Quais são os Diferentes Tipos de FETs?

Transistores de efeito de campo (FETs) são os cavalos de batalha de hoje para a lógica digital, mas eles têm muitas aplicações fora dos circuitos integrados digitais, tudo desde drivers de motor até reguladores de tensão e amplificadores especializados podem fazer uso de diferentes tipos de FETs, e existem algumas vantagens úteis que tornam os FETs discretos mais desejáveis em comparação com seus primos, os transistores de junção bipolar (BJT).

Embora componentes avançados e aplicações estejam continuamente focando em modificar e otimizar fundamentalmente a arquitetura dos FETs, os BJTs e FETs discretos vieram para ficar. Cada um dos vários tipos de FETs tem seu lugar em diferentes sistemas, e os designers podem encontrar os FETs exatos de que precisam com o melhor conjunto de ferramentas de cadeia de suprimentos. Se você não tem certeza de qual tipo de FET deve usar, leia nosso guia para aprender mais sobre os diferentes FETs e quais especificações são mais importantes.

Tipos de FETs e Suas Aplicações

Transistores de efeito de campo, ou simplesmente FETs, formam a base dos circuitos integrados digitais modernos. Assim como os BJTs anteriores, os FETs são chaves de três terminais (quatro se você incluir o terminal do corpo em um MOSFET), onde uma tensão é aplicada ao portão para controlar a corrente fluindo entre a fonte e o dreno. Uma vez que a tensão é aplicada à região do portão, a resistência do canal alterna estados como uma função da tensão de entrada. Estes são os conceitos básicos dos diferentes tipos de FETs.

Os FETs são subdivididos em três tipos diferentes: FETs de portão isolado (mais conhecidos como MOSFETs), FETs de junção (JFETs) e FET de metal-semicondutor (MESFET). O fluxograma abaixo resume brevemente esses três tipos de FETs e seus subtipos. Entre os diferentes tipos de MOSFETs, a escolha de FETs do tipo de enriquecimento ou de depleção dá aos designers alguma flexibilidade sobre como implementam a comutação em seus sistemas (por exemplo, em reguladores de potência).

Com tantos tipos diferentes de FETs para escolher, qual é o melhor e como eles se comparam aos BJTs? Vamos investigar um pouco mais para ver quais tipos de FETs são importantes para diferentes aplicações.

Aplicações de MESFET

MESFETs são frequentemente usados como drivers ou chaves em aplicações de RF que requerem alta saída de potência. Componentes MESFET comerciais estão disponíveis em uma variedade de pacotes; componentes empacotados em SO/SOIC/SOP estão disponíveis com largura de banda alcançando ~8 GHz, enquanto frequências altas alcançando ~30 GHz podem ser acessadas em pacotes QFN. MESFETs de alta frequência são normalmente feitos de SiGe (para saída de potência moderada baixa) ou GaAs (para alta saída de potência), e você encontrará essas estruturas integradas em SoCs de alta frequência.

Aplicações de MOSFET

Entre os vários tipos de FETs, os MOSFETs provavelmente desfrutam da mais ampla gama de aplicações práticas. Esses componentes encontram seu lugar em muitas aplicações de eletrônica de potência pois podem lidar com potências de comutação que alcançam níveis de kW. E, claro, qualquer pessoa familiarizada com os modernos circuitos lógicos CMOS deve saber que os MOSFETs formam a base para os dispositivos CMOS.

Se você precisa escolher um MOSFET discreto para uma aplicação de comutação, então como o dispositivo é comutado é bastante importante, pois você precisará selecionar a correta polaridade de tensão aplicada à região do gate. O tipo de enriquecimento NMOS é frequentemente usado como um elemento de comutação em aplicações como regulação e condicionamento de potência em alta tensão/corrente; eu acho que isso facilita o aterramento e o layout, pois você só precisa fornecer tensões positivas ao redor de uma placa.

Aplicações de JFET

Os JFETs também vêm nas variedades de canal n e p, onde o canal n é normalmente usado, pois os elétrons têm maior mobilidade do que os buracos. Os JFETs também têm uma região de ruptura quando a tensão dreno-fonte é suficientemente alta (análoga à ruptura de diodo pn). Comparados aos MOSFETs, os JFETs têm as seguintes características:

• Somente modo de depleção

• Deriva de frequência mais baixa

• Impedância de entrada mais baixa

• Alta resistência de dreno proporciona curvas de transferência mais planas

• Maior capacitância de entrada

Sua deriva de frequência mais baixa os torna mais desejáveis em osciladores ou circuitos de temporização de precisão. A maior capacitância de entrada leva a tempos de ativação um pouco mais longos quando usados como interruptores. Embora possam ser úteis para osciladores, quando usados em amplificadores, tendem a ter um produto ganho-largura de banda relativamente baixo em comparação com os MOSFETs e muito menor do que os MESFETs comparáveis.

