o que o tornava ideal para uso em computadores e outros dispositivos eletrônicos. Graças à sua pesquisa e trabalho árduo, o transistor MOSFET tornou-se parte integrante da eletrônica moderna.
Estrutura do MOSFET
Um transistor de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico (MOSFET) consiste em uma porta metálica, uma camada de óxido e um semicondutor, com a camada de óxido normalmente feita de dióxido de silício. O material da porta é geralmente substituído por silício policristalino em vez de metal. A estrutura forma um capacitor, com a camada de óxido servindo como dielétrico e a capacitância determinada pela espessura da camada de óxido e pela constante dielétrica do dióxido de silício. A porta de silício policristalino e o semicondutor de silício formam os dois terminais do capacitor MOS. Além da estrutura do capacitor, uma estrutura MOSFET completa inclui uma fonte e um dreno para fornecer portadores majoritários e aceitá-los, respectivamente.
Símbolo do circuito MOSFET
O símbolo do circuito para o transistor MOSFET comumente usado em circuitos eletrônicos consiste em uma linha vertical representando o canal, duas linhas paralelas próximas ao canal representando a fonte e o dreno, e uma linha perpendicular à esquerda representando a porta. A linha do canal também pode ser representada por uma linha tracejada para diferenciar entre MOSFETs de modo de enriquecimento e de modo de esgotamento.
Os transistores MOSFET são dispositivos de quatro terminais, consistindo nos terminais fonte, dreno, porta e bulk ou corpo. A direção da seta que se estende do canal ao terminal bulk indica se o MOSFET é um dispositivo do tipo p ou n, com a seta sempre apontando do lado P para o lado N. Se a seta apontar do canal para o gate, ela representa um MOSFET do tipo p ou PMOS, enquanto a direção oposta representa um MOSFET do tipo n ou NMOS. Em circuitos integrados, o terminal bulk é comumente compartilhado, portanto sua polaridade não é indicada, enquanto um círculo é frequentemente adicionado ao terminal gate do PMOS para distingui-lo do NMOS.
Como funciona o transistor MOSFET?
O princípio básico de funcionamento de um transistor de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico (MOSFET) consiste em controlar a formação e a condutividade de um canal através da aplicação de uma tensão ao elétrodo de porta, regulando assim a corrente que flui entre os elétrodos de dreno e fonte. O MOSFET é composto por três elétrodos: a porta, a fonte e o dreno. Existe uma camada de óxido isolante entre os elétrodos de porta e fonte, e o canal é formado por baixo desta camada na superfície do semicondutor.
Quando uma tensão positiva é aplicada ao portão, os buracos na superfície do semicondutor abaixo do portão são repelidos, criando uma camada de inversão carregada negativamente. A camada de inversão tem uma concentração de elétrons maior do que a concentração de buracos, formando uma camada condutora do tipo n chamada canal. Quando uma tensão é aplicada entre o dreno e a fonte, a corrente flui através do canal para o dreno. A condutividade e a densidade de carga do canal podem ser moduladas pela magnitude e polaridade da tensão da porta, permitindo que o MOSFET funcione como um interruptor de corrente controlável.
Tipos de MOSFET
De acordo com a polaridade do seu canal, os transistores MOSFET podem ser divididos em: MOSFET de canal N e MOSFET de canal P. Além disso, de acordo com a amplitude da tensão da porta, podem ser divididos em: tipo de esgotamento e tipo de reforço.
MOSFET de canal N com realce
Um MOSFET de canal N de reforço é comumente usado em circuitos eletrônicos para fins de comutação e amplificação. É chamado de MOSFET de reforço porque requer uma tensão positiva na porta para ativar o canal, e é chamado de canal N porque tem um tipo de portador negativo.
MOSFET de esgotamento de canal N
Um MOSFET de esgotamento de canal N é composto por camadas de materiais semicondutores que foram dopados com impurezas específicas para criar um canal que transporta corrente. O canal já está formado quando nenhuma tensão é aplicada ao terminal da porta. Isso significa que o MOSFET está em seu modo de "esgotamento" quando nenhuma energia é aplicada. Quando uma tensão é aplicada à porta, ela reduz a região de esgotamento, permitindo que a corrente flua através do canal.
MOSFET de canal P com realce
Um MOSFET de reforço de canal P é um tipo de MOSFET que utiliza um substrato de canal P para permitir o fluxo de elétrons entre os terminais de fonte e dreno. Quando uma tensão é aplicada ao terminal de porta de um MOSFET de reforço de canal P, cria-se um campo elétrico que atrai buracos com carga positiva (em oposição aos elétrons com carga negativa num MOSFET de canal N) para o canal, permitindo que a corrente flua entre os terminais de fonte e dreno.
