Questão 7-O que acontece com a corrente de dreno (
) de um MOSFET N -canal quando a tensão Gate-Source (
) aumenta além da tensão de limiar (
) em modo de enriquecimento?
Passo 1
O enunciado pergunta claramente: “O que acontece com a corrente de dreno (
) de um MOSFET N‑canal quando a tensão gate‑source (
) aumenta além da tensão de limiar (
) em modo de enriquecimento?”
Informações dadas (implícitas na pergunta):
Informações dadas (implícitas na pergunta):
- Estamos em um MOSFET N‑canal no modo de enriquecimento, ou seja, não há canal quando
e há canal de condução quando . - A grandeza de interesse é a corrente de dreno
enquanto se aumenta além de .
Passo 2
O que fisicamente acontece ao aumentar
além de
(intuição passo a passo):
- Quando
ultrapassa cria‑se uma camada de portadores de carga (elétrons, no caso N‑canal) próxima à interface óxido‑semicondutor: forma‑se o “canal inverso”. - A densidade de carga no canal, que é a quantidade de elétrons por unidade de área disponíveis para conduzir, aumenta com o excesso de tensão de gate, proporcional a
. Uma expressão simples para a carga por unidade de área na região forte de inversão é
onde
é a capacitância por área do óxido de porta. Expliquei:
é carga (C/m²),
tem unidade F/m² e
é a tensão de “overdrive”.
- Mais carga no canal significa maior condutância do canal, logo maior corrente para a mesma tensão entre dreno e fonte.
Passo 3
Como a corrente varia em regime linear (pequeno
): fórmula e interpretação.
- Para
pequeno (região linear/ohmica) o modelo do MOSFET de canal gradual dá aproximadamente:
onde:
-
é a mobilidade dos elétrons (m²/V·s), -
é a largura do canal (m), -
é o comprimento do canal (m), -
é a tensão dreno‑fonte (V). - Interpretação prática: para
fixo e pequeno, o termo dominante é → cresce aproximadamente de forma linear com .
Passo 4
Como a corrente varia em saturação (quando
): fórmula e interpretação.
- No modo de saturação (região em que o canal “pincha” perto do dreno), o modelo quadrático ideal dá:
- Interpretação: em saturação, para variação de
acima de , cresce aproximadamente com o quadrado de . Logo, aumentar tem um efeito forte na corrente enquanto o modelo ideal valer.
Passo 5
Efeitos não ideais que limitam o aumento de
com
— o que prestar atenção na prova:
- Degradação da mobilidade: em campos elétricos verticais altos (quando
é grande) a mobilidade diminui por espalhamento, reduzindo o ganho de corrente. Isso faz com que o crescimento de seja menor que o previsto pelo modelo ideal. - Saturação de velocidade: para canais curtos, os elétrons atingem velocidade máxima prática e a corrente cresce menos que quadrática/linear com
. - Modulação do comprimento de canal (efeito
): mesmo em saturação, depende de . Um modelo corrigido é
onde
é o parâmetro de modulação do comprimento de canal.
- Efeito corpo, aquecimento e limites térmicos também podem limitar
em prática.
Passo 6
Resumo didático de como responder rapidamente numa prova (frase curta + fórmula de suporte):
- Frase curta: “Ao aumentar
além de forma‑se um canal com mais elétrons e a corrente de dreno aumenta.” - Fórmulas de suporte (dependendo da região): usar a expressão linear para pequeno
e a expressão quadrática para saturação, ambas mostradas nos passos 3 e 4. Em seguida mencionar brevemente que efeitos não ideais reduzem o aumento real.
Passo 7
Pequeno exemplo numérico mental para fixar (sem calculadora): suponha que todos os parâmetros fora
sejam constantes; se
dobra então:
- em região linear
aproximadamente dobra (proporcional a ); - em saturação
aproximadamente quadrupla (proporcional a ), até onde os efeitos não ideais permitirem.
Resposta
A corrente de dreno
aumenta quando
ultrapassa
: em região linear cresce aproximadamente proporcional a
(ver
) e em saturação cresce aproximadamente com
(ver
), sujeita a limitações práticas como degradação de mobilidade, saturação de velocidade e modulação do comprimento de canal.