Aplicações de HEMT

Transistores de alta mobilidade de elétrons (HEMTs) referem-se a algo mais próximo dos materiais usados em FETs, em vez de uma estrutura totalmente diferente ou tipo de circuito. HEMTs podem ser usados em dispositivos de RF que precisam fornecer potência em altas frequências, ou que comutam em taxas de borda rápidas. Os materiais típicos usados nesses dispositivos são GaAs e GaN, ambos utilizados em componentes disponíveis comercialmente. Esses dispositivos são projetados para fornecer alta saída de potência em frequências que alcançam a faixa de mmWave. Outros materiais III-V como InP foram pesquisados para uso em HEMTs. No entanto, esses materiais ainda não são produzíveis em processos de componentes padrão em escala.

Como as aplicações de HEMT se sobrepõem com MESFETs, é justo perguntar qual é a diferença entre esses materiais. A diferença aparece na camada epitaxial do transistor. HEMTs são dispositivos de heteroestrutura que usam camadas empilhadas composicionalmente diferentes de material com maior mobilidade de elétrons do que o material em massa no dispositivo. Em HEMTs de GaAs, o material comum usado na camada epitaxial é o AlGaAs não estequiométrico. Não vemos essas mesmas estruturas ou materiais em MESFETs.

Uma abordagem semelhante com uma camada não estequiométrica é usada em GaN HEMTs, onde a camada epitaxial é AlGaN. Um exemplo de estrutura HEMT em um substrato de SiC é mostrado abaixo. Nesta estrutura, a camada de AlGaN pode ser uma estrutura multicamada dopada, e o canal de condução será formado nesta parte do dispositivo.

A alta mobilidade dos elétrons no canal condutor proporciona uma entrega de potência muito mais eficiente em altas frequências GHz. Esses sistemas oferecem maior capacidade de manipulação de potência, frequências mais altas e maior dissipação de calor (particularmente com SiC) em comparação com MOSFETs de Si escalonados operando em bandas mmWave. Por essas razões, GaN HEMTs também têm sido usados em eletrônica de potência como uma substituição altamente condutiva termicamente para MOSFETs de Si.

Especificações Importantes para FETs

Por mais que gostaríamos de listar todas as especificações encontradas em uma ficha técnica, nem todas as especificações são relevantes para cada aplicação. Há algumas que são universais para quase qualquer aplicação:

• Resistência em estado ligado: Esta é uma das especificações mais importantes, pois determina a eficiência de um FET na entrega de potência e na comutação.

• Corrente de fuga: Mesmo no estado desligado, há uma pequena quantidade de corrente que flui entre a fonte e o dreno, levando a alguma perda de potência no estado DESLIGADO.

• Capacitâncias terminais: Esses valores de capacitâncias limitarão o tempo de comutação no dispositivo. Isso normalmente não é importante, a menos que você esteja projetando um produto analógico de alta frequência.

• Temperatura máxima absoluta: FETs falharão se a temperatura do canal atingir seu valor máximo classificado. Normalmente há um pequeno fator de segurança aqui, mas esses componentes precisam ser selecionados considerando o ambiente onde serão implantados.

• Classificação de tensão/corrente: Esse par de valores é especificado para um método de acionamento particular (DC, pulsado ou harmônico) e determinará a área de operação segura de um FET. Uma vez que essas especificações sejam excedidas para um FET particular, o dispositivo poderá experimentar uma falha e falhará.

O último ponto é importante, pois se relaciona com a área de operação segura de um FET. Todos os FETs têm uma combinação de tensão fonte-dreno (V(DS)) e corrente de dreno (I(D)) dentro da qual um FET pode ser operado sem falhar. Esta combinação de tensões, correntes e métodos de acionamento forma a área de operação segura para um MOSFET, que pode ser traçada em um gráfico.

Um exemplo da área de operação segura de um MOSFET (FDD7N25LZTM da ON Semiconductor) é mostrado abaixo. Neste gráfico, o acionamento DC está sendo comparado com o acionamento AC em diferentes condições (neste caso, acionamento pulsado). Para o acionamento DC, o limite da área de operação segura estará mais próximo da origem em comparação com o acionamento com pulsos mais curtos. A razão pela qual a área de operação segura se expande quando a duração do pulso é mais curta é porque a corrente média será menor, assumindo a mesma frequência de repetição de pulso.

Ao todo, existem três fatores primários que determinam a área de operação segura de um FET:

• Temperatura de estado estacionário da junção

• Resistência em estado ligado

• Método de acionamento (DC, AC, etc.)

Em geral, qualquer acionamento AC que corresponda à corrente média de um acionamento DC terá uma área de operação segura similar. Quando a corrente média em acionamento AC diminui, a área de operação segura se expande. Isso pode ser usado como uma métrica simples para selecionar um MOSFET para uso em aplicações de entrega de energia: simplesmente compare a corrente média sob acionamento AC com a corrente de acionamento DC sob parâmetros de operação similares (V(DS) e I(D)) para determinar se o MOSFET será confiável sob acionamento AC.

O outro fator que é mais difícil de abordar é a temperatura do MOSFET, especificamente a temperatura da junção. Se a temperatura da junção for muito alta, então o MOSFET corre o risco de falhar. Para uma comparação precisa com a área de operação segura, é necessário determinar a perda de potência no estado ligado e usar a resistência térmica do componente para prever a temperatura de equilíbrio. Em geral, temperaturas de junção mais altas levam a áreas de operação segura menores.

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