Em projetos de microeletrônica é muito comum empregar MOSFETs tipo depleção com o terminal de gate diretamente conectado ao terminal fonte. Que finalidade há neste tipo de arranjo? E se o mesmo for feito com um MOSFET tipo intensificação?

Passo 1

O enunciado pergunta duas coisas claras:
  1. Qual a finalidade de ligar diretamente o terminal gate ao terminal source num MOSFET do tipo depleção?
  2. O que acontece se fizer o mesmo (gate ligado ao source) num MOSFET do tipo intensificação?
Informações dadas (implícitas no enunciado):
  • Temos um MOSFET do tipo depleção com gate e source em curto (ou seja, V_{GS}=0).
  • Depois consideramos repetir a mesma conexão num MOSFET do tipo intensificação (novamente V_{GS}=0).
  • Não há outras ligações descritas (por ex. tensões de drain, polaridade do dispositivo), então trataremos os casos típicos (NMOS depleção vs NMOS intensificação) e apontaremos caveats práticos.

Passo 2

Primeiro: entender o que significa “tipo depleção” e “tipo intensificação” e a variável importante V_{GS}.
  • V_{GS} é a diferença de potencial entre gate e source; é ela que “liga” ou “desliga” o canal do MOSFET.
  • O limiar de condução é V_{th}. Se o dispositivo for:
    • tipo intensificação (enhancement): o limiar V_{th}>0 (no caso de NMOS típico). Com V_{GS}<V_{th} o canal não existe; com V_{GS} acima de V_{th} cria-se o canal.
    • tipo depleção (depletion): o limiar V_{th}<0 (no NMOS depleção típico). Mesmo com V_{GS}=0 já existe canal (o transistor é “normally on”).
  • Conceitos úteis de operação:
    • Região linear (triode): canal forma e I_D varia aproximadamente linearmente com V_{DS} (comportamento resistivo).
    • Região de saturação: acima de certa V_{DS} a corrente I_D tende a ficar quase constante (comportamento de fonte de corrente).

Passo 3

Escrever a fórmula básica (modelo simples de saturação) para visualizar o efeito de V_{GS}:
I_D = \frac{1}{2}\,\mu C_{ox}\,\frac{W}{L}\,(V_{GS}-V_{th})^2
onde:
  • \mu é a mobilidade dos portadores,
  • C_{ox} é a capacitância por unidade de área do óxido do gate,
  • W e L são larguras e comprimentos do canal,
  • V_{GS} e V_{th} já foram definidos.
Observação: essa expressão vale quando o transistor está em saturação; em região linear a expressão é diferente (aproximação resistiva), mas a dependência principal com V_{GS}-V_{th} permanece útil.

Passo 4

Aplicar V_{GS}=0 ao caso depleção:
  • Se o transistor é depleção, então V_{th}<0. Logo (V_{GS}-V_{th}) = -V_{th} > 0.
  • Substituindo na fórmula da saturação:
I_D = \frac{1}{2}\,\beta\,(-V_{th})^2
onde \beta=\mu C_{ox}\frac{W}{L}.
  • Isso mostra matematicamente que, com V_{GS}=0, um MOSFET depleção fornece uma corrente finita (não nula): ele já está ligado. Dependendo de V_{DS} ele pode operar na região linear (comportando-se como um resistor) ou, para V_{DS} suficientemente grande, entrar em saturação e aproximar-se de uma fonte de corrente quase constante.
Também é útil lembrar a condição de saturação:
V_{DS} \ge V_{GS}-V_{th}.
Com V_{GS}=0 isso vira V_{DS} \ge -V_{th}. Como -V_{th} é positivo para depleção, valores comuns de V_{DS} colocam o dispositivo em saturação — por isso ele costuma atuar como “carga ativa” ou “fonte de corrente” prática.

