Transistor de efeito de campo -Field-effect transistor

Vista transversal de um transistor de efeito de campo, mostrando os terminais de fonte , porta e dreno

O transistor de efeito de campo ( FET ) é um tipo de transistor que usa um campo elétrico para controlar o fluxo de corrente em um semicondutor. FETs são dispositivos com três terminais: source , gate e dreno . Os FETs controlam o fluxo de corrente pela aplicação de uma tensão na porta, que por sua vez altera a condutividade entre o dreno e a fonte.

Os FETs também são conhecidos como transistores unipolares , pois envolvem operação do tipo portadora única. Ou seja, os FETs usam elétrons ou buracos como portadores de carga em sua operação, mas não ambos. Existem muitos tipos diferentes de transistores de efeito de campo. Transistores de efeito de campo geralmente exibem impedância de entrada muito alta em baixas frequências. O transistor de efeito de campo mais utilizado é o MOSFET (transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor).

História

Julius Edgar Lilienfeld 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 austro-húngaro Julius Edgar Lilienfeld em 1925 e por Oskar Heil em 1934, mas eles foram incapazes de construir um dispositivo semicondutor prático baseado no conceito. O efeito do transistor foi mais tarde observado e explicado por John Bardeen e Walter Houser Brattain enquanto trabalhavam com William Shockley no Bell Labs em 1947, logo após a patente de 17 anos expirar. Shockley inicialmente tentou construir um FET de trabalho, tentando modular a condutividade de um semicondutor , mas não teve sucesso, principalmente devido a problemas com os estados da superfície , a ligação pendente e os materiais compostos de germânio e cobre . Ao tentar entender as misteriosas razões por trás do fracasso em construir um FET funcional, Bardeen e Brattain inventaram o transistor de contato pontual em 1947, que foi seguido pelo transistor de junção bipolar de Shockley em 1948.

O primeiro dispositivo FET a ser construído com sucesso foi o transistor de efeito de campo de junção (JFET). Um JFET foi patenteado pela primeira vez por Heinrich Welker em 1945. O transistor de indução estática (SIT), um tipo de JFET com um 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 de trabalho foi construído por George F. Dacey e Ian M. Ross em 1953. No entanto, o JFET ainda tinha problemas que afetavam os transistores de junção em geral. Os transistores de junção eram dispositivos relativamente volumosos que eram difíceis de fabricar em uma base de produção em massa , o que os limitava a várias 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 conseguiram construir IGFETs funcionais, em grande parte devido à problemática barreira do estado de superfície que impedia o campo elétrico externo de penetrar no material. Em meados da década de 1950, os pesquisadores desistiram amplamente do conceito FET e, em vez disso, se concentraram na tecnologia do transistor de junção bipolar (BJT).

As bases da tecnologia MOSFET foram estabelecidas pelo trabalho de William Shockley , John Bardeen e Walter Brattain . Shockley imaginou independentemente o conceito 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 (trabalhos anteriores sobre estados de superfície foram feitos por Shockley em 1939 e Igor Tamm em 1932) e percebeu que o campo externo estava bloqueado na superfície por causa de 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 superfície . 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 utilizado como isolante, depositado acima da camada de inversão. A patente de Bardeen, bem como o conceito de uma camada de inversão, formam a base da tecnologia CMOS hoje. Em 1976 Shockley descreveu a hipótese do estado de superfície de Bardeen "como uma das ideias de pesquisa mais significativas no programa de semicondutores".

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 eletrólitos colocados entre metal e semicondutor para superar os efeitos dos estados de superfície. O dispositivo FET funcionou, mas a amplificação era ruim. 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. Seu objetivo era penetrar na camada de óxido e chegar à camada de inversão. No entanto, Bardeen sugeriu que eles mudassem de silício para germânio e, no processo, seu óxido foi inadvertidamente lavado. Eles se depararam com um transistor completamente diferente, o transistor de contato pontual . Lillian Hoddeson argumenta que "se Brattain e Bardeen estivessem trabalhando com silício em vez de germânio, eles teriam encontrado um transistor de efeito de campo bem-sucedido".

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. Os estados de superfície rápidos foram encontrados associados ao volume e a uma interface semicondutor/óxido. Os estados superficiais lