Série 4- Transístor de efeito de campo MOSFET
Soluções:
4.1
a) EDmin= 6 V
b) ID=3 mA, UDS=1V, UGS=5V
c) ∆U/ ∆EG =2/3
d) VT aumenta; EDmin diminui.
e) MOSFET no 3º quadrante; desaparece a zona de saturação..
f) gm=2 mS; gds=2 mS; u/eg=2/3.
4.2
a) EDmin= 3,53 V
b) ID=1,53 mA, UDS=1,705V, UGS=4,235V
g) gm=2,47 mS; gds=0; u/eg=1,105.
Objetivo:
Estudo e compreensão do MOSFET em regime estacionário e quase-estacionário
ou variável
Conclusões:
1.
No MOSFET é criada uma zona entre o dreno (D) e a fonte (S) denominada canal à
custa da acção de uma tensão UGS aplicada entre os terminais da porta (G) e da fonte
(S). Nesse sentido, o transístor comporta-se como uma resistência variável: a tensão
UGS controla a condutividade do canal e as suas dimensões. Existem dois tipos de canal:
o MOSFET de canal n, formado por uma população de electrões num substracto
semicondutor ligeiramente do tipo p, que aumenta quando UGS se torna mais positivo
e o de canal p, formado por uma população de buracos num substracto semicondutor
ligeiramente do tipo n, que aumenta à medida que UGS se torna mais negativo. O
dispositivo, contrariamente ao TBJ é um dispositivo unipolar, uma vez que a corrente
depende apenas de um tipo de portadores, tal como nas resistências semicondutoras
fortemente extrínsecas.
2. O valor limite que faz aparecer o canal designa-se por tensão gate fonte de limiar
UGSlim ou VT. No n-MOSFET, corresponde ao valor mínimo de UGS para o qual existe
corrente: abaixo desse valor o MOSFET está cortado (ID=IS=0). No p-MOSFET,
corresponde ao máximo valor de UGS para o qual existe corrente. Acima desse valor o
MOSFET está cortado. O valor de VT é característico do dispositivo e é um dado de
catálogo, dependendo de muitos factores, nomeadamente do metal usado nos
terminais, das cargas no óxido, da dopagem do substracto, das cargas nas interfaces
óxido-semicondutor, etc. Pode ser positivo ou negativo.
3. Os MOSFET que têm canal para UGS=0 designam-se por MOSFET de depleção. A acção
da porta é apenas para reforçar o canal já existente. Aqueles que não têm canal para
UGS=0 designam-se por MOSFET de reforço. Nesse caso, a porta actua no sentido de
criar o canal. No n-MOSFET tem-se VT >0 para os MOSFET de reforço e VT.<0 para os de
depleção. No p-MOSFET tem-se VT. <0 para os MOSFET de reforço e VT.>0 para os de
depleção.
4. Para uma dada tensão UGS para a qual existe canal, a relação ID(UDS) é inicialmente
linear, o que indicia um comportamento resistivo. O tratamento unidimensional é uma
boa aproximação. À medida que UDS aumenta, a relação ID(UDS) torna-se sublinear
quadrática. Esta zona é designada por tríodo ou não saturação.
5. Quando UDS =UDSS=UGS -VT, o canal estrangula no lado do dreno. Nessa situação, o
tratamento unidimensional é questionável. A partir desse valor entra-se na zona de
saturação, para a qual a corrente, numa aproximação mais simples, se torna
independente de UDS .
6. Na zona de saturação o aumento de UDS é responsável pelo “encurtamento” do canal
que provoca um aumento da corrente de dreno, num efeito similar ao efeito de Early
nos TBJ. É designado por efeito de modulação do comprimento do canal.
7. A corrente IG é nula numa situação estacionária, atendendo à presença do óxido. No
entanto, nos circuitos é usual colocar uma resistência no terminal de porta de forma a
proteger o MOSFET nos instantes em que se liga ou desliga a fonte, ou , de uma forma
geral, nos instantes em que se impõe uma variação brusca na tensão entre o metal e o
substracto. O produto dessa resistência pele capacidade associada à estrutura metalóxido-semicondutor corresponde a um tempo que deve ser finito e que protege o
óxido.