Passo 5

Interpretando em palavras simples (pra usar na prova ou projeto):
  • MOSFET depleção com gate ligado ao source ( V_{GS}=0) é um transistor “normalmente ligado”. Ele funciona como um resistor dependente de tensão (em pequena V_{DS}) ou como uma fonte de corrente aproximada (em saturação). Portanto a finalidade típica desse arranjo é:
    • fornecer uma carga ativa (active load) sem precisar de resistor externo,
    • servir como um gerador/bloqueador de corrente (current source/sink) de bias,
    • simplificar polarizações em circuitos analógicos e lógica NMOS antiga.
  • Vantagens: ocupa pouco espaço numa IC (não precisa de resistor grande), permite bias sem tensão de gate adicional.
  • Limitações: corrente e tensão dependem de V_{th} e \beta (variações de processo e temperatura), não é tão preciso quanto uma fonte de corrente projetada; compliance (tensão máxima para manter saturação) é limitada.

Passo 6

Agora o caso intensificação (enhancement) com V_{GS}=0:
  • Para um MOSFET intensificação típico temos V_{th}>0. Então V_{GS}-V_{th} = -V_{th} < 0.
  • Pela fórmula da corrente, quando V_{GS}-V_{th}<0 não existe canal de condução idealmente, portanto I_D\approx 0 (apenas correntes de fuga).
  • Ou seja: ligar gate a source num MOSFET intensificação deixa o dispositivo desligado — ele se comporta como circuito aberto entre drain e source (na prática só passam correntes de fuga e, em dispositivos discretos, pode haver corrente pelo diodo corpo se a polaridade favorecer).

Passo 7

Caveats práticos importantes que você precisa saber na hora da prova e no projeto:
  • Em MOSFETs discretos (power MOSFETs) existe um díodo intrinsic (diodo de corpo) entre body e drain: mesmo com gate ligado ao source, uma tensão no sentido que forward-bias o díodo vai conduzir. Então “desligado” não garante zero corrente para todas as polaridades.
  • Em circuitos integrados, o body (substrato) pode não estar ligado ao source localmente — há o efeito de corpo (body effect) que muda V_{th} se a diferença body-source variar. Isso pode alterar um pouco o comportamento, mas o princípio (depleção-on, intensificação-off com V_{GS}=0) permanece.
  • Temperatura e dispersão de processo mudam V_{th} e \beta, portanto um MOSFET depleção como “fonte de corrente” não é de alta precisão sem calibração.

Passo 8

Exemplo numérico simples (pra fixar na cabeça):
  • Suponha um MOSFET depleção com V_{th}=-2\,\mathrm{V} e \beta=1{,}0\\ \mathrm{mA/V^2}.
  • Com V_{GS}=0:
I_D=\frac{1}{2}\beta(-V_{th})^2=\frac{1}{2}\cdot 1{,}0\cdot (2)^2=2{,}0\\ \mathrm{mA}.
  • Agora um MOSFET intensificação com V_{th}=+2\,\mathrm{V} e mesma \beta: com V_{GS}=0 temos V_{GS}-V_{th}=-2\,\mathrm{V} e não há corrente (apenas fuga), logo I_D\approx 0.
  • Esse exemplo mostra claramente: depleção -> conduz sem gate drive; intensificação -> não conduz sem gate drive.

Passo 9

Resumo prático e dica para prova:
  • Quando vir “gate ligado ao source” pense imediatamente em V_{GS}=0. Depois verifique o sinal de V_{th}:
    • se V_{th}<0 (depleção) → transistor ligado, usado como resistor/active load/current source;
    • se V_{th}>0 (intensificação) → transistor desligado (circuito aberto), salvo fugas e diodo de corpo.
  • Na resposta escrita na prova, explique em poucas linhas esse raciocínio: escrever V_{GS}=0, comparar com V_{th} e concluir sobre condução. Dá ponto fácil e explica por que o circuito é usado.

Resposta

Depleção: com V_{GS}=0 (gate ligado ao source) o transistor permanece ligado ( V_{GS}-V_{th}=-V_{th}>0 porque V_{th}<0) e atua como um resistor dependente de tensão ou, em saturação, como uma fonte de corrente aproximada — por isso é usado como carga ativa / elemento de bias sem resistor externo.
Intensificação: com V_{GS}=0 o transistor fica desligado ( V_{GS}-V_{th}<0 porque V_{th}>0), ou seja, comporta-se como circuito aberto (salvo correntes de fuga e possível condução via diodo de corpo em dispositivos discretos).

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