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:
- Qual a finalidade de ligar diretamente o terminal gate ao terminal source num MOSFET do tipo depleção?
- 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,
). - Depois consideramos repetir a mesma conexão num MOSFET do tipo intensificação (novamente
). - 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
.
-
é a diferença de potencial entre gate e source; é ela que “liga” ou “desliga” o canal do MOSFET. - O limiar de condução é
. Se o dispositivo for: - tipo intensificação (enhancement): o limiar
(no caso de NMOS típico). Com o canal não existe; com acima de cria-se o canal. - tipo depleção (depletion): o limiar
(no NMOS depleção típico). Mesmo com já existe canal (o transistor é “normally on”).
- tipo intensificação (enhancement): o limiar
- Conceitos úteis de operação:
- Região linear (triode): canal forma e
varia aproximadamente linearmente com (comportamento resistivo). - Região de saturação: acima de certa
a corrente tende a ficar quase constante (comportamento de fonte de corrente).
- Região linear (triode): canal forma e
Passo 3
Escrever a fórmula básica (modelo simples de saturação) para visualizar o efeito de
:
onde:
-
é a mobilidade dos portadores, -
é a capacitância por unidade de área do óxido do gate, -
e são larguras e comprimentos do canal, -
e 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
permanece útil.
Passo 4
Aplicar
ao caso depleção:
- Se o transistor é depleção, então
. Logo . - Substituindo na fórmula da saturação:
onde
.
- Isso mostra matematicamente que, com
, um MOSFET depleção fornece uma corrente finita (não nula): ele já está ligado. Dependendo de ele pode operar na região linear (comportando-se como um resistor) ou, para suficientemente grande, entrar em saturação e aproximar-se de uma fonte de corrente quase constante.
Também é útil lembrar a condição de saturação:
Com
isso vira
. Como
é positivo para depleção, valores comuns de
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 (
) é um transistor “normalmente ligado”. Ele funciona como um resistor dependente de tensão (em pequena ) 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
e (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
:
- Para um MOSFET intensificação típico temos
. Então . - Pela fórmula da corrente, quando
não existe canal de condução idealmente, portanto (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
se a diferença body-source variar. Isso pode alterar um pouco o comportamento, mas o princípio (depleção-on, intensificação-off com ) permanece. - Temperatura e dispersão de processo mudam
e , 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
e . - Com
:
- Agora um MOSFET intensificação com
e mesma : com temos e não há corrente (apenas fuga), logo . - 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
. Depois verifique o sinal de : - se
(depleção) → transistor ligado, usado como resistor/active load/current source; - se
(intensificação) → transistor desligado (circuito aberto), salvo fugas e diodo de corpo.
- se
- Na resposta escrita na prova, explique em poucas linhas esse raciocínio: escrever
, comparar com e concluir sobre condução. Dá ponto fácil e explica por que o circuito é usado.
Resposta
Depleção: com
(gate ligado ao source) o transistor permanece ligado (
porque
) 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 o transistor fica desligado (
porque
), ou seja, comporta-se como circuito aberto (salvo correntes de fuga e possível condução via diodo de corpo em dispositivos discretos).
Intensificação: com