MOSFET de esgotamento do canal P
Um MOSFET de esgotamento de canal P opera controlando o fluxo de portadores de carga negativa (elétrons) em um canal semicondutor. Ao contrário dos MOSFETs de canal N, que são construídos com uma porta carregada positivamente que atrai portadores de carga negativa, os MOSFETs de canal P são construídos com uma porta carregada negativamente que repele portadores de carga positiva (buracos). Em um MOSFET de esgotamento, o canal semicondutor é dopado com impurezas que criam uma região de esgotamento, que atua como uma barreira resistiva ao fluxo de corrente. Ao aplicar uma tensão ao gate, a região de esgotamento pode ser ampliada ou reduzida, controlando o fluxo de corrente através do canal.
Onde o MOSFET é utilizado?
Os dispositivos semicondutores conhecidos como transistores MOSFET são amplamente utilizados em sistemas automotivos, industriais e de comunicação. No campo da eletrônica automotiva, os transistores MOSFET de potência servem como dispositivos de comutação comuns em unidades de controle eletrônico e conversores de energia para veículos elétricos modernos. Além disso, os transistores MOSFET também podem ser usados como interruptores ou amplificadores em várias aplicações, como fontes de alimentação, controles de motor, reguladores de tensão, microcontroladores, circuitos lógicos digitais e amplificadores de áudio.
Especificamente, os transistores MOSFET podem ser usados em fontes de alimentação de computadores e televisores para converter energia CA de alta tensão em energia CC de baixa tensão; em circuitos de controle de motores para regular a velocidade dos motores; em amplificadores de áudio para amplificar sinais de baixo nível para sinais de alto nível; e em inversores solares, eles são frequentemente usados para converter a energia CC gerada por painéis solares em energia CA para uso residencial e comercial.
Nos últimos anos, com a melhoria do desempenho dos transistores MOSFET, cada vez mais circuitos integrados de processamento de sinais analógicos também estão adotando transistores MOSFET, além do campo de processamento de sinais digitais (como microprocessadores e microcontroladores). Em circuitos digitais, os transistores MOSFET são usados principalmente na invenção de circuitos lógicos complementares de semicondutores de óxido metálico, que quase não têm perda de energia estática e podem economizar corrente e consumo de energia. Nos circuitos lógicos CMOS, cada driver de porta lógica e cada estágio das portas lógicas precisam apenas enfrentar o mesmo transistor MOSFET, tornando-os mais fáceis de acionar. Nos circuitos analógicos, alguns parâmetros de desempenho dos transistores MOSFET no projeto de circuitos foram bastante aprimorados, como transcondutância, força motriz de corrente e ruído. Portanto, os transistores MOSFET são agora amplamente utilizados em circuitos analógicos, tais como amplificadores, filtros, osciladores, amplificadores de potência e fontes de alimentação comutadas.
MOSFET vs BJT
Existem muitas diferenças entre o transistor MOSFET e o transistor BJT. Aqui está uma tabela comparativa entre eles.
| No. | Characteristics | BJT | MOSFET |
|---|---|---|---|
| 1 | Transistor Type | Bipolar Junction Transistor | Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor |
| 2 | Classification | NPN BJT and PNP BJT | P-channel MOSFET and N-channel MOSFET |
| 3 | Port | Base, Emitter, Collector | Gate, Source, Drain |
| 4 | Symbol |  |  |
| 5 | Charge Carrier | Both electrons and holes serve as charge carriers in BJT | Either electrons or holes serve as charge carriers in MOSFET |
| 6 | Control Mode | current-controlled | oltage-controlled |
| 7 | Input Current | milliamps/microamps | picoamps |
| 8 | Switching Speed | BJT is lower: maximum switching speed is close to 100KHz | MOSFET is higher: maximum switching frequency is 300KHz |
| 9 | Input Impedance | low | high |
| 10 | Output Impedance | low | medium |
| 11 | Temperature Coefficient | BJT has a negative temperature coefficient and cannot be connected in parallel | MOSFET has a positive temperature coefficient and can be connected in parallel |
| 12 | Power Consumption | high | low |
| 13 | Frequency Response | poor | good |
| 14 | Current Gain | BJT has low and unstable current gain: the gain can decrease once the collector current increases. If the temperature increases, the gain can also increase | MOSFET has high current gain and is almost stable for changing drain current |
| 15 | Secondary breakdown | BJT has a second breakdown limit | MOSFET has a safe operating area similar to BJT but does not have a second breakdown limit |
| 16 | Static Electricity | Static discharge is not a problem in BJT | Static discharge can be a problem in MOSFET and can lead to other issues |
| 17 | Cost | cheaper | more expensive |
| 18 | Application | low-current applications such as amplifiers, oscillators, and constant current circuits | high-current applications such as power supplies and low-voltage high-frequency applications |
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