Power Electronic Switching componentes como BJT, MOSFET, IGBT, SCR, TRIAC, etc. são dispositivos essenciais utilizados no projeto de muitos circuitos que vão desde um simples circuito de driver até complexos retificadores e inversores de potência. O mais básico de todos eles é o BJT, e já aprendemos o funcionamento dos Transistores BJT. Ao lado do BJT, os interruptores de potência amplamente utilizados são os MOSFETs. Em comparação com o BJT, o MOSFET pode lidar com alta tensão e alta corrente, por isso é popular entre as aplicações de alta potência. Neste artigo, vamos aprender os conceitos básicos do MOSFET, sua construção interna, como ele funciona e como usá-los em seus projetos de circuitos. Se você quiser pular a teoria, você pode verificar o artigo sobre MOSFETs populares e onde usá-los para acelerar sua seleção de peças e processo de design.
O que é um MOSFET?
MOSFET significa Transistor de Efeito de Campo de Óxido Metálico, MOSFET foi inventado para superar as desvantagens presentes nos FETs como alta resistência à drenagem, impedância moderada de entrada, e operação mais lenta. Assim, um MOSFET pode ser chamado de forma avançada de FET. Em alguns casos, os MOSFETs também são chamados de IGFET (Insulated Gate Field Effect Transistor). Praticamente falando, o MOSFET é um dispositivo controlado por voltagem, ou seja, ao aplicar uma voltagem nominal ao pino da porta, o MOSFET começará a conduzir através do pino de Drenagem e Fonte. Entraremos em detalhes mais tarde neste artigo.
A principal diferença entre FET e MOSFET é que o MOSFET tem um eletrodo de Metal Oxide Gate isolado eletricamente do semicondutor principal n-canal ou p-canal por uma fina camada de dióxido de silício ou vidro. O isolamento da porta de controle aumenta a resistência de entrada do MOSFET extremamente alta no valor do Mega-ohms (MΩ).
Símbolo do MOSFET
Em geral, o MOSFET é um dispositivo de quatro terminais com um Dreno (D), Fonte (S), porta (G) e um Corpo (B) / Terminais de Substrato. O terminal do corpo será sempre conectado ao terminal da fonte, portanto, o MOSFET funcionará como um dispositivo de três terminais. Na imagem abaixo, o símbolo do MOSFET de canal N é mostrado à esquerda e o símbolo do MOSFET de canal P é mostrado à direita.
O pacote mais usado para o MOSFET é o To-220, para uma melhor compreensão vamos dar uma olhada no pinout do famoso IRF540N MOSFET (mostrado abaixo). Como você pode ver o pino Gate, Drain e Source estão listados abaixo, lembre-se que a ordem destes pinos mudará com base no fabricante. Os outros MOSFETs populares são IRFZ44N, BS170, IRF520, 2N7000, etc
MOSFET como Switch
A aplicação mais comum de um MOSFET é usá-lo como switch. O circuito abaixo mostra o MOSFET operando como um dispositivo de chaveamento para ligar e desligar a lâmpada. A tensão de entrada da porta VGS aplicada com a ajuda de uma fonte de tensão de entrada. Quando a tensão aplicada é positiva, o motor estará no estado ON e se a tensão aplicada for zero ou negativa, a lâmpada estará no estado OFF.
Quando se liga um Mosfet fornecendo a tensão necessária ao pino do portão, este permanecerá ligado a menos que se forneça 0V ao portão. Para evitar este problema, devemos usar sempre uma resistência de puxar para baixo (R1), aqui eu usei um valor de 10k. Em aplicações como o controlo da velocidade do motor ou da luz de escurecimento, usaríamos um sinal PWM para comutação rápida, durante este cenário a capacidade da porta MOSFET irá criar uma corrente inversa devido ao efeito parasita. Para resolver isto, devemos usar um capacitor limitador de corrente, usei um valor de 470 aqui.