8. A inversão da polaridade da tensão UDS não conduz ao estrangulamento do canal.
Deste modo, desaparece a zona de saturação. A corrente de dreno cresce sempre,
devendo ter-se especial atenção a essa zona por questões relacionadas com a potência
posta em jogo no dispositivo. O comportamento é semelhante ao de uma junção p-n
polarizada directamente.
9. Nos circuitos amplificadores, o MOSFET deve estar a funcionar na saturação, de modo
a que o sinal de saída não venha distorcido e seja uma réplica do sinal de entrada. A
polarização do MOSFET é assegurada pela escolha das resistências e das fontes do
circuito.
10. As conclusões assinaladas para o TBJ são idênticas às do MOSFET se associarmos o
terminal da Porta (G) ao de base (B), o terminal de Dreno (D) ao de colector (C) e o
terminal de Fonte (S) ao de emissor (E). Assim, por exemplo, a montagem
amplificadora é a de fonte comum e o circuito buffer de tensão será o de dreno
comum, também designado por seguidor de fonte.
11. Para o MOSFET com um 4º terminal (B), pode aplicar-se uma tensão UBS, de modo a
alterar o valor de VT. De modo a não inviabilizar as equações do regime estacionário e
o tratamento unidimensional, a junção substrato-fonte deve estar inversamente
polarizada. Deste modo, nos MOSFET de canal n, tem-se UBS < 0; nos de canal p deverse-á impor UBS > 0. Em qualquer dos casos, o aparecimento do canal é dificultado, ou
seja, VT torna-se mais positivo no n-MOSFET e mais negativo no p-MOSFET.
12. A montagem de fonte comum é inversora e amplifica o sinal de entrada. Nos circuitos
de polarização com uma única fonte e sem resistência de fonte, o ganho de tensão é
dado pelo simétrico do produto da transcondutância incremental pela resistência
ligada ao dreno. Pode ser elevado (em módulo), mas o circuito não é estável com a
temperatura. Como usualmente, os parâmetros incrementais são dependentes do
ponto de funcionamento em repouso.
13. Um ganho de tensão elevado (em módulo) pressupõe uma elevada transcondutância
do transístor, que representa deste modo um factor de mérito do transístor. Para
correntes de dreno e de colector do mesmo valor, a transcondutância do MOSFET na
zona de saturação é menor do que a transcondutância do TBJ na ZAD.
14. De modo a aumentar a estabilidade do circuito amplificador de fonte comum, colocase uma resistência ligada entre o terminal de fonte e a massa. No entanto, o ganho
vem acentuadamente reduzido. O circuito designa-se por fonte comum com
degenerescência, uma vez que a resistência de fonte faz a retroacção negativa ou
degenerativa. Como valor aproximado do ganho deste circuito pode tomar-se o
simétrico da razão entre as resistências ligadas ao dreno e à fonte (-RD /RS).
15. De modo a aumentar o ganho de tensão do amplificador, coloca-se um condensador
de contorno à resistência de fonte com uma impedância desprezável às frequências
intermédias.
16. A diminuição da fonte de alimentação, colocada na malha de saída da montagem de
fonte comum, leva o transístor para a zona de tríodo. O seu aumento leva o TBJ para a
disrupção. Deve ser tomada atenção para que a potência no transístor não seja
excedida, o que pode acontecer quer na saturação quer na disrupção.
17. O efeito da modulação do comprimento do canal no modelo do MOSFET em regime
incremental alternado sinusoidal é traduzido por uma resistência incremental. Esta é
colocada entre os terminais de dreno e de fonte em paralelo com a fonte de corrente
controlada pela tensão de porta. Está associado a uma diminuição do módulo do
ganho de tensão e a uma diminuição da resistência de saída da montagem de fonte
comum.
18. Na montagem de dreno comum, o sinal de entrada é colocado na porta e o sinal de
saída retirado no terminal de fonte. O circuito é não inversor e o ganho de tensão é
sempre menor do que 1, podendo ser na maioria dos casos tomado como
praticamente unitário. A resistência de entrada é elevada e a resistência de saída é
baixa. Funciona como adaptador de impedâncias ou buffer de tensão.