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Transistor de efeito de campo

jean
(Redirecionado de FET)

FET é o acrônimo em inglês de Field Effect Transistor, Transistor de Efeito de Campo, que, como o próprio nome diz, funciona através do efeito de um campo elétrico na junção. Este tipo de transistor tem muitas aplicações na área de amplificadores (operando na área linear), em chaves (operando fora da área linear) ou em controle de corrente sobre uma carga. Os FETs têm como principal característica uma elevada impedância de entrada o que permite seu uso como adaptador de impedâncias podendo substituir transformadores em determinadas situações,além disso são usados para amplificar frequências altas com ganho superior ao dos transistores bipolares.[1]

Transistor de Efeito de Campo
Transistor de efeito de campo
MOSFET de potência.
Nome do componente Transistor de Efeito de Campo
Informações históricas
Inventado por Julius Edgar Lilienfeld
John Atalla
Uso
Símbolo
JFET's tipos N-P.



MOSFET's tipos N-P.
Portal da Eletrônica

História

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Julius Edgar Lilienfeld, que propôs o conceito de um transistor de efeito de campo em 1925.

O conceito de um transistor de efeito de campo (FET) foi patenteado pela primeira vez pelo físico de origem austro-húngara Julius Edgar Lilienfeld em 1925[2][3] e por Oskar Heil em 1934, mas eles não conseguiram construir um dispositivo semicondutor prático e funcional baseado no conceito. O efeito transistor foi posteriormente observado e explicado por John Bardeen e Walter Houser Brattain enquanto trabalhavam sob a direção de William Shockley na Bell Labs em 1947, logo após a expiração do prazo de 17 anos da patente de Lilienfeld. Shockley tentou inicialmente construir um FET funcional tentando modular a condutividade de um semicondutor, mas não teve sucesso, principalmente devido a problemas com os estados de superfície, as ligações pendentes (dangling bond) e os materiais compostos de germânio e cobre. No decorrer da tentativa de entender as razões misteriosas por trás de seu fracasso em construir um FET funcional, Bardeen e Brattain acabaram inventando o transistor de contato de ponto em 1947, que foi seguido pelo transistor de junção bipolar de Shockley em 1948.[4][5]

O primeiro dispositivo FET a ser construído com sucesso foi o transistor de efeito de campo de junção (JFET).[4] Um JFET foi patenteado pela primeira vez por Heinrich Welker em 1945.[6] O transistor de indução estática (SIT), um tipo de JFET com canal curto, foi inventado pelos engenheiros japoneses Jun-ichi Nishizawa e Y. Watanabe em 1950. Seguindo o tratamento teórico de Shockley sobre o JFET em 1952, um JFET prático e funcional foi construído por George C. Dacey e Ian M. Ross em 1953.[7] No entanto, o JFET ainda apresentava os problemas que afetavam os transistores de junção em geral.[8] Os transistores de junção eram dispositivos relativamente volumosos e difíceis de fabricar em larga escala, o que os limitava a algumas aplicações especializadas. O transistor de efeito de campo de porta isolada (IGFET) foi teorizado como uma alternativa potencial aos transistores de junção, mas os pesquisadores não conseguiam construir IGFETs funcionais, em grande parte devido à problemática barreira de estado de superfície que impedia o campo elétrico externo de penetrar no material.[8] Em meados da década de 1950, os pesquisadores praticamente desistiram do conceito de FET e, em vez disso, concentraram-se na tecnologia do transistor de junção bipolar (BJT).[9]

