Tipos de transistores de efeito de campo (CMOS)

 Esse tipo de transistor não é exatamente um componente, já que não podemos comprar um CMOS individual, em uma loja de eletrônicos, mas se encaixa mais como uma montagem.

O nome dessa configuração, CMOS, significa complementary MOSFET, e é feita com um MOSFET de depleção, e um de intensificação, montados sobre o mesmo substrato, mas você pode está se perguntando, "Se o substrado dos dois tipos são diferentes, como eles podem ser montados sobre o mesmo?". Bem para saber como veja a imagem abaixo:

Imagem retirada do livro Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos, 11° ed, Robert Boylestad.

Essa montagem possui uma alta impedância de entrada e uma alta velocidade de chaveamento, por causa disso ela é amplamente utilizada na confecção de CIs de circuitos digitais.

E esses dois transistores integrados são feitos de uma maneira que, quando determinada tensão é aplicada na porta comum, essa tensão coloca o mosfet de intensificação em condução, mas não corta ainda o mosfet de depleção, assim o dispositivo consegue funcionar quando a entrada esta dentro de uma faixa de tolerância.

Alavancas

"Me dê uma alavanca e um ponto de apoio e levantarei o mundo." Você provavelmente já ouviu essa frase antes, ela foi dita por Arquimedes, quando falava desses mecanismos, mas como isso seria feito? Vamos ver sobre a construção e princípios fisicos por trás de uma alavanca para entender melhor.

Construção

Para o funcionamento de uma alavanca, poucas duas coisas são necessárias, é preciso um ponto de apoio e um corpo sólido alongado, para transmitir a ação, veja abaixo:

 

Como podemos ver uma alavanca é um mecanismo bem simples, e com certeza você se lembra de algo parecido, uma gangorra que podemos encontrar em qualquer parque, nada mais é do que uma alavanca em seu funcionamento mais básico,e como se mecanismo se comporta?

 

Funcionamento

Como já deve ter percebido, a barra de uma alavanca se move em cima do ponto de apoio, ela pode oscilar no sentido da barra, e quando um dos lados vai em uma direção, o outro vai na direção contrária, mas isso não é o melhor sobre o funcionamento dela, uma alavanca é capaz de aplicar uma força em um corpo, e levantar uma carga, que poderia ser muito difícil de fazer de outra maneira, porque?

Pela barra ser rígida o que ocorre de um lado irá afetar o outro, então se for aplicada uma força em uma das extremidades, irá surgir um momento na barra, veja em Solicitações internas do corpo, lá vimos que:

Momento = Força * distancia

Essa distância é o comprimento do braço da alavanca na qual foi aplicada a força, e esse mesmo momento irá surgir do outro lado, mas dessa vez na direção contrária, e os braços não são obrigatoriamente do mesmo comprimento, se o segundo braço for mais curto, o produto da força e da distância deverá ser o mesmo, então a força será maior, mas se o segundo braço for mais longo a força será menor, mas isso não significa que podemos mover uma grande massa por uma grande distância, o momento dos dois lados se conserva, porém o trabalho também se conserva, veja em Propriedades dos corpos sólidos,

Ali vemos que o trabalho aplicado em um corpo é:

Trabalho = Força aplicada * distancia percorrida

Então se na conservação de momento vemos que a força pode aumentar ou diminuir, na conservação de trabalho vemos que o deslocamento que essa força faz também pode variar, o deslocamento será maior, se a força diminuir, e menor se a força aumentar.

Trabalhando bem com essas relações, podemos usar alavancas para realizar muitos trabalhos que desejemos, e por vezes, simplificar uma tarefa.

