Eletronica_1 4 - Livro

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ELETRÔNICA I
Maikon Lucian Lenz
Transistor de efeito de 
campo MOS (MOSFET): 
características físicas
Objetivos de aprendizagem
Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
  Reconhecer a construção básica de um MOSFET.
  Analisar as curvas características do MOSFET-D e MOSFET-E.
  Detalhar a aplicação dos MOSFETs como chaves digitais.
Introdução
A introdução do MOSFET revolucionou os circuitos integrados, que pas-
saram a contar com um transistor mais compacto e eficiente. Apesar de 
o seu uso também se dar em outras aplicações que envolvam a região 
ativa, é a aplicação em sistemas chaveados que transitam apenas entre o 
corte e a saturação que melhor aproveitará os benefícios dessa tecnologia: 
baixa potência de entrada, estabilidade na região de corte e operação em 
altas frequências. Devem ser diferenciadas, no entanto, duas construções 
básicas: MOSFET-D e MOSFET-E.
Neste capítulo, você vai estudar a construção básica de um MOSFET 
e as curvas características do MOSFET-D e do MOSFET-E. Por fim, você 
vai analisar a aplicação dos MOSFETs como chaves digitais.
Construção básica de um MOSFET
O MOSFET, transistor de efeito de campo metal-óxido semicondutor, do inglês 
metal-oxide semiconductor fi eld eff ect transistor, leva esse nome por conta do 
material isolante presente no terminal da porta, ainda que, atualmente, boa 
parte dos MOSFETs não utilizem mais o conjunto metal-óxido — o compor-
tamento é o mesmo. Esse isolamento é o grande diferencial entre o JFET e o 
MOSFET. O JFET possuía ligação direta com o material que dividia o canal 
do transistor. O MOSFET, no entanto, tem o terminal da porta completamente 
isolado por uma camada de dióxido de silício (vidro), conforme apontam 
Malvino e Bates (2016). Toda a estrutura pode ser vista na Figura 1.
Figura 1. Estrutura interna de um MOSFET-D.
Fonte: Malvino e Bates (2016, p. 472).
Repare que, na Figura 1, está presente um quarto terminal, denominado 
substrato, que não existe nos demais transistores de efeito de campo. Esse 
terminal nem sempre é acessível, sendo, na maioria dos casos, ligado direta-
mente ao terminal da fonte.
Existem dois tipos de MOSFET, conhecidos por MOSFET-D e MOSFET-E. 
O primeiro é dito MOSFET de depleção, enquanto o segundo é o MOSFET 
de crescimento. A diferença está na existência ou não de um canal entre o 
dreno e a fonte, mesmo sem existir qualquer tensão na porta. A porta terá um 
comportamento similar ao de um capacitor, já que está isolada do restante do 
circuito, mas admitirá uma corrente de forma a polarizar a superfície próxima 
do isolante, criando um campo elétrico entre a porta e o substrato que, por sua 
vez, vai alterar a largura do canal.
Como nos demais transistores, por se tratar de uma característica própria 
dos semicondutores, haverá também a possibilidade de formar duas estrutu-
ras diferentes para cada tipo de MOSFET, uma com canal do tipo N e outra 
com canal do tipo P. Nas Figuras 2 e 3 estão apresentadas as simbologias de 
ambos os MOSFETs com seus dois canais possíveis. Observe que a diferença 
entre as simbologias utilizadas pelo MOSFET-D e pelo MOSFET-E é sútil, 
Transistor de efeito de campo MOS (MOSFET): características físicas2
diferenciando apenas a linha que representa o canal. No MOSFET-D, essa 
linha é contínua, indicando que está normalmente em condução, enquanto 
para o MOSFET-E essa linha é tracejada, indicando que está normalmente 
em corte, conforme lecionam Malvino e Bates (2016).
Figura 2. Simbologia do MOSFET-D: a) canal tipo N; b) canal tipo P.
Fonte: Adaptada de Malvino e Bates (2016).
Figura 3. Simbologia do MOSFET-E: a) canal tipo N; 
b) canal tipo P.
Fonte: Adaptada de Malvino e Bates (2016).
As setas são os indicadores do tipo de canal, sendo o canal N com a seta 
apontando para a porta e o canal P com a seta no sentido oposto, direcionando 
para a fonte, ainda conforme Malvino e Bates (2016).
