MOSFET de Modo de Enriquecimento
Uma das estruturas utilizadas na fabricação de transistores é o MOSFET de modo de enriquecimento (enhancement-mode MOSFET). Este tipo de transistor de efeito de campo é amplamente utilizado. Sua estrutura é idêntica à do MOSFET de modo de depleção, exceto pelo fato de que ele não possui um canal embutido entre o dreno e a fonte. As características elétricas deste dispositivo são semelhantes às do JFET e do MOSFET de modo de depleção, mas diferenças significativas o tornam interessante para muitas aplicações.
Configuração do MOSFET de Modo de Enriquecimento de Canal n (NMOS)
No NMOS, um substrato do tipo p fornece suporte físico para o dispositivo. Duas regiões altamente dopadas do tipo n formam a fonte e o dreno. Uma fina camada de dióxido de silício (SiO₂) – um excelente isolante elétrico – cobre a área entre as regiões de fonte e dreno. Uma camada metálica sobre o óxido forma o eletrodo de gate. Além disso, a fonte, o dreno e o substrato (também conhecido como corpo) possuem contatos metálicos.
Nota Importante: Não há a existência de um canal permanente entre o dreno e a fonte.
NMOS com Tensão Gate-Fonte Vgs = 0
Normalmente, os terminais do substrato do tipo p e da fonte são conectados. Isso evita que o substrato influencie a operação do dispositivo, permitindo que o MOSFET funcione como um dispositivo de três terminais.
Quando o gate também está conectado à fonte, eliminando a diferença de potencial entre o gate e o substrato, nenhuma corrente pode fluir entre o dreno e a fonte. Independentemente da polaridade da tensão entre o dreno e a fonte, sempre haverá uma junção reversamente polarizada (diodo) no dreno ou na fonte. Isso ocorre devido à junção p-n entre a região do dreno do tipo n e o substrato do tipo p, e à junção p-n entre o substrato do tipo p e a fonte do tipo n. Esses dois diodos opostos bloqueiam o fluxo de corrente.
Esta característica contrasta com o JFET e o MOSFET de modo de depleção, onde \(I _d = I_{dss} \)(corrente de dreno em curto-circuito saturada) quando \(V_{gs} = 0\).
Definição de \( I_{dss} \) não se aplica ao MOSFET de modo de enriquecimento, pois \( I_d = 0 \, \text{A} \) quando \( V_{gs} = 0 , \text{V} \).
Mesmo com uma grande acumulação de portadores livres (elétrons) no dreno e na fonte devido às regiões dopadas do tipo n, a ausência de um caminho entre eles resulta em uma resistência muito alta entre o dreno e a fonte.
Conclusão: Sem uma tensão aplicada ao gate, o transistor se comporta como um circuito aberto entre o dreno e a fonte.
NMOS com Tensão Gate-\(V_{gs} > 0\)
A tensão aplicada ao gate regula o fluxo de corrente entre a fonte e o dreno.
Com uma pequena tensão positiva em \(V_{gs}\), a carga positiva no gate repele os lacunas (portadores positivos) presentes no substrato abaixo do gate, empurrando-as para regiões mais profundas do substrato do tipo p. Isso cria uma região de depleção de portadores próxima à camada de isolamento de \(SiO_2\), entre o dreno e a fonte.
Os átomos aceitadores (dopantes do tipo p) na região de depleção ficam com carga negativa devido à ausência dos lacunas que neutralizavam essas cargas. Essas cargas “descobertas” formam a base dessa região de depleção.
Ao aumentar ainda mais a tensão positiva no gate, os elétrons livres das regiões dopadas do tipo n (dreno e fonte) são atraídos para a região de depleção. Esses elétrons acumulados formam um canal do tipo n induzido na interface entre o óxido de silício e o substrato, conectando o dreno e a fonte (conforme ilustrado na figura 2).
Agora, com um canal presente, é possível aplicar uma tensão entre o dreno e a fonte para permitir o fluxo de corrente através do transistor. Essa corrente flui do dreno para a fonte, transportada pelos elétrons livres no canal induzido.
Camada de Inversão
Outro nome para o canal induzido é a camada de inversão. Isso ocorre porque a superfície do substrato é invertida de tipo p para tipo n.
Além disso, a figura 2 mostra o capacitor de placas paralelas formado entre o gate e o canal, com a camada de \(SiO_2\) funcionando como dielétrico. A carga positiva acumulada na placa superior (no gate devido a \(V_{gs}\) positivo) cria uma carga negativa correspondente, formada pelos elétrons no canal.
O NMOS, como um transistor de efeito de campo (FET), utiliza o campo elétrico gerado no capacitor para controlar o número de cargas no canal, sua condutividade e a magnitude da corrente que flui.
Tensão de Limiar \(V_T\)
A tensão de limiar \(V_T\) é a tensão \(V_{gs}\) necessária para formar o canal. A magnitude de \(V_T\) depende das propriedades elétricas do substrato, bem como das características e espessura do óxido. Para um NMOS, \(V_T\) é um valor positivo.
