Regiões de operação e parâmetros dos MOSFETs

Um MOSFET de enriquecimento tem três terminais principais:

• Gate (G): terminal de controle.
• Dreno (D): um terminal do caminho controlado.
• Source (S): o outro terminal do caminho controlado e a referência do comando.

Nos símbolos, o gate fica separado do canal por um espaço: isso representa seu isolamento elétrico. Há versões de canal N e canal P. Neste tutorial, o canal N será a referência; para o canal P, as polaridades relevantes se invertem.

O gate não é controlado por sua tensão em relação a um “terra” escolhido por conveniência. A tensão que importa é a diferença entre gate e source:

V_GS = V_G − V_S

Também usamos:

V_DS = V_D − V_S

Portanto, o source é a referência para interpretar tanto o comando quanto a tensão entre os terminais do caminho principal.

Em um MOSFET de enriquecimento, V_GS = 0 normalmente corresponde ao canal desligado.

• Canal N: uma V_GS positiva favorece a condução do canal.
• Canal P: uma V_GS negativa favorece a condução do canal.

Isso indica apenas o sentido apropriado do comando. A tensão necessária para uma condução adequada depende do componente e será analisada mais adiante.

Em MOSFETs discretos usuais de três terminais, o corpo interno é ligado ao source. Essa construção cria um diodo intrínseco entre dreno e source, além do canal controlado pelo gate.

Portanto, colocar V_GS = 0 desliga o canal de enriquecimento, mas não elimina automaticamente todo caminho de corrente entre dreno e source. Se o diodo intrínseco estiver diretamente polarizado, ele poderá conduzir.

Use a mesma regra de qualquer diodo: há condução quando o ânodo fica em potencial mais alto que o cátodo o suficiente para polarização direta.

• MOSFET canal N: ânodo no source e cátodo no dreno. O diodo conduz no sentido convencional S → D.
• MOSFET canal P: ânodo no dreno e cátodo no source. O diodo conduz no sentido convencional D → S.

Essa análise é independente do comando do gate: primeiro identifique ânodo e cátodo, depois compare as tensões nos terminais.

Um único MOSFET pode bloquear a corrente em uma polaridade pelo canal desligado e pelo diodo reversamente polarizado. Porém, na polaridade oposta, o diodo intrínseco pode criar um caminho de condução.

Assim, não é correto concluir que “MOSFET desligado bloqueia nos dois sentidos”. A conclusão depende da orientação do diodo e das tensões em dreno e source. Métodos para bloqueio bidirecional serão estudados em outro momento.

V_GS(th) marca o início, não o estado “bem ligado”

Em um MOSFET de enriquecimento de canal N, a tensão de limiar V_GS(th) é medida entre gate e source e informa quando o canal começa a conduzir nas condições definidas pelo fabricante.

O ponto decisivo está nas condições de teste: o limiar costuma ser especificado para uma corrente de dreno pequena, por exemplo 250 µA ou 1 mA. Essa corrente pode ser milhares de vezes menor que a corrente exigida por uma carga.

Portanto, V_GS acima do limiar permite concluir que há início de condução sob aquela referência de teste — não que o MOSFET conduzirá a corrente desejada com queda de tensão pequena.

Considere este trecho didático de uma folha de dados fictícia. Ele deve ser lido inteiro, incluindo a coluna de condições.

Em um exercício de modelo simplificado, podemos receber um limiar fixo, por exemplo V_T = 2,0 V. Esse valor é uma hipótese fornecida para classificar o comportamento no modelo que será usado adiante.

Ele não é a mesma coisa que a faixa real de V_GS(th) de uma folha de dados. Na prática, a folha informa faixa e condições de ensaio; no modelo, V_T é um valor único escolhido para permitir cálculos e classificações.

Para o MOSFET fictício da tabela, o fabricante informa VGS(th) de 1,0 V a 2,5 V, com ID = 250 µA.

Uma carga precisa de 1 A. Qual conclusão é tecnicamente válida ao aplicar VGS = 2,5 V?

Considere um MOSFET de canal N no modelo simplificado, com \(V_{DS} \ge 0\), diodo intrínseco sem condução direta e sem ruptura. Defina a sobretensão de comando:

\[V_{OV}=V_{GS}-V_T\]

Ela só é positiva quando o gate-source excede o limiar. A classificação do canal vem da comparação entre \(V_{DS}\) e \(V_{OV}\).

| Condição no modelo | Região do canal |
|---|---|
| \(V_{GS}\le V_T\) | Corte aproximado |
| \(V_{GS}>V_T\) e \(0\le V_{DS}<V_{GS}-V_T\) | Região ôhmica (triodo) |
| \(V_{GS}>V_T\) e \(V_{DS}\ge V_{GS}-V_T\) | Saturação |

Em corte, adotamos \(V_{GS}\le V_T\) e desprezamos as pequenas correntes que podem existir no dispositivo real. Isso classifica o canal; não elimina um possível caminho pelo diodo intrínseco, que já foi estudado.

Na região ôhmica (ou triodo), \(V_{DS}\) ainda é menor que \(V_{OV}\). Para \(V_{DS}\) bem pequeno em relação a \(V_{OV}\), o MOSFET pode ser aproximado por uma resistência entre dreno e source.

Na saturação do MOSFET de canal N, \(V_{DS}\ge V_{OV}\). A corrente passa a depender mais de \(V_{GS}\) do que de \(V_{DS}\), mas não é perfeitamente constante: curvas reais ainda têm inclinação.

Em curvas de saída \(I_D\) versus \(V_{DS}\), cada curva corresponde a um \(V_{GS}\). A parte inicial, perto da origem, é a região ôhmica; após a “dobra” aproximada, vem a saturação.

Para um MOSFET de canal P, inverta as referências: use \(V_{SG}=V_S-V_G\), \(V_{SD}=V_S-V_D\) e o módulo \(|V_T|\). No modelo correspondente:

• corte: \(V_{SG}\le|V_T|\);
• região ôhmica: \(V_{SG}>|V_T|\) e \(0\le V_{SD}<V_{SG}-|V_T|\);
• saturação: \(V_{SG}>|V_T|\) e \(V_{SD}\ge V_{SG}-|V_T|\).

R_DS(on) é a resistência entre dreno e source informada para o MOSFET no estado ligado, sob condições de teste definidas pelo fabricante. Ela não é um valor único válido para qualquer comando.

Para usar uma especificação como limite de projeto, leia o conjunto completo: valor máximo, V_GS, I_D e temperatura. A tensão relevante é a disponível entre gate e source no circuito, e não apenas a tensão do sinal de comando em relação ao terra.

O gate é isolado do canal por uma camada muito fina. Por isso, após o gate atingir uma tensão estável, a corrente contínua de gate é muito pequena — mas não é rigorosamente zero: a folha de dados normalmente informa uma corrente de fuga máxima em uma condição de teste.

Isso não significa que o gate dispense corrente em todos os momentos. As capacitâncias internas associadas ao gate precisam receber carga para elevar V_GS e perder carga para reduzir V_GS.

A carga total de gate, Q_g, resume quanta carga foi movimentada para levar o gate até uma tensão indicada em condições definidas pelo fabricante. Ela costuma aparecer em nC.

Q_g não é uma capacitância constante universal. O valor informado depende das condições do ensaio, especialmente de V_GS, V_DS e I_D. Portanto, comparar apenas os números de Q_g de duas peças pode levar a uma conclusão errada se as condições forem diferentes.

Os limites absolutos indicam condições que não devem ser ultrapassadas. Eles não descrevem, por si só, o desempenho do MOSFET nem são metas de operação.

Três verificações são independentes:

• V_DS máximo: limita a tensão entre dreno e source na polaridade especificada. Ruptura não é um modo normal de operação.
• V_GS máximo: limita a tensão entre gate e source e protege o isolamento do gate. Quando há limites positivo e negativo, ambos importam.
• I_D: limita a corrente de dreno somente nas condições declaradas pelo fabricante.

Compare sempre V_DS, V_GS e I_D com suas especificações correspondentes; uma tensão medida em relação a uma referência arbitrária não substitui essas grandezas.

A corrente de dreno pode aparecer como valor contínuo e como valor pulsado. Cada número só faz sentido com as condições associadas: temperatura, encapsulamento, montagem e, no caso de pulsos, duração e repetição.

A corrente máxima não é uma corrente fornecida ou imposta pelo MOSFET. A alimentação e a carga definem a corrente do circuito; a folha de dados informa um limite condicionado que o componente pode suportar.

Logo, um valor alto de corrente pulsada não autoriza usar a mesma corrente continuamente.

Considere um MOSFET de canal N em uma análise simplificada, com o source em 0 V. A tensão de comando alterna entre 0 V e 3,3 V. Use, para este exercício, V_T = 1,5 V.

No estado ligado, são observados: V_G = 3,3 V, V_D = 0,12 V e I_D = 8 A. No estado desligado normal, V_G = 0 V e V_D = 24 V. Como teste separado de polaridade reversa, imagine V_G = 0 V e V_D = −0,7 V.

Siga esta sequência: determine V_GS; classifique o canal; verifique o diodo separadamente; procure R_DS(on) nas condições aplicáveis; e confira os limites de tensão.

Associe cada dado à conclusão que ele permite tirar. Observe que a condução do canal, o diodo intrínseco, a garantia de resistência e os limites são avaliados por critérios próprios.