3Transistor de efeito de campo MOS (MOSFET): características físicas
A camada de dióxido de silício que isola o terminal da porta do canal do dreno-fonte 
e do substrato é fina o suficiente para ampliar o controle do componente; por conse-
quência, poderá ser facilmente danificada. Devido a essa sensibilidade, deve-se tomar 
cuidado com as especificações determinadas pelo fabricante sobre limites de tensão 
máxima na porta. Além disso, cargas eletrostáticas advindas apenas do contato com o 
componente e transitórios de circuitos que ainda se encontrem energizados, quando da 
inserção do componente, podem ser suficientes para romper essa camada e inutilizar 
o MOSFET. É comum que este seja fornecido com alguma proteção na embalagem, 
como folhas metálicas, anéis metálicos ou espumas condutoras, conforme lecionam 
Malvino e Bates (2016).
MOSFET-D
O MOSFET-D, como pode ser visto na Figura 1, possui um canal entre os 
terminais do dreno e da fonte existente, sem qualquer alimentação no terminal 
da porta. Nesse caso, o transistor estará em condução, e o aumento da tensão 
na porta fará com que o canal seja ampliado, facilitando ainda mais a condu-
tividade, ou, de forma inversa, reduzindo a resistência interna do MOSFET.
Sendo VGS > 0 (tensão porta-dreno), os elétrons livres presentes no subs-
trato serão atraídos para próximo do terminal da porta pelas cargas positivas 
acumuladas na superfície do lado oposto do isolante — novamente, um com-
portamento similar ao de um capacitor. Essa polarização, obviamente, vai gerar 
uma corrente do substrato até o isolante e da porta até o isolante, de forma 
que, apesar de não existir qualquer corrente que ultrapasse o material isolante, 
se observarmos o que ocorre antes e depois deste, será possível perceber uma 
corrente que flui da porta para o dreno.
A movimentação de elétrons livres em direção à porta será acompanhada 
da movimentação de lacunas em direção ao substrato, resultando em um au-
mento do canal de condução entre os terminais do dreno e da fonte, conforme 
apontam Malvino e Bates (2016). O aumento do canal, entretanto, possui um 
limite, a partir do qual não fará qualquer diferença o acréscimo de tensão no 
terminal da porta, exceto, é claro, se essa tensão for elevada o suficiente para 
danificar o componente.
No sentido contrário, alimentando o terminal da porta com tensão VGS > 0, 
haverá um afastamento dos elétrons livres, ampliando a região de camada P e 
reduzindo o canal de condução que havia entre os terminais dreno-fonte. Caso 
Transistor de efeito de campo MOS (MOSFET): características físicas4
a tensão da porta seja negativa o suficiente, o transistor vai bloquear a passagem 
de corrente; estará, então, em corte, de acordo com Malvino e Bates (2016).
Com o diferencial de ser naturalmente um condutor, mas operar tanto com 
tensões positivas quanto negativas, ao contrário do JFET, que apenas opera com 
uma das polaridades, o uso do MOSFET-D terá grande serventia em amplifi-
cadores. Lembre-se de que os transistores, tanto BJT quanto JFET, necessitam 
de um circuito de polarização para centralizar seu ponto de trabalho antes 
de utilizar sinais de entrada que possuam qualquer polaridade; do contrário, 
apenas uma polaridade seria amplificada. Nesse caso, o MOSFET-D controla 
a camada de depleção do substrato, aumentando até estrangular o canal de 
condução, no caso de VGS > 0, ou diminuindo de modo a ampliar o canal de 
condução, se VGS > 0. Essa variação de corrente produzirá variações de tensão 
nos resistores associados aos terminais de dreno e fonte e, consequentemente, 
haverá variações na tensão que restará para a carga.
MOSFET-E
A principal diferença entre o MOSFET-E e o MOSFET-D é que o primeiro 
está em corte quando a tensão na porta é nula, enquanto o segundo, como 
visto anteriormente, encontra-se normalmente em condução. Isso ocorre 
porque a camada do substrato se estende do terminal conectado a ela até o 
isolante, atravessando todo o material que antes formava o canal de condução, 
conforme apontam Malvino e Bates (2016). A diferençapode ser facilmente 
percebida na Figura 1.
Nesse caso, o funcionamento não será afetado por uma tensão negativa na 
porta (VGS 0), o comportamento será o mesmo do MOSFET-D 
e, obviamente, também do JFET.
Sendo VGS > 0, as cargas negativas serão atraídas para o terminal da porta, 
enquanto as cargas positivas serão afastadas, dando início a um canal de 
condução entre o dreno e a fonte. Quanto maior for essa tensão, maior será 
o tamanho do canal e, claro, menor a resistência à passagem de corrente, até 
que se atinja o limite máximo de tensão na porta, em que qualquer acréscimo 
será incapaz de ampliar ainda mais o canal de condução, segundo Malvino 
e Bates (2016).