O processo de fabricação do dispositivo controla o valor de \(V_T\), que aparece nas especificações como \(V_{gs(Th)}\).
Quando a tensão no gate é menor que \(V_T, Id=0 AI_d = 0 \, \text{A}\), pois o canal não existe nessa condição.
Aumentar \(V_{gs}\) acima de \(V_T\) induz mais elétrons livres no canal, reduzindo sua resistência. Nesse estado, o dispositivo atua como um resistor controlado por tensão. Quando o canal atinge o ponto de saturação (pinch-off), o MOSFET passa a se comportar como um dispositivo de corrente constante controlado por tensão.
NMOS com Tensão Gate-Fonte \(V_{gs} < 0\)
A tensão no gate de um NMOS de modo de depleção ou de um JFET pode aumentar ou reduzir a concentração de portadores livres no canal, dependendo se \(V_{gs} \) é negativo ou positivo. Já no NMOS de modo de enriquecimento, a tensão no gate só pode aumentar (enriquecer) a concentração de portadores livres no canal. O transistor opera exclusivamente no modo de enriquecimento \(V_{gs} > 0\). Essa característica é a base para o nome do dispositivo: MOSFET de modo de enriquecimento.
Aplicando uma Tensão entre Dreno e Fonte
A tensão mínima necessária para manter o canal induzido é a tensão de limiar \(V_T\). Com um canal formado e o dreno positivo em relação à fonte, ocorre o fluxo de uma corrente \(I_d\). Os elétrons livres viajam da fonte para o dreno, mas a direção convencional da corrente \(I_d\) é do dreno para a fonte (conforme mostrado na figura 2). Devido à alta impedância de entrada, a corrente no gate \(AI_g = 0 \, \text{A}\).
Quando a tensão \(V_{ds}\) entre o dreno e a fonte é pequena, o canal ainda não está saturado (pinched-off), e o NMOS se comporta como um resistor linear com valor controlado por \(V_{gs}\).
Aumentar \(V_{ds}\) ativa o processo de saturação no lado do dreno do canal, como ocorre nos NMOS de modo de depleção e nos JFETs.
Saturação (Pinch-Off)
A saturação ocorre no lado do dreno do canal quando: \(V_{gd} = V_T > 0\)
Mas, como: \(V_{gd} = V_{gs} – V_{ds}\)
Então: \(>0V_{gs} – V_{ds} = V_T > 0\)
Ou: \(V_{ds} = V_{gs} – V_T > 0\(
O canal não está saturado enquanto \(V_{ds}\) for menor que o valor calculado pela equação acima.
Corrente de Dreno em Saturação
Mantendo \(V_{gs}\) constante e aumentando \(V_{ds}\), a corrente no dreno \(I_d\) eventualmente alcança um nível de saturação. Por exemplo, fixando \(V_{gs} = 8 \, \text{V}\) e aumentando \(V_{ds}\) de \(2 \, \text{V}\) para \(5 \, \text{V}\), o valor de \(V_{gd}\) diminui de \(6 \, \text{V}\) para \(3 \, \text{V}\). Isso significa que o gate se torna menos positivo em relação ao dreno.
Essa redução na tensão VgdV_{gd} diminui a força atrativa para os portadores livres (elétrons) na região do canal induzido, reduzindo a largura efetiva do canal. Eventualmente, ao aumentar VdsV_{ds}, o canal se estreita até o ponto de saturação, estabelecendo a condição de saturação – o NMOS entra na região ou modo de saturação.
Após a Saturação
Quando VdsV_{ds} excede o valor de saturação, a queda de tensão ao longo do canal permanece constante no valor definido pela equação anterior. A corrente IdI_d também permanece constante (no nível de saturação), independentemente do valor de VdsV_{ds}. Portanto, tanto a queda de tensão no canal quanto a corrente que flui através dele permanecem constantes em saturação.
Importante: O estreitamento do canal (saturação) não significa sua obstrução. A corrente continua fluindo através do canal saturado.
A Característica de Dreno e a Curva de Transferência do NMOS
A figura 3 apresenta um exemplo das características de dreno de um NMOS de modo de enriquecimento. As características de tensão-corrente (volt-ampere) para o NMOS de modo de enriquecimento possuem a mesma forma das características de um FET.
Observe que a resistência na região ôhmica é infinita para \(V_{gs} \leq V_T\) e diminui à medida que \(V_{gs}\) aumenta. Embora \(V_{gs}\) seja o parâmetro para as características apresentadas na figura 3, estas dependem de \(V_{gs} – V_T\) – a tensão efetiva ou tensão de overdrive.
A equação 4 relaciona o nível de saturação de \(V_{ds}\) à magnitude de \(V_{gs}\). Para um valor fixo de \(V_T\), quanto maior o nível de \(V_{gs}\), maior será o valor de \(V_{ds}\) que causa a saturação.
