UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA ELETRÔNICA 1 - ET74C Prof.ª Elisabete Nakoneczny Moraes

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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

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1-Revisão: Classificação dos Transistores

TRANSISTORES BIPOLARES (TJB) NPN PNP UNIPOLARES MOSFET DEPLEÇÃO CANAL N CANAL P ENRIQUECI MENTO 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 )

Símbolo

Estrutura

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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 GS DSS D

V

I

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

TIPO MODO DE _OPERAÇÃO

DEPLEÇÃO INTENSIFI CAÇÃO SÍMBOLO CANAL P CANAL N















sheet data GS D GS GS D GS GS D on on Th on on Th

V

e

I

V

I

k

V

k

I

2 2









FORMULAÇÃO          sheet data GSoff p DSS p GS DSS D V V e I V V I I            2 1 NÃO É VALIDA equação de Shockley: Equação de Shockley: INTENSIFI CAÇÃO _INTENSIFI 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 10}15_.

• 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.

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4-Funcionamento MOSFET canal N – tipo Depleção

V

GS

=0V

e

V

DS

= V

DD

> 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

4-Funcionamento MOSFET canal N – tipo Depleção

Como VDS>0V, as regiões N do dreno, fonte e canal são polarizadas reversamente em relação ao substrato.

A medida que VDDaumenta, VDStambém 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 densidadeIDSS para a condição em que ocorre o estrangulamento do canal ou seja: VDS= VP(pinch-off)

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4-Funcionamento MOSFET canal N – tipo Depleção

MODO DEPLEÇÃO VGS<0

VGS < 0V eVDS = 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.

4-Funcionamento MOSFET canal N – tipo Depleção

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

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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4-Funcionamento MOSFET canal N – tipo Depleção

VGS> 0V e VDS= VDD > 0V: 2 1 _         p GS DSS D V V I I Equação de Shockley: Curva de Transferência ID=f(VGS) _{Curva Característica} (família) – ID=f(VDS)

4-Funcionamento MOSFET canal N – tipo Depleção

•Canal previamente formado. •Normalmente ligado.

•Equação de Shockley é válida. 2

1 _

















p GS DSS D

V

I

•Opera nos modos.

✓ depleção: VGS< 0V (canal N) ✓ intensificação: VGS> 0V (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

5-Funcionamento MOSFET canal N–tipo Intensificação

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5-Funcionamento MOSFET canal N–tipo Intensificação

Formulação a ser usada:

Neste dispositivo a equação de Shockley não é válida!!









sheet

data

ções

especifica

V

e

I

V

I

k

V

k

I

on on Th on on Th GS D GS GS D GS GS D











2 2

VGS th tensão de limiar ou threshold

canal N

5-Funcionamento MOSFET canal N–tipo Intensificação

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 eVDS = VDD > 0V

R: intensifica a presença das lacunas no canal, impedindo qualquer estabelecimento do fluxo de portadores entre D e S.

Efeito de VGSse ?

Assim sendo, o MOSFET tipo intensificação NÃO opera no

modo depleção.

+

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5-Funcionamento MOSFET canal N–tipo Intensificação

VGS> 0V eVDS= VDD > 0V:

A medida com que VGSaumenta 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 VGSque 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

MODO INTENSIFICAÇÃO VGS > 0

5-Resumo MOSFET canal N–tipo Intensificação

e

VGS> 0V eVDS= VDD > 0V:

O valor de VGSque resulta na formação do canal induzido é denominado de tensão de threshold

(VT) ou de limiar. Canal induzido

e ??

VGS= 0V eVDS= VDD > 0V: VGS=0V

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5-Funcionamento MOSFET canal N–tipo Intensificação





ções

especifica

V

e

I

V

I

k

on on T on on GS D GS GS D







₂





2 T GS GS D kV V I   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.

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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