A essa camada de condução dá-se também o nome de camada de inversão. 
E a tensão mínima necessária para que apareça uma fina camada de inversão 
é chamada de tensão de limiar (do inglês, threshold). Para que a camada 
5Transistor de efeito de campo MOS (MOSFET): características físicas
de inversão seja atingida, possibilitando que uma corrente flua através dos 
terminais do dreno e da fonte, a tensão na porta VGS deverá ser maior do que 
a tensão de limiar VGS(th), ainda de acordo com Malvino e Bates (2016).
Não é possível polarizar os MOSFET-E com as técnicas de autopolarização, po-
larização por fonte de corrente e polarização direta, uma vez que essas técnicas 
dependem da camada de depleção para que funcionem, conforme apontam 
Malvino e Bates (2016).
Curvas características
MOSFET-D
A curva do dreno, exibida na Figura 4, relaciona a tensão entre os terminais 
do dreno e da fonte e a corrente no dreno. Assim como em um transistor JFET, 
são várias as curvas para uma tensão entre a porta e a fonte específi ca, em 
que o ponto de trabalho é o cruzamento entre a reta formada pela corrente de 
saturação ID(sat) e a tensão de corte VGS(corte). 
Figura 4. Curva do dreno de um MOSFET-D.
Fonte: Malvino e Bates (2016, p. 473).
Note que a corrente IDSS não representa mais a corrente máxima no 
dreno, sendo a corrente em que a tensão no terminal da porta é nula. Já a 
Transistor de efeito de campo MOS (MOSFET): características físicas6
corrente máxima é determinada pela tensão fornecida ao dreno e o resistor 
conectado a este.
 (1)
A corrente para uma determinada tensão na porta será determinada pela 
mesma relação quadrática expressa para JFETs (no caso deles, somente quando 
VGS 0, opera em modo de crescimento. Pode-se dizer, 
então, que o transistor MOSFET-D funciona tanto como um JFET para tensão 
de porta negativa quanto como um MOSFET-E para tensão positiva.
Figura 5. Curva de transcondutância de um MOSFET-D.
Fonte: Malvino e Bates (2016, p. 473).
Percebe-se ainda que, na Figura 5, existe uma região em que a corrente do 
dreno não é constante, sendo esta a região ôhmica, na qual é possível controlar 
a resistência oferecida pelo canal do transistor. Há, portanto, assim como no 
JFET, três regiões de operação: ôhmica, fonte de corrente e corte, conforme 
apontam Malvino e Bates (2016).
7Transistor de efeito de campo MOS (MOSFET): características físicas
MOSFET-E
Para o MOSFET-E, há também uma série de curvas com valores de tensão para 
a porta, relacionando a tensão e a corrente do dreno. Na Figura 6 é possível 
perceber que, ao contrário do que ocorria com o MOSFET-D, a tensão mínima 
para que exista uma corrente no dreno é acima de zero e, principalmente, 
acima da tensão de limiar VGS(th).
Figura 6. Curva do dreno de um MOSFET-E.
Fonte: Malvino e Bates (2016, p. 477).
Similar ao comportamento de um JFET, há uma tensão mínima entre 
dreno e fonte para que se atinja a região considerada ativa, ou região em que 
a corrente dependerá única e exclusivamente da tensão na porta. Abaixo dessa 
tensão de dreno, o transistor se encontrará na região ôhmica e servirá como 
uma resistência variável, conforme lecionam Malvino e Bates (2016).
Até aqui, boa parte do uso de transistores se dava em aplicações de ampli-
ficadores. Entretanto, as características do MOSFET-E fazem dele um ótimo 
componente para se utilizar em chaves digitais e, portanto, será costumeira-
mente utilizado na região de corte e na região ôhmica.
O gráfico de transcondutância da Figura 7 demonstra claramente a exis-
tência de uma tensão mínima (tensão de limiar VGS(th)) a ser fornecida para 
que a camada de inversão se estabeleça e possibilite uma corrente entre 
dreno e fonte.
Transistor de efeito de campo MOS (MOSFET): características físicas8
Figura 7. Curva de transcondutância de um MOSFET-E.
Fonte: Malvino e Bates (2016, p. 477).
Chaves digitais
Como dito anteriormente sobre as curvas do transistor MOSFET-E, suas carac-
terísticas facilitam a utilização como chave digital. Nessa situação, a região 
ativa deve ser evitada, e a entrada será, portanto, entre tensão baixa e alta. 
Entende-se por tensão baixa um valor igual ou muito próximo de 0 V, sufi ciente 
para impedir que o canal conduza. Por tensão alta, entende-se qualquer valor 
de tensão acima de VGS(lig), que dependerá do componente, conforme lecionam 
Malvino e Bates (2016).
A tensão de limiar, tensão mínima para criar uma camada de inversão e, 
portanto, fechar o “contato” quando o transistor é operado como uma chave, é 
importante, pois garante uma maior estabilidade a eventuais ruídos que pode-
riam fazer o transistor conduzir indevidamente. Já que a intenção é controlar 
o transistor entre as regiões de corte e de saturação, não há necessidade de 
controle rígido do sinal; deve-se garantir apenas que este se mantenha acima 
e abaixo da saturação e do corte, respectivamente.
Vale lembrar que qualquer transistor pode operar como uma chave digital; 
entretanto, existem características únicas ao MOSFET que fazem dele nor-
malmente a melhor opção para essa situação. Primeiro porque a inexistência 
9Transistor de efeito de campo MOS (MOSFET): características físicas
de portadores minoritários, assim como já ocorria em transistores JFET, 
permite que o reestabelecimento da região de corte, ao remover a tensão da 
porta, seja mais rápido que para transistores BJT. Isso vai garantir seu bom 
funcionamento em frequências elevadas, permitindo velocidades de operação 
em máquinas digitais e computadores. Além disso, a corrente do terminal da 
porta é praticamente nula. Se comparado ao JFET, o MOSFET-E encontra-se 
naturalmente em corte, e sua tensão de limiar garante uma pequena margem 
a ser superada antes de entrar em condução, que, como já dito anteriormente, 
evitará que ruídos interfiram no processo.
Outras técnicas são possíveis com MOSFET-E que não o são com outros 
transistores — é o caso do uso de cargas ativas. Sabe-se que o MOSFET pode 
ser consideravelmente menos volumoso do que outros transistores; entretanto, 
a necessidade de cargas passivas amplia o volume do componente. Porém, no 
caso dos transistores MOSFET-E, é possível utilizar outro transistor como uma 
carga, alimentando e fechando um curto entre dreno e porta. Essa ligação é 
representada na Figura 8.
Figura 8. MOSFET-E Q1 sendo usado 
como carga para o MOSFET Q2.
Fonte: Malvino e Bates (2016, p. 486).
Transistor de efeito de campo MOS (MOSFET): características físicas10
Cabe analisar ainda o comportamento esperado do circuito representado 
na Figura 8. Se a porta possui a mesma tensão do dreno, o transistor Q1 estará 
em condução e, quanto maior a tensão no dreno, maior será a tensão na porta, 
mantendo a impedância no canal fixa. A resistência do dreno responde à 
expressão que segue:
 (3)
Fornecer tensão à porta do transistor Q2 vai drenar a corrente para o terra, 
enquanto eliminar a tensão vin colocaráQ2 em corte, mantendo nível alto em 
vout. Há uma operação de inversão nesse caso — a entrada vin em nível baixo 
resultará em saída vout nível alto, e vice-versa.
Considere um circuito igual ao da Figura 8 em que ambos os transistores sejam do 
mesmo modelo e com as especificações que seguem: RD(lig) = 500 Ω, +VDD = 20 V e 
ID = 1 mA, quando VGS = 20 V.
A tensão de saída quando vin for nível lógico baixo será igual a +VCC, já que o transistor 
Q2 estará em corte. Já quando vin for nível lógico alto, o transistor Q2 estará em condução, 
e um divisor de tensão será formado entre Q1 e Q2:
A tensão de saída será igual à queda de tensão em Q2:
11Transistor de efeito de campo MOS (MOSFET): características físicas
MALVINO, A.; BATES, D. Eletrônica. 8. ed. Porto Alegre: AMGH, 2016. v. 1.
Leituras recomendadas
BOYLESTAD, R. L.; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 11. ed. São 
Paulo: Pearson, 2013.
MALVINO, A.; BATES, D. Eletrônica: diodos, transistores e amplificadores. 7. ed. Porto 
Alegre: AMGH, 2011.
NAHVI, M.; EDMINISTER, J. A. Circuitos elétricos. 5. ed. Porto Alegre: Bookman, 2014.
SCHULER, C. Eletrônica I. 7. ed. Porto Alegre: AMGH, 2013.
SEDRA, A. S.; SMITH, K. C. Microeletrônica. 5. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2007.
Referência
Transistor de efeito de campo MOS (MOSFET): características físicas12
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