As bases da tecnologia MOSFET foram estabelecidas pelo trabalho de William Shockley, John Bardeen e Walter Brattain. Shockley idealizou independentemente o conceito de FET em 1945, mas não conseguiu construir um dispositivo funcional. No ano seguinte, Bardeen explicou seu fracasso em termos de estados de superfície. Bardeen aplicou a teoria dos estados de superfície em semicondutores (o trabalho anterior sobre estados de superfície foi feito por Shockley em 1939 e Igor Tamm em 1932) e percebeu que o campo externo era bloqueado na superfície devido a elétrons extras que são atraídos para a superfície do semicondutor. Os elétrons ficam presos nesses estados localizados formando uma camada de inversão. A hipótese de Bardeen marcou o nascimento da física de superfícies. Bardeen então decidiu fazer uso de uma camada de inversão em vez da camada muito fina de semicondutor que Shockley havia imaginado em seus projetos de FET. Com base em sua teoria, em 1948 Bardeen patenteou o progenitor do MOSFET, um FET de porta isolada (IGFET) com uma camada de inversão. A camada de inversão confina o fluxo de portadores minoritários, aumentando a modulação e a condutividade, embora seu transporte de elétrons dependa do isolante da porta ou da qualidade do óxido se usado como isolante, depositado acima da camada de inversão. A patente de Bardeen, bem como o conceito de uma camada de inversão, forma a base da tecnologia CMOS atual. Em 1976, Shockley descreveu a hipótese do estado de superfície de Bardeen "como uma das ideias de pesquisa mais significativas no programa de semicondutores".[10]

Após a teoria do estado de superfície de Bardeen, o trio tentou superar o efeito dos estados de superfície. No final de 1947, Robert Gibney e Brattain sugeriram o uso de um eletrólito colocado entre o metal e o semicondutor para superar os efeitos dos estados de superfície. Seu dispositivo FET funcionou, mas a amplificação era fraca. Bardeen foi além e sugeriu focar na condutividade da camada de inversão. Outros experimentos os levaram a substituir o eletrólito por uma camada de óxido sólido na esperança de obter melhores resultados. O objetivo deles era penetrar na camada de óxido e chegar à camada de inversão. No entanto, Bardeen sugeriu que eles mudassem do silício para o germânio e, no processo, o óxido deles foi acidentalmente lavado. Eles se depararam com um transistor completamente diferente, o transistor de contato de ponto. Lillian Hoddeson argumenta que "se Brattain e Bardeen tivessem trabalhado com silício em vez de germânio, eles teriam se deparado com um transistor de efeito de campo de sucesso".[10][11][12][13][14]

No final da primeira metade da década de 1950, seguindo o trabalho teórico e experimental de Bardeen, Brattain, Kingston, Morrison e outros, ficou mais claro que havia dois tipos de estados de superfície. Descobriu-se que os estados rápidos de superfície estavam associados ao volume (bulk) e a uma interface semicondutor/óxido. Descobriu-se que os estados lentos de superfície estavam associados à camada de óxido devido à adsorção de átomos, moléculas e íons pelo óxido a partir do ambiente. Verificou-se que os últimos eram muito mais numerosos e tinham tempos de relaxamento muito mais longos. Na época, Philo Farnsworth e outros criaram vários métodos para produzir superfícies de semicondutores atomicamente limpas.

Em 1955, Carl Frosch e Lincoln Derrick cobriram acidentalmente a superfície de uma pastilha (wafer) de silício com uma camada de dióxido de silício.[15] Eles mostraram que a camada de óxido impedia a entrada de certos dopantes na pastilha de silício, enquanto permitia a entrada de outros, descobrindo assim o efeito de passivação da oxidação térmica na superfície do semicondutor. O trabalho subsequente deles demonstrou como gravar pequenas aberturas na camada de óxido para difundir dopantes em áreas selecionadas da pastilha de silício. Em 1957, eles publicaram um artigo de pesquisa e patentearam a técnica, resumindo seu trabalho. A técnica que desenvolveram é conhecida como mascaramento por difusão de óxido, que mais tarde seria usada na fabricação de dispositivos MOSFET.[16] Na Bell Labs, a importância da técnica de Frosch foi imediatamente percebida. Os resultados de seu trabalho circularam pela Bell Labs na forma de memorandos BTL antes de serem publicados em 1957. Na Shockley Semiconductor, Shockley havia divulgado a pré-publicação (preprint) do artigo deles em dezembro de 1956 para toda a sua equipe sênior, incluindo Jean Hoerni.[8][17][18]

