MOSFET

A palavra "metal" no nome é um anacronismo vindo dos primeiros chips, onde as comportas (gates) eram de metal. Os chips modernos usam comportas de polissilício, mas ainda são chamados de MOSFETs. Um MOSFET é composto de um canal de material semicondutor de tipo N ou de tipo P e é chamado respectivamente de NMOS ou PMOS. Geralmente o semicondutor escolhido é o silício, mas alguns fabricantes, principalmente a IBM, começaram a usar uma mistura de silício e germânio (SiGe) nos canais dos MOSFETs. Infelizmente muitos semicondutores com melhores propriedades elétricas do que o silício, tais como o arsenieto de gálio, não formam bons óxidos nas comportas e portanto não são adequados para os MOSFETs. O IGFET é um termo relacionado que significa Insulated-Gate Field Effect Transistor, e é quase sinônimo de MOSFET, embora ele possa se referir a um FET com comporta isolada por um isolante não óxido.

O MOSFET é um dispositivo de 4 terminais: dreno (drain), fonte (source), porta (gate) e substrato (bulk), sendo que em circuitos discretos, normalmente só tem três terminais acessíveis, tendo o substrato ligado à fonte. A dopagem do poço é complementar à dos terminais. Os parâmetros de dimensionamento mais importantes são W {\displaystyle W} a largura do canal, que condiciona a passagem de corrente no transistor, sendo proporcional a esta. O L {\displaystyle L} é o comprimento do canal que está relacionado com o tempo de trânsito dos elétrons no canal, restrigindo assim a resposta em frequência do dispositivo.

A operação de um MOSFET pode ser dividida em três diferentes modos, dependendo das tensões aplicadas sobre seus terminais. Para o NMOS os modos são: (para o PMOS as referências de tensões e corrente são complementares): onde V G S {\displaystyle V_{GS}} é a tensão entre a comporta e a fonte e V t h {\displaystyle V_{th}} é a Tensão de threshold (limiar) de condução do dispositivo Em circuitos digitais, os MOSFETs são usadas preferencialmente as regiões de corte e região ôhmica. Em circuitos analógicos é usado o transístor em modo de saturação, o que costuma fazer confusão com o modo de saturação dos transístores bipolares de junção que são substancialmente diferentes. A saturação nos MOS é análoga a Zona Ativa Direta dos TBJ.

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Numa primeira aproximação a corrente do transistor no modo de saturação é praticamente independente da tensão V D S {\displaystyle V_{DS}} . Tal aproximação deixa de ser válida quanto mais se afasta do limiar tríodo-saturação. Obtem-se assim a expressão que tem em conta esse fenómeno: I D = μ n C o x 2 W L ( V G S − V t h ) 2 ( 1 + λ V D S ) {\displaystyle I_{D}={\frac {\mu _{n}C_{ox}}{2}}{\frac {W}{L}}(V_{GS}-V_{th})^{2}(1+\lambda V_{DS})} Onde, 1 / λ = U A {\displaystyle 1/\lambda =U_{A}} que é a tensão de Early. Um parâmetro característico do transistor. Este efeito manifesta-se substancialmente em dispositivos de dimensões muito reduzidas e de substratos pouco dopados.

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A análise da resposta deste dispositivo a sinais não-estacionários pode ser feita com recurso a uma linearização das equações da corrente para o mesmo. Desenvolvimento de primeira ordem em série de Taylor, em torno do ponto de funcionamento em repouso. i d = ∂ i D ∂ u G S u g s + ∂ i D ∂ u D S u d s + . . . {\displaystyle i_{d}={\frac {\partial i_{D}}{\partial u_{GS}}}u_{gs}+{\frac {\partial i_{D}}{\partial u_{DS}}}u_{ds}+...} ∂ i D ∂ u G S = g m = μ n C o x W L ( V G S 0 − V t h 0 ) {\displaystyle {\frac {\partial i_{D}}{\partial u_{GS}}}=g_{m}=\mu _{n}C_{ox}{\frac {W}{L}}(V_{GS0}-V_{th0})} Onde, g m {\displaystyle g_{m}} é definido como o parâmetro de transcondutância incremental. ∂ i D ∂ u D S = g d s = r o − 1 ≈ λ i D {\displaystyle {\frac {\partial i_{D}}{\partial u_{DS}}}=g_{ds}=r_{o}^{-1}\approx \lambda i_{D}}

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A capacitância parasita pode se manifestar de diversas formas, dependendo do tipo do circuito e do transistor. Um efeito bastante comum, é o efeito conhecido como "cross talk", no qual campos elétricos próximos e adjacentes ao transistor, podem leva-lo a condução, mesmo sem que nenhum sinal esteja sendo aplicado em seu terminal de controle, produzindo interferências. Os transistores MOSFETs são dispositivos controlados por tensão, pois um sinal positivo na porta de um transistor do canal N, cria um campo elétrico que atrai elétrons na região semicondutora, formando o canal de condução. O que é importante salientar, é que na maioria dos casos não é necessário a aplicação de um sinal em sua porta para fazer um MOSFET entrar em condução, campos elétricos externos, adjacentes e próximos ao transistor, e também até mesmo o campo elétrico produzido pela fonte de alimentação do sistema, o qual se espalha pela superfície onde encontra-se montado o transistor, podendo ser uma placa de circuito impresso, ou pastilha de silício em circuitos integrados, produzem nos mesmos um momento atração/repulsão na sua porta, levando-o a condução e até a saturação involuntária, o que pode produzir a aparição de estados indesejados em um circuito, também conhecido como Cross Talk.