1.2 Funcionamento

O nome transistor de efeito de campo deve-se ao fato de que uma tensão será aplicada à porta dos transistores, ocasionando o aparecimento de um campo elétrico entre a porta e o substrato, ou corpo, do MOSFET. Esse campo elétrico poderá atrair ou repelir elétrons ou lacunas a depender da sua direção, isto é, da polaridade da tensão aplicada.

Essa atração de portadores para perto da porta é que formará o chamado canal. Será um canal de portadores entre dreno e fonte para que um possa drenar os portadores fornecidos pelo outro. Simples assim.

Esse é o efeito do campo: ajudar a formar ou dificultar a formação de um canal entre dreno e fonte!!!

Chama-se essa formação do canal de inversão: o substrato terá sua polaridade invertida com o acúmulo de portadores minoritários na região abaixo da porta. A inversão, obviamente, só acontece na região próxima à porta, entre dreno e fonte. O restante do substrato, que estava em equilíbrio de cargas, mesmo com as regiões de depleção entre substrato-dreno e substrato-fonte, torna-se ainda mais positivo ou ainda mais negativo, nos NMOS ou nos PMOS, respectivamente.

Em quaisquer dos tipos, NMOS ou PMOS, haverá algumas regiões em que se costuma analisar a operação do MOSFET relativamente à inversão, ou formação do canal (Streetman and Banerjee 2006):

  • Acumulação: a tensão de porta ajuda a repelir os portadores de canal, permitindo ao transistor atuar como um capacitor, mas dos portadores diferentes daqueles usados para a dopagem de dreno/fonte.

  • Depleção: a tensão de porta ajuda a atrair os portadores de canal, mas ainda é muito baixa e o acúmulo de cargas é muito próximo ao da região de depleção de uma junção PN natural, por isso, chama-se essa região de operação de depleção.

  • Inversão fraca: a tensão de porta continua a atrair os portadores de canal, permitindo que se possa iniciar a condução entre dreno e fonte, mas ainda muito difícil para que se atinja níveis desejados de corrente para considerar o dispositivo ligado.

  • Inversão moderada: a tensão de porta já atingiu o nível mínimo necessário para que se considere o dispositivo ligado e a corrente no dispositivo já flui com facilidade dado o canal formado, mas ainda há espaço para ainda mais acúmulo de cargas e, consquementemente aumento de corrente. É uma região de alta sensibilidade em que um pequeno aumento (em módulo) da tensão de porta ocasionará aumento muito grande do canal permitindo a corrente aumentar muito com pouca tensão a mais.

  • Inversão forte: ainda há espaço para aumento de corrente, mas não tão siginificativo quanto na inversão moderada. O canal já está demasiadamente populado de portadores e um aumento de campo já não surte tanto efeito podendo levar inclusive a uma queda da eficiência da produção de corrente dado ao choque demasiado de portadores.

Dessa forma, para os NMOS espera-se que a tensão aplicada seja positiva, para atrair os elétrons para a porta formando um canal entre dreno e fonte que são fortemente dopados com elétrons. Para os PMOS, que a tensão aplicada seja negativa, para atrair as lacunas para a porta, formando um canal entre dreno e fonte que são fortemente dopados com lacunas.

A Figura 1.5 traz a evolução da carga acumulada na porta de um MOSFET em função da tensão \(V_{GS}\).

Variação da capacitância de porta de NMOS com a tensão $\VGS$. [@baker2]

Figura 1.5: Variação da capacitância de porta de NMOS com a tensão \(V_{GS}\). (Baker 2010)

Aqui, já temos uma avaliação importante: o terminal de fonte foi eleito como sendo o ponto de referência para a imposição de tensão que irá produzir o canal no MOSFET. Isto é, a tensão de porta sempre estará referida ao terminal de fonte, mesmo que o terminal de corpo seja ainda mais importante para o controle da formação de corrente. Como o terminal de corpo ficará ligado a um potencial fixo, então a referência externa para formar o canal do MOSFET virá do terminal de fonte, por isso a tensão de controle da porta é: \(V_{GS}\).

As regiões de inversão fraca e moderada, que não aparecem na figura estão compreendidas entre o ponto de mínimo da capacitância e o ponto de estabilidade que determina a inversão forte. Como mencionado anteriormente são regiões de altíssima sensibilidade da capacitância de porta com a tensão \(V_{GS}\). A região de inversão fraca é bem pequena e está bem próxima ao ponto de mínimo, ficando a faixa quase linear para a região de inversão moderada.

Uma vez que o canal foi formado, para que haja corrente por ele é preciso que uma outra tensão seja imposta no dreno para que esses portadores passem a fluir da fonte para o dreno.

No caso do NMOS, a diferença de tensão precisa ser positiva em relação à fonte para que ela atraia os elétrons (portadores do canal), estabelecendo a corrente entre fonte e dreno.

No caso do PMOS, a diferença de tensão precisa ser negativa em relação à fonte para que ela atraia as lacunas (portadores do canal), estabelecendo a corrente entre fonte e dreno.

Com tudo isso em mente, já é possível vermos o que acontece quando essas tensões são colocadas no circuito e qual o comportamento dos MOSFETs em diversas situações.

Referências

Baker, R. Jacob. 2010. CMOS: Circuit Design, Layout, and Simulation. 3rd ed. Wiley-IEEE Press.

Streetman, Ben G., and Sanjay Kumar Banerjee. 2006. “Solid State Electronic Devices.”