Por que a porta MOS dos MOSFETs é tão importante?

Os MOSFETs constituem a classe de dispositivos eletrônicos mais importante da atualidade, servindo para a construção de uma infinidade de equipamentos e sistemas, como computadores, celulares, carros elétricos e sistemas de energia renovável. Um dos muitos segredos por trás do sucesso desse componente é a sua porta MOS (Metal-óxido-semicondutor). Neste post, vamos mergulhar um pouco mais no porque essa porta é tão importante e o que ela traz de vantagens para o MOSFET.

Qual a função da porta dos MOSFETs?

A camada de óxido em um MOSFET desempenha um papel crucial no funcionamento do dispositivo. Ela serve como uma barreira isolante entre o terminal de Gate e o canal condutivo do transistor, como ilustra a Fig. 1. Este canal é formado durante a operação do transistor, que de uma forma simplificada funciona assim:

Quando aplicamos uma tensão ao Gate de um MOSFET, cria-se um campo elétrico através da camada de óxido, ou seja, entre o terminal metálico e o corpo semicondutor do dispositivo. Este campo elétrico atrai portadores de carga para a região do canal, modificando sua condutividade. Em um MOSFET tipo N, por exemplo, a aplicação de uma tensão positiva na porta atrai elétrons para a região do canal, permitindo que a corrente flua do dreno para a fonte.

Por outro lado, a camada de óxido também protege o Gate, impedindo que a corrente flua diretamente da porta para o canal. Assim, isso permite que o MOSFET controle a corrente no canal sem demandar muita corrente no Gate. Esta, inclusive, é uma das principais vantagens dos MOSFETs em relação a outros tipos de transistores: ele é um dispositivo acionado por tensão! Isso torna os MOSFETs extremamente eficientes para uma ampla gama de aplicações em eletrônica digital e eletrônica de potência.

Qual a influência da espessura da camada de óxido no desempenho do MOSFET?

A espessura da camada de óxido dos MOSFETs tem um impacto significativo no desempenho do dispositivo, por exemplo:

1. Tensão de Limiar (Vth): A tensão de limiar de um MOSFET, que é a tensão mínima necessária na porta para criar um canal condutor, é diretamente proporcional à espessura da camada de óxido. MOSFETs com camadas de óxido mais espessas geralmente têm tensões de limiar mais altas.
2. Capacitância da Porta: A capacitância da porta de um MOSFET é inversamente proporcional à espessura da camada de óxido. MOSFETs com camadas de óxido mais finas têm maior capacitância de porta, o que pode resultar em tempos de comutação mais rápidos.
3. Corrente de Fuga: A corrente de fuga através da camada de óxido aumenta à medida que a espessura da camada de óxido diminui.
4. Integração: Em circuitos lógicos e processadores a miniaturização de MOSFETs leva à capacidade de produção de circuitos integrados mais complexos em um mesmo footprint. Contudo, isso também leva a camadas de óxido menos espessas, o que faz com que a ruptura da rigidez dielétrica do Gate ocorra com menores tensões. Assim, quanto menos espessa a camada de óxido, ou quanto maior o nível de integração dos MOSFETs em um chip, menor deve ser a tensão de alimentação e comando desses circuitos. Por isso, chips atuais trabalham com tensões na ordem de alguns volts!

Portanto, a espessura da camada de óxido é um parâmetro importante em MOSFETs que precisa ser cuidadosamente otimizado para equilibrar a velocidade de comutação e robustez do circuito de porta a tensões de comando.

Cuidados para a proteção do Gate de MOSFETs

Os MOSFETs são dispositivos sensíveis que são facilmente danificados se não forem manuseados ou operados corretamente. Portanto, o uso de medidas de proteção adequadas para garantir a longevidade e o desempenho ideal dos MOSFETs é crucial. Alguns cuidados importantes para proteção da integridade das portas de MOSFETs são:

1. Proteção contra descargas eletrostáticas: A eletricidade estática é particularmente danosa aos MOSFETs. Isso ocorre porque a camada de óxido é particularmente fina, logo, uma descarga eletrostática (ESD) consegue perfurá-la com certa facilidade. Isso compromete o isolamento do Gate e contribui para perda de vida útil. Para prevenir esses danos, o uso embalagens anti-estáticas na distribuição e transporte de componentes, assim como o uso de pulseiras de aterramento quando do manuseio dos MOSFETs é um cuidado indispensável.
2. Proteção contra transientes de tensão – Os transientes de tensão, que são picos rápidos de tensão que podem ocorrer devido à comutação de carga ou ESD, podem danificar a porta de um MOSFET. Para proteger contra isso, podemos usar diodos de proteção ou varistores de óxido metálico (MOVs) para limitar a tensão na porta.
3. Limitação de corrente: Apesar do MOSFET ser um dispositivo comandado por tensão, a capacitância de Gate faz com que durante transitórios de comando exista uma corrente de acionamento. Para evitar que esta corrente seja excessiva e queime a porta, costumamos usar resistores de gate, entre a tensão de comando e o gate. Esse resistor também controla a velocidade de comutação do MOSFET.

Conclusão

MOSFETs são dispositivos eletrônicos importantes no desenvolvimento da indústria tecnológica moderna, servindo desde chips de computador a inversores fotovoltaicos. Um dos principais segredos do sucesso desse dispositivo é a sua porta isolada, que permite acionamento por tensão e alta velocidade de comutação. Neste artigo discutimos que o óxido do Gate tem influência crucial no nível de isolamento, tensão de comando e velocidade de comutação do dispositivo e como proteger o MOSFET tanto com práticas para evitar ESD, quanto proteção em operação.

Esperamos que o artigo tenha sido útil e te agregado conhecimento.