Na figura 3, a porção de saturação das características de dreno é uma linha horizontal. O nível de saturação para \(I_d\) aumenta à medida que \(V_{gs}\) sobe, começando de \(V_T\) até valores como \(+6 \, \text{V}\). Note que o espaçamento entre os níveis de \(V_{gs}\) cresce conforme a tensão aumenta, resultando em incrementos crescentes na corrente de dreno. A corrente \(I_d\) de um NMOS de modo de enriquecimento é \(0 \, \text{A}\) para valores de \(V_{gs} < V_T\).
Falha por Ruptura de Canal
Estender as características de dreno para tensões de dreno suficientemente altas desencadeia a ruptura do canal. Essa falha resulta de uma ruptura por avalanche na região de carga espacial no lado do dreno do canal.
Curva de Transferência
A figura 4 apresenta a curva de transferência de um NMOS de modo de enriquecimento. Esta curva reflete a relação entre a corrente \(I_d\) e a tensão \(V_{gs}\) quando o dispositivo opera em saturação.
Quando \(V_{gs} > V_T, IdI_d\) e \(V_{gs}\) se relacionam pela equação não linear: \(I_d = k(V_{gs} – V_T)^2\)
Onde a constante \(k\) depende das características físicas do dispositivo.
A curva de transferência de um NMOS de modo de enriquecimento está totalmente na região positiva de \(V_{gs}\) e começa a subir em \(V_{gs} = V_T\). Essa curva segue os níveis de saturação das características de dreno. Consequentemente, a região de operação ocorre para valores de \(V_{ds} \) maiores que os níveis de saturação definidos pela equação 4.
Configuração do MOSFET de Modo de Enriquecimento de Canal p (PMOS)
Um MOSFET de modo de enriquecimento de canal p (PMOS) é a inversão do NMOS, conforme mostrado na figura 5. Ele possui um substrato do tipo n e regiões do tipo p sob as conexões de dreno e fonte. A identificação dos terminais é semelhante à do NMOS, mas com polaridades de tensão e direções de corrente invertidas. O NMOS e o PMOS são transistores complementares.
Uma tensão negativa aplicada entre o gate e a fonte induz um canal do tipo p, composto por portadores do tipo p (lacunas), permitindo o fluxo de corrente entre a fonte e o dreno. Um campo elétrico é gerado perpendicularmente ao óxido, terminando nas cargas positivas induzidas no lado do semicondutor. Essas cargas positivas – as cargas minoritárias no substrato do tipo n – formam uma camada de inversão.
A Característica de Dreno e a Curva de Transferência do PMOS
Aumentar a magnitude da tensão negativa entre o gate e a fonte aumenta a quantidade de cargas positivas induzidas no semicondutor e a condutividade da região abaixo do óxido. Assim, a tensão negativa do gate aumenta a corrente de dreno \(I_d\).
A figura 6 mostra que \(I_d\) cresce lentamente no início e, depois, de forma mais rápida, com valores negativos crescentes de \(V_{gs}\).
Essa curva de transferência é a imagem espelhada da curva de transferência do NMOS (figura 4), com \(I_d\) aumentando com valores negativos crescentes de \(V_{gs}\) que excedem \(V_T\).
Sobre os MOSFETs de Modo de Enriquecimento
Os MOSFETs de modo de enriquecimento apresentam pequenas dimensões, baixa dissipação de energia e facilidade de fabricação. Essas características os tornam ideais para uso em circuitos integrados.
Quando nenhuma tensão é aplicada entre os terminais do gate e da fonte, não há um caminho entre o dreno e a fonte.
A aplicação de uma tensão entre o gate e a fonte enriquece o canal, tornando-o capaz de conduzir corrente. Essa propriedade é o motivo pelo qual esse dispositivo é chamado de MOSFET de modo de enriquecimento.
Os MOSFETs de modo de enriquecimento operam exclusivamente no modo de enriquecimento, ao contrário dos MOSFETs de modo de depleção, que podem operar tanto nos modos de depleção quanto de enriquecimento.
Aplicar uma tensão positiva entre o gate e a fonte em um NMOS cria uma camada de canal do tipo n, permitindo a condução de portadores livres da fonte para o dreno.
A tensão de limiar \(V_T\) é a tensão gate-fonte que inicia a formação do canal entre o dreno e a fonte. Quando \(V_{gs}\) é menor que \(V_T\), o canal entre o dreno e a fonte não existe, e a corrente de dreno \(I_d = 0 \, \text{A}\).
A magnitude de \(V_T\) depende das características construtivas do dispositivo, variando para cada MOSFET.
A quantidade \(I_{dss}\), encontrada em JFETs e MOSFETs de modo de depleção, não é aplicável ao MOSFET de modo de enriquecimento, já que \(I_d = 0 \, \text{A}\) quando \(V_{gs} = 0 \, \text{V}\).
Em um PMOS de modo de enriquecimento, uma tensão \(V_{gs}\) negativa cria uma camada de canal do tipo p, permitindo a transmissão de portadores livres da fonte para o dreno.
Original: https://eepower.com/technical-articles/what-are-enhancement-mode-mosfets/
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