Em 1955, Ian Munro Ross depositou uma patente para um FeFET ou MFSFET. Sua estrutura era como a de um MOSFET de canal de inversão moderno, mas material ferroelétrico foi usado como dielétrico/isolante em vez de óxido. Ele o idealizou como uma forma de memória, anos antes do MOSFET de porta flutuante. Em fevereiro de 1957, John Wallmark depositou uma patente para um FET no qual o monóxido de germânio era usado como um dielétrico de porta, mas ele não deu prosseguimento à ideia. Em sua outra patente depositada no mesmo ano, ele descreveu um FET de porta dupla. Em março de 1957, em seu caderno de laboratório, Ernesto Labate, um cientista pesquisador da Bell Labs, concebeu um dispositivo semelhante ao MOSFET proposto posteriormente, embora o dispositivo de Labate não usasse explicitamente dióxido de silício como isolante.[19][20][21][22]

Em 1955, Carl Frosch e Lincoln Derrick cultivaram acidentalmente uma camada de dióxido de silício sobre a pastilha de silício, para a qual observaram efeitos de passivação de superfície.[23][15] Em 1957, Frosch e Derrick, usando mascaramento e pré-deposição, foram capazes de fabricar transistores de dióxido de silício e mostraram que o dióxido de silício isolava, protegia as pastilhas de silício e evitava que os dopantes se difundissem na pastilha.[23][16] J.R. Ligenza e W.G. Spitzer estudaram o mecanismo de óxidos cultivados termicamente e fabricaram uma pilha de alta qualidade de Si/SiO2 em 1960.[24][25][26]

FET metal-óxido-semicondutor (MOSFET)

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Seguindo essa pesquisa, Mohamed Atalla e Dawon Kahng propuseram um transistor MOS de silício em 1959[27] e demonstraram com sucesso um dispositivo MOS funcional com sua equipe da Bell Labs em 1960.[28][29] A equipe deles incluía E. E. LaBate e E. I. Povilonis, que fabricaram o dispositivo; M. O. Thurston, L. A. D’Asaro e J. R. Ligenza, que desenvolveram os processos de difusão, e H. K. Gummel e R. Lindner, que caracterizaram o dispositivo.[30][31]

Com sua alta escalabilidade,[32] consumo de energia muito menor e densidade maior em comparação com os transistores de junção bipolar,[33] o MOSFET tornou possível a construção de circuitos integrados de alta densidade.[34] O MOSFET também é capaz de lidar com potências mais altas do que o JFET.[35] O MOSFET foi o primeiro transistor verdadeiramente compacto que podia ser miniaturizado e produzido em massa para uma ampla gama de usos.[8] O MOSFET, portanto, tornou-se o tipo mais comum de transistor em computadores, eletrônicos[36] e tecnologia de comunicações (como smartphones).[37] O Escritório de Patentes e Marcas dos Estados Unidos o chama de uma "invenção inovadora que transformou a vida e a cultura em todo o mundo".[37]

Em 1948, Bardeen e Brattain patentearam o progenitor do MOSFET, um FET de porta isolada (IGFET) com uma camada de inversão. Sua patente e o conceito de uma camada de inversão formam a base da tecnologia CMOS atual.[38] O CMOS (MOS complementar), um processo de fabricação de dispositivos semicondutores para MOSFETs, foi desenvolvido por Chih-Tang Sah e Frank Wanlass na Fairchild Semiconductor em 1963.[39][40] O primeiro relato de um MOSFET de porta flutuante foi feito por Dawon Kahng e Simon Sze em 1967.[41] O conceito de um transistor de película fina (TFT) de porta dupla foi proposto por H. R. Farrah (Bendix Corporation) e R. F. Steinberg em 1967.[42] Um MOSFET de porta dupla foi demonstrado pela primeira vez em 1984 pelos pesquisadores do Laboratório Eletrotécnico Toshihiro Sekigawa e Yutaka Hayashi.[43][44] O FinFET (transistor de efeito de campo em barbatana), um tipo de MOSFET multiportas 3D não planar, originou-se da pesquisa de Digh Hisamoto e sua equipe no Laboratório Central de Pesquisa da Hitachi em 1989.[45][46]

Mais sobre os terminais

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Seção transversal de um MOSFET de canal N