A carga acima é considerada como uma carga resistiva, portanto o circuito é muito simples, e no caso de precisarmos usar uma carga indutiva ou capacitiva, precisamos usar algum tipo de proteção para evitar que o MOSFET se danifique. Por exemplo, se utilizarmos uma carga capacitiva sem carga elétrica é considerada como um curto-circuito, isso resultará em uma alta “energização” da corrente e quando a tensão aplicada for removida de uma carga indutiva, haverá um grande acúmulo de tensão reversa no circuito quando o campo magnético colapsar, isso levará a um backemf induzido no enrolamento do indutor.
Classificação do MOSFET
O MOSFET é classificado em dois tipos com base no tipo de operações, nomeadamente o modo Enhancement MOSFET (E-MOSFET) e o modo Depletion MOSFET (D-MOSFET), estes MOSFETs são ainda classificados com base no material utilizado na construção como n-canal e p-canal. Assim, em geral, existem 4 tipos diferentes de MOSFETs
- Modo de Esgotamento do Canal MOSFET
- Modo de Esgotamento do Canal P MOSFET
- Modo de Melhoramento do Canal N MOSFET
- Modo de Melhoramento do Canal P MOSFET
Os MOSFETs de canal N são chamados de NMOS e são representados pelos seguintes símbolos.
De acordo com a construção interna de um MOSFET, os pinos Gate(G), Drain(D), e Source(S) estão fisicamente conectados em modo de esgotamento MOSFET, enquanto eles estão fisicamente separados em modo de melhoria, esta é a razão pela qual o símbolo aparece quebrado para um modo de melhoria MOSFET. Os P-Channel MOSFETs são chamados PMOS e são representados pelos seguintes símbolos.
Dos tipos disponíveis, o N-Channel Enhancement MOSFET é o MOSFET mais comumente usado. Mas para o bem do conhecimento, vamos tentar entrar na diferença. A principal diferença entre o MOSFET de canal N e o MOSFET de canal P é que em um canal N, o interruptor MOSFET permanecerá aberto até que uma tensão de porta seja fornecida. Quando o pino da porta recebe a tensão, o interruptor (entre o Dreno e a Fonte) fecha e no Canal P MOSFET o interruptor permanece fechado até que seja fornecida uma tensão de porta.
Simplesmente, a principal diferença entre o Modo de Melhoramento e o Modo de Esgotamento MOSFET é que a tensão de porta aplicada ao E-MOSFET deve ser sempre positiva e tem uma tensão limite acima da qual se liga completamente. Para um D-MOSFET, a voltagem da porta pode ser positiva ou negativa e nunca se liga completamente. Observe também que um D-MOSFET pode funcionar no modo Enhancement and Depletion, enquanto um E-MOSFET só pode funcionar no modo Enhancement.
Construção do MOSFET
A imagem abaixo mostra a estrutura interna típica do MOSFET. Embora o MOSFET seja uma forma avançada de FET e funcione com os mesmos três terminais que um FET, a estrutura interna do MOSFET é realmente diferente do FET geral.
Se olhar para a estrutura, poderá ver que o terminal de porta é fixado na fina camada metálica que é isolada por uma camada de Dióxido de Silício (SiO2) do semicondutor, e poderá ver dois semicondutores do tipo N fixados na região do canal onde os terminais de drenagem e fonte são colocados. O canal entre o dreno e a fonte do MOSFET é do tipo N, ao contrário deste, o substrato é implementado como do tipo P. Isto ajuda na polarização do MOSFET em ambas as polaridades, seja positiva ou negativa. Se o terminal de porta do MOSFET não for enviesado, ele permanecerá no estado não condutor, portanto o MOSFET é usado principalmente no projeto de chaves e portões lógicos.
Princípio de funcionamento do MOSFET
Em geral, o MOSFET funciona como uma chave, o MOSFET controla o fluxo de tensão e corrente entre a fonte e o dreno. O funcionamento do MOSFET depende do condensador MOS, que é a superfície do semicondutor abaixo das camadas de óxido entre a fonte e o terminal de drenagem. Ele pode ser invertido do tipo p para o tipo n, simplesmente aplicando uma tensão de porta positiva ou negativa, respectivamente. A imagem abaixo mostra o diagrama de blocos do MOSFET.
Quando uma tensão de drenagem (VDS) é conectada entre o dreno e a fonte, uma tensão positiva é aplicada ao dreno, e a tensão negativa é aplicada à fonte. Aqui a junção PN no dreno é polarizada para trás e a junção PN na Fonte é polarizada para a frente. Nesta fase, não haverá fluxo de corrente entre o dreno e a Fonte.
Se aplicarmos uma tensão positiva (VGG) ao terminal de portão, devido à atração eletrostática, os portadores de carga minoritários (elétrons) no substrato P começarão a se acumular no contato de portão que forma uma ponte condutiva entre as duas regiões n+. O número de elétrons livres acumulados no contato do portão depende da força da tensão positiva aplicada. Quanto maior a tensão aplicada maior a largura do canal n formado devido ao acúmulo de elétrons, isto eventualmente aumentará a condutividade e a corrente de drenagem (ID) começará a fluir entre a Fonte e a Drenagem.
Quando não houver tensão aplicada ao terminal de porta, não haverá nenhum fluxo de corrente além de uma pequena quantidade de corrente devido a portadores de cargas minoritárias. A tensão mínima na qual o MOSFET inicia a condução é chamada de tensão limite.
Operação do MOSFET em Modo de Esgotamento:
Os MOSFETs em modo de esgotamento são normalmente chamados de dispositivos “Switched ON”, pois geralmente estão no estado fechado quando não há tensão de polarização no terminal da porta. Quando aumentamos a tensão aplicada à porta em positivo, a largura do canal será aumentada no modo de esgotamento. Isto aumentará o ID da corrente de drenagem através do canal. Se a tensão aplicada à porta é altamente negativa, então a largura do canal será menor e o MOSFET poderá entrar na região de corte.
VI características:
As características V-I do transistor MOSFET do modo de esgotamento são desenhadas entre a tensão da fonte de drenagem (VDS) e a corrente de drenagem (ID). A pequena quantidade de tensão no terminal do portão controlará o fluxo de corrente através do canal. O canal formado entre o dreno e a fonte atuará como um bom condutor com tensão de polarização zero no terminal de portão. A largura do canal e a corrente de drenagem aumentam se a tensão positiva for aplicada à porta, ao passo que diminuem quando aplicamos uma tensão negativa à porta.
Operação do MOSFET no modo Enhancement:
O funcionamento do MOSFET no modo Enhancement é semelhante ao funcionamento do interruptor aberto, ele só começará a conduzir se a tensão positiva(+VGS) for aplicada ao terminal da porta e a corrente de drenagem começar a fluir através do dispositivo. A largura do canal e a corrente de purga aumentam quando a tensão de polarização aumenta. Mas se a tensão de polarização aplicada for zero ou negativa o transistor permanecerá no próprio estado OFF.
VI Características:
VI características do MOSFET do modo enhancement-mode são desenhadas entre a corrente de drenagem (ID) e a tensão da fonte de drenagem (VDS). As características VI são divididas em três regiões diferentes, nomeadamente regiões óhmicas, de saturação e de corte. A região de corte é a região onde o MOSFET estará no estado OFF onde a tensão de polarização aplicada é zero. Quando a tensão de polarização é aplicada, o MOSFET move-se lentamente para o modo de condução, e o aumento lento da condutividade ocorre na região ôhmica. Finalmente, a região de saturação é onde a tensão positiva é aplicada constantemente e o MOSFET ficará no estado de condução.
Pacotes de MOSFET
MOSFETs estão disponíveis em diferentes embalagens, tamanhos e nomes para o seu uso em diferentes tipos de aplicações. Em geral, os MOSFETs são entregues em 4 pacotes diferentes, nomeadamente, montagem em superfície, Thru-Hole, PQFN, e DirectFET
Os MOSFETs estão disponíveis com um nome diferente em cada tipo de pacote como se segue:
Montagem em superfície: TO-263, TO-252, MO-187, SO-8, SOT-223, SOT-23, TSOP-6, etc.
Thru-Hole: TO-262, TO-251, TO-274, TO-220, TO-247, etc.
PQFN: PQFN 2×2, PQFN 3×3, PQFN 3.3×3.3, PQFN 5×4, PQFN 5×6, etc.
DirectFET : DirectFET M4, DirectFET MA, DirectFET MD, DirectFET ME, DirectFET S1, DirectFET SH, etc.