Representação logarítmica

 Normalmente, ao compararmos a relação entre duas grandezas, por meio de um gráfico, usamos uma representação em que a escala é proporcional e se mantém constante por todo o gráfico para facilitar a visualização, mas dependendo da diferença de grandezas entre os eixos, por exemplo se um eixo necessitar abranger um intervalo muito maior do que o outro, se utilizamos uma representação em que a proporção fosse constante, o gráfico obtido seria grande demais, então para esses casos em que existe uma grande discrepância nas ordens de grandeza dos eixos, podemos utilizar a representação logarítmica, para apresentar os dados de uma maneira mais compacta, sem perder informações importantes como o exemplo abaixo:

 

Esse gráfico foi retirado do datasheet do amplificador operacional OPA2111 da Texas Instruments, ele relaciona a frequência de entrada que pode variar de 1.000 até 1.000.000 com a tensão máxima da saida, que varia de 22V e cai até próximo à 0, as escalas dos eixos são muito diferentes, como então é possivel mostrar o gráfico e manter as informações?

Se utilizassemos uma escala constante ou o gráfico seria muito grande, ou as informações presentes em um intervalo menor seriam ilegíveis, mas olhe a escala do eixo horizontal, cada marcação é a anterior multiplicada por 10, cada intervalo desses é chamado de década, e as linhas verticais não estão todas com o mesmo espaçamento, elas estão mais próximas quanto mais juntas das indicações,isso porque o eixo horizontal está na escala logarítimica que pode ser usando Bel ou decibel, que indicam a proporção da escala, com uma referência.

Bel

Essa é a primeira escala da proporção logarítmica, veja abaixo como é calculado:

 

O subíndice B se refere à Bel, para indicar que é o valor nessa escala, e ele é o resultado do logaritmo de base 10 do valor original, dividido pela referência adotada.

decibel

A segunda escala é obtida com a mesma conta, mas dessa vez, multiplicada por 10:

  

Essa é a aplicação do calculo de decibéis no caso geral, mas se estamos trabalhando com níveis de tensão em um circuito, ao invés de multiplicar Bel por 10, multiplicaremos por 20. 

Tipos de transistores de efeito de campo (MOSFETs tipo intensificação)

 Como podemos imaginar pelo nome, a várias características semelhantes entre esses dois tipos de MOSFET, mas também há muitas diferenças, entre elas a ausência do canal entre a fonte e o dreno, por isso decidi separar os dois tipos, vamos ver nesse artigo mais sobre  essa variação de transistores.

No Mosfet tipo intensificação, caso seja aplicada uma tensão entre dreno e fonte, mas não na porta, a corrente não pode fluir, diferentemente do MOSFET tipo depleção que, com 0V na porta conduzia uma corrente Idss entre dreno e fonte, e essa ausência de corrente continua até a tensão na porta atingir um nível de gatilho, ou limiar, e se estivermos usando literatura em inglês tensão de Thereshold, em que o campo elétrico gria uma zona em que a corrente consegue passar, e a partir dai ela continua aumentando quanto mais se aumenta a tensão na porta, a curva de funcionamento desses componentes é a seguinte:

 

Imagem retirada do livro Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos, 11° edição, Robert L. Boylestad.

À esquerda vemos a curva de transferência do dispositivo, essa curva relaciona a saida (Id) com a entrada (Vgs), assim vemos como a corrente de dreno aumenta com o aumento da tensão na porta, à direita está a curva caracteristica de dreno que relaciona duas grandezas de saida, a corrente de dreno e a tensão dreno-fonte, nos eixos com as curvas de tensão na porta em azul. Perceba que a curva de transferência pode ser construida a partir da curva característica. Agora vamos ver a construção desses componentes:

MOSFET tipo Intensificação de canal N  

Já disse que MOSFETs de intensificação não possuem canal, mas aida usamos o material minoritário do componente para classifica-los, esses dispositivos são construidos sobre um substrato de material P, o dreno e a fonte são conectados à terminais metálicos, e a porta é isolada do semicondutor por uma camada de óxido:

 

A corrente dreno fonte desse dispositivo aumenta para tensóes positivas na porta, além da tensão de ativação.

 

 MOSFET tipo intensificação de canal P

Com a mesma montagem do de canal N, mas as posições dos materiais P e N trocadas:

 

 

Para esses dispositivos a equação de shockley não é válida então para calcular a corrente, quanto a tensão na porta for maior que a tensão de ativação, usamos as equações:

 

Id ligado é obtido da curva de transferência do transistor usado.