Todos os FETs possuem terminais de fonte (source), dreno (drain) e porta (gate) que correspondem aproximadamente ao emissor, coletor e base dos BJTs (BJTs). A maioria dos FETs possui um quarto terminal chamado corpo (body), base, volume (bulk) ou substrato. Esse quarto terminal serve para polarizar (polarização) o transistor para operação; é raro fazer um uso não trivial do terminal do corpo em projetos de circuitos, mas sua presença é importante ao configurar o layout físico de um circuito integrado. O tamanho da porta, comprimento L no diagrama, é a distância entre a fonte e o dreno. A largura é a extensão do transistor, na direção perpendicular à seção transversal no diagrama (ou seja, para dentro/para fora da tela). Tipicamente, a largura é muito maior que o comprimento da porta. Um comprimento de porta de 1 µm limita a frequência superior a cerca de 5 GHz, 0,2 µm a cerca de 30 GHz.

Os nomes dos terminais referem-se às suas funções. O terminal da porta pode ser pensado como o controle de abertura e fechamento de um portão físico. Esta porta permite que os elétrons fluam ou bloqueia sua passagem, criando ou eliminando um canal entre a fonte e o dreno. O fluxo de elétrons do terminal da fonte em direção ao terminal do dreno é influenciado por uma tensão aplicada. O corpo refere-se simplesmente ao volume do semicondutor no qual a porta, a fonte e o dreno estão situados. Geralmente, o terminal do corpo é conectado à tensão mais alta ou mais baixa dentro do circuito, dependendo do tipo de FET. O terminal do corpo e o terminal da fonte às vezes são conectados juntos, já que a fonte é frequentemente conectada à tensão mais alta ou mais baixa do circuito, embora existam vários usos de FETs que não possuem essa configuração, como em portas de transmissão e circuitos cascode.

Ao contrário dos BJTs, a grande maioria dos FETs é eletricamente simétrica. Portanto, os terminais da fonte e do dreno podem ser trocados em circuitos práticos sem nenhuma alteração nas características operacionais ou na função. Isso pode ser confuso quando os FETs parecem estar conectados "ao contrário" em diagramas esquemáticos e circuitos, porque a orientação física do FET foi decidida por outras razões, como considerações de layout de placa de circuito impresso.

Efeito da tensão da porta na corrente

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Características I–V e gráfico de saída de um transistor JFET de canal n
Resultado da simulação para o lado direito: formação do canal de inversão (densidade de elétrons) e lado esquerdo: curva de corrente-tensão da porta (características de transferência) em um MOSFET de nanofio de canal n. Observe que a tensão de limiar para este dispositivo fica em torno de 0,45 V.
Resultado da simulação para o lado direito: formação do canal de inversão (densidade de elétrons) e lado esquerdo: curva de corrente-tensão da porta (características de transferência) em um MOSFET de nanofio de canal n. Observe que a tensão de limiar para este dispositivo fica em torno de 0,45 V.
Tipos de símbolos convencionais de FET

O FET controla o fluxo de elétrons (ou buracos de elétrons) da fonte para o dreno, afetando o tamanho e a forma de um "canal condutor" criado e influenciado pela tensão (ou falta de tensão) aplicada entre os terminais da porta e da fonte. (Para simplificar, esta discussão pressupõe que o corpo e a fonte estejam conectados). Este canal condutor é o "fluxo" através do qual os elétrons viajam da fonte para o dreno.

FET de canal n

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Em um dispositivo "modo de depleção" de canal n, uma tensão negativa da porta para a fonte faz com que uma região de depleção se expanda em largura e invada o canal pelos lados, estreitando-o. Se a região ativa se expandir até fechar completamente o canal, a resistência do canal da fonte ao dreno torna-se grande, e o FET é efetivamente desligado como uma chave (veja a figura à direita, quando há uma corrente muito pequena). Isso é chamado de pinch-off (estrangulamento), e a tensão na qual isso ocorre é chamada de "tensão de pinch-off". Por outro lado, uma tensão positiva da porta para a fonte aumenta o tamanho do canal e permite que os elétrons fluam facilmente (veja a figura à direita, quando há um canal de condução e a corrente é grande).

Em um dispositivo de "modo de intensificação" de canal n, um canal condutor não existe naturalmente dentro do transistor, e uma tensão positiva da porta para a fonte é necessária para criá-lo. A tensão positiva atrai elétrons flutuantes dentro do corpo em direção à porta, formando um canal condutor. Mas primeiro, uma quantidade suficiente de elétrons deve ser atraída para perto da porta para combater os íons dopantes adicionados ao corpo do FET; isso forma uma região sem portadores móveis chamada de região de depleção, e a tensão na qual isso ocorre é chamada de tensão de limiar do FET. O aumento adicional da tensão da porta para a fonte atrairá ainda mais elétrons para a porta, que são capazes de criar um canal ativo da fonte para o dreno; esse processo é chamado de inversão.

FET de canal p

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Em um dispositivo "modo de depleção" de canal p, uma tensão positiva da porta para o corpo alarga a camada de depleção forçando os elétrons para a interface porta-isolante/semicondutor, deixando exposta uma região livre de portadores de íons aceitadores imóveis e com carga positiva.

Por outro lado, em um dispositivo "modo de intensificação" de canal p, uma região condutora não existe e uma tensão negativa deve ser usada para gerar um canal de condução.

Efeito da tensão dreno-fonte no canal

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Para dispositivos nos modos de intensificação ou depleção, em tensões dreno-fonte muito menores que as tensões porta-fonte, alterar a tensão da porta alterará a resistência do canal, e a corrente do dreno será proporcional à tensão do dreno (referenciada à tensão da fonte). Neste modo, o FET opera como um resistor variável e diz-se que o FET está operando em um modo linear ou modo ôhmico.[47][48]

Se a tensão dreno-fonte for aumentada, isso cria uma mudança assimétrica significativa na forma do canal devido a um gradiente de potencial de tensão da fonte para o dreno. A forma da região de inversão torna-se "estrangulada" (pinched-off) perto da extremidade do dreno do canal. Se a tensão dreno-fonte for aumentada ainda mais, o ponto de estrangulamento do canal começará a se afastar do dreno em direção à fonte. Diz-se que o FET está no modo de saturação;[49] embora alguns autores se refiram a ele como modo ativo, para uma melhor analogia com as regiões de operação do transistor bipolar.[50][51] O modo de saturação, ou a região entre ôhmico e saturação, é usado quando a amplificação é necessária. A região intermediária às vezes é considerada parte da região ôhmica ou linear, mesmo quando a corrente de dreno não é aproximadamente linear em relação à tensão de dreno.

Embora o canal condutor formado pela tensão porta-fonte não conecte mais a fonte ao dreno durante o modo de saturação, os portadores não são impedidos de fluir. Considerando novamente um dispositivo de modo de intensificação de canal n, existe uma região de depleção no corpo tipo p, circundando o canal condutor e as regiões de dreno e fonte. Os elétrons que compõem o canal estão livres para se mover para fora do canal através da região de depleção, se atraídos para o dreno pela tensão dreno-fonte. A região de depleção é livre de portadores e tem uma resistência semelhante à do silício. Qualquer aumento da tensão dreno-fonte aumentará a distância do dreno até o ponto de estrangulamento (pinch-off), aumentando a resistência da região de depleção proporcionalmente à tensão dreno-fonte aplicada. Esta alteração proporcional faz com que a corrente dreno-fonte permaneça relativamente fixa, independente das alterações na tensão dreno-fonte, bem diferente de seu comportamento ôhmico no modo de operação linear. Assim, no modo de saturação, o FET se comporta como uma fonte de corrente constante e não como um resistor, e pode ser efetivamente usado como um amplificador de tensão. Neste caso, a tensão porta-fonte determina o nível de corrente constante através do canal.

Composição

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Corte em seção de um MOSFET tipo-n

Os FETs podem ser compostos por germânio ou silício combinados à pequenas quantidades de fósforo e boro, que são substâncias "dopantes" (isto é, que alteram as características elétricas). Os transistores de silício são os mais utilizados atualmente, sendo que transistores de germânio são usados somente para o controle de grandes potências.[1]

Tipos

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FETs do tipo depleção sob tensões típicas: JFET, MOSFET de polissilício, MOSFET de porta dupla, MOSFET de porta metálica, MESFET.
  Depleção
  Elétrons
  Lacunas
  Metal
  Isolante
Topo: fonte, fundo: dreno, esquerda: porta, direita: corpo. As tensões que levam à formação do canal não são mostradas.

O canal de um FET é dopado para produzir um semicondutor do tipo n ou do tipo p. O dreno e a fonte podem ser dopados com o tipo oposto ao do canal, no caso de FETs em modo de intensificação, ou dopados com um tipo semelhante ao do canal, como nos FETs em modo de depleção. Os transistores de efeito de campo também são distinguidos pelo método de isolamento entre o canal e a porta. Os tipos de FETs incluem:

  • O MOSFET (transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor) utiliza um isolante (tipicamente SiO2) entre a porta e o corpo. Este é, de longe, o tipo mais comum de FET.
    • O DGMOSFET (MOSFET de porta dupla) ou DGMOS, um MOSFET com duas portas isoladas.
    • O IGBT (transistor bipolar de porta isolada) é um dispositivo para controle de potência. Ele possui uma estrutura semelhante a um MOSFET acoplado a um canal de condução principal do tipo bipolar. Eles são comumente usados para a faixa de operação de tensão dreno-fonte de 200–3000 V. Os MOSFETs de potência ainda são os dispositivos de escolha para tensões dreno-fonte de 1 a 200 V.
    • O JLNT (transistor de nanofio sem junção) é um tipo de transistor de efeito de campo (FET) cujo canal é um ou múltiplos nanofios e não apresenta nenhuma junção.
    • O MNOS (transistor metal-nitreto-óxido-semicondutor) utiliza um isolante de camada de nitreto-óxido entre a porta e o corpo.
    • O ISFET (transistor de efeito de campo sensível a íons) pode ser usado para medir concentrações iônicas em uma solução; quando a concentração iônica (como H+, veja eletrodo de pH) muda, a corrente através do transistor muda consequentemente.
    • O BioFET (transistor de efeito de campo biologicamente sensível) é uma classe de sensores/biossensores baseados na tecnologia ISFET que são utilizados para detectar moléculas carregadas; quando uma molécula carregada está presente, as mudanças no campo eletrostático na superfície do BioFET resultam em uma mudança mensurável na corrente através do transistor. Estes incluem FETs modificados por enzimas (EnFETs), FETs modificados imunologicamente (ImmunoFETs), FETs modificados geneticamente (GenFETs), DNAFETs, BioFETs baseados em células (CPFETs), FETs de besouro/chip (BeetleFETs) e FETs baseados em canais iônicos/ligação de proteínas.[52]
    • O DNAFET (transistor de efeito de campo de DNA) é um FET especializado que atua como um biossensor, usando uma porta feita de moléculas de DNA de fita simples para detectar fitas de DNA correspondentes.
    • FinFET, incluindo o GAAFET ou FET de porta ao redor, usado em chips de processadores de alta densidade.
  • O JFET (transistor de efeito de campo de junção) usa uma junção p-n polarizada inversamente para separar a porta do corpo.
    • O transistor de indução estática (SIT) é um tipo de JFET com canal curto.
  • O DEPFET é um FET formado em um substrato totalmente empobrecido e atua como sensor, amplificador e nó de memória ao mesmo tempo. Ele pode ser usado como um sensor de imagem (fótons).
  • O FREDFET (FET de diodo epitaxial de reversão rápida ou recuperação rápida) é um FET especializado projetado para fornecer uma recuperação (desligamento) muito rápida do diodo de corpo, tornando-o conveniente para acionar cargas indutivas, como motores elétricos, especialmente motores DC sem escovas (motores DC sem escovas) de média potência.
  • O HIGFET (transistor de efeito de campo de porta isolada por heteroestrutura) é atualmente usado principalmente em pesquisa.[53]
  • O MODFET (transistor de efeito de campo dopado por modulação) é um transistor de alta mobilidade eletrônica que usa uma estrutura de poço quântico formada por dopagem graduada da região ativa.
  • O TFET (transistor de efeito de campo de tunelamento) é baseado no tunelamento banda a banda.[54]
  • O TQFET (transistor de efeito de campo quântico topológico) comuta um material 2D de um isolante topológico sem dissipação (estado 'ligado') para um isolante convencional (estado 'desligado') usando um campo elétrico aplicado.[55]
  • O HEMT (transistor de alta mobilidade eletrônica), também chamado de HFET (FET de heteroestrutura), pode ser fabricado usando engenharia de hiato de banda em um semicondutor ternário como o AlGaAs. O material de hiato de banda largo totalmente empobrecido forma o isolamento entre a porta e o corpo.
  • O MESFET (transistor de efeito de campo metal-semicondutor) substitui a junção p-n do JFET por uma barreira de Schottky; e é usado em GaAs e outros materiais semicondutores III-V.
  • O NOMFET é um transistor de efeito de campo de memória orgânica por nanopartículas.[56]
  • O GNRFET (transistor de efeito de campo de nanofita de grafeno) usa uma nanofita de grafeno para o seu canal.[57]
  • O VeSFET (transistor de efeito de campo de fenda vertical) é um FET sem junção de formato quadrado com uma fenda estreita que conecta a fonte e o dreno em cantos opostos. Duas portas ocupam os outros cantos e controlam a corrente através da fenda.[58]
  • O CNTFET (transistor de efeito de campo de nanotubo de carbono).
  • O OFET (transistor de efeito de campo orgânico) usa um semicondutor orgânico em seu canal.
  • O QFET (transistor quântico de efeito de campo) tira vantagem do tunelamento quântico para aumentar muito a velocidade de operação do transistor, eliminando a área tradicional de condução eletrônica do transistor.
  • O SB-FET (transistor de efeito de campo com barreira de Schottky) é um transistor de efeito de campo com eletrodos metálicos de contato de fonte e dreno, os quais criam barreiras de Schottky tanto na interface fonte-canal quanto na interface dreno-canal.[59][60]
  • O GFET é um transistor de efeito de campo baseado em grafeno altamente sensível usado como biossensores e sensores químicos. Devido à estrutura bidimensional do grafeno, juntamente com suas propriedades físicas, os GFETs oferecem maior sensibilidade e menos casos de "falsos positivos" em aplicações de detecção.[61]
  • O FeFET usa um ferroelétrico entre a porta, permitindo que o transistor retenha seu estado na ausência de polarização — tais dispositivos podem ter aplicação como memória não volátil.
  • O VTFET, ou transistor de efeito de campo de transporte vertical, modificação da IBM de 2021 do FinFET para permitir maior densidade e menor consumo de energia.[62]

Vantagens

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Os transistores de efeito de campo possuem alta resistência de corrente entre a porta e o dreno, da ordem de 100 MΩ ou mais, proporcionando um alto grau de isolamento entre o controle e o fluxo. Como o ruído da corrente de base aumenta com o tempo de modelagem [necessário esclarecer],[63] um FET normalmente produz menos ruído do que um transistor de junção bipolar (BJT), sendo encontrado em eletrônicos sensíveis a ruídos, como sintonizadores e amplificadores de baixo ruído (LNAs) para VHF e receptores de satélite. Ele não apresenta tensão de desvio (offset) quando a corrente de dreno é zero, o que o torna um excelente modulador de sinal (chopper). Além disso, ele geralmente possui melhor estabilidade térmica do que um BJT. Como os FETs são controlados pela carga da porta, uma vez que a porta está fechada ou aberta, não há consumo de energia adicional, como ocorreria com um transistor de junção bipolar ou com relés sem retenção em alguns estados. Isso permite uma comutação de baixíssima potência, o que por sua vez viabiliza uma maior miniaturização dos circuitos, pois as necessidades de dissipação de calor são reduzidas em comparação com outros tipos de chaves.

Desvantagens

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Um transistor de efeito de campo possui um produto ganho-largura de banda relativamente baixo em comparação com um transistor de junção bipolar. Os MOSFETs são muito suscetíveis a sobretensões, exigindo, portanto, manuseio especial durante a instalação.[64] A frágil camada isolante do MOSFET entre a porta e o canal o torna vulnerável a descarga eletrostática ou a alterações na tensão de limiar durante o manuseio. Isso geralmente deixa de ser um problema após o dispositivo ter sido instalado em um circuito adequadamente projetado.

Os FETs frequentemente apresentam uma resistência "ligado" (on-resistance) muito baixa e uma resistência "desligado" alta. No entanto, as resistências intermediárias são significativas, de modo que os FETs podem dissipar grandes quantidades de energia durante a comutação. Assim, a eficiência pode exigir uma comutação rápida, mas isso pode causar transientes que podem excitar indutâncias parasitas e gerar tensões significativas capazes de se acoplarem à porta e causarem comutações não intencionais. Os circuitos com FETs, portanto, podem exigir um layout muito cuidadoso e envolver compensações (trade-offs) entre velocidade de comutação e dissipação de potência. Há também uma compensação entre a classe de tensão e a resistência "ligado", de modo que FETs de alta tensão têm uma resistência "ligado" relativamente alta e, consequentemente, perdas por condução.[65]

Polarização

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Um FET para uso geral apresenta três terminais: porta (gate), fonte (source) e dreno (drain), que permitem seis formas de polarização, sendo três as mais usadas: fonte comum (fonte ligado à entrada e saída simultaneamente), porta comum (porta ligada à entrada e saida simultaneamente) e dreno comum (dreno ligado à entrada e saida simultaneamente).[1]

Categorias

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FET de alta-potência canal-N

O FET pode ser dividido em duas categorias: JFETS e MOSFETS. Por sua vez, os MOSFETS se dividem em duas categorias:[1][66]

  • MOSFET tipo Intensificação;
  • MOSFET tipo Depleção.

Os termos depleção e intensificação definem o seu modo básico de operação, enquanto o nome MOSFET designa o transistor Metal Óxido Semicondutor.[1][66]

Modos de falha

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Os transistores de efeito de campo são relativamente robustos, especialmente quando operados dentro dos limites térmicos e elétricos definidos pelo fabricante (dimensionamento correto ou derating). No entanto, os dispositivos FET modernos frequentemente incorporam um diodo de corpo (body diode). Se as características do diodo de corpo não forem levadas em consideração, o FET pode apresentar um comportamento lento do diodo de corpo, onde um transistor parasita será ativado e permitirá que uma alta corrente seja extraída do dreno para a fonte quando o FET estiver desligado.[67]

Usos

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O FET mais comumente utilizado é o MOSFET. A tecnologia de processo CMOS (semicondutor metal-óxido complementar) é a base para os circuitos integrados digitais modernos. Essa tecnologia de processo usa uma disposição onde o MOSFET de canal p e o MOSFET de canal n (geralmente em "modo de intensificação") são conectados em série, de modo que quando um está ligado, o outro está desligado.

Nos FETs, os elétrons podem fluir em qualquer direção através do canal quando operados no modo linear. A convenção de nomenclatura dos terminais de dreno e fonte é um tanto arbitrária, já que os dispositivos são tipicamente (mas nem sempre) construídos de forma simétrica da fonte para o dreno. Isso torna os FETs adequados para comutar sinais analógicos entre caminhos (multiplexação). Com esse conceito, é possível construir, por exemplo, uma mesa de som de estado sólido.

O FET é comumente usado como amplificador. Por exemplo, devido à sua grande resistência de entrada e baixa resistência de saída, ele é eficaz como um buffer na configuração de dreno comum (seguidor de fonte).

Os IGBTs são usados na comutação de bobinas de ignição de motores de combustão interna, onde a comutação rápida e as capacidades de bloqueio de tensão são importantes.

Transistor com porta na fonte

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Os transistores com porta na fonte (source-gated transistors) são mais robustos contra problemas ambientais e de fabricação em eletrônicos de grande área, como telas de exibição (displays), mas possuem uma operação mais lenta do que os FETs.[68]

Ligações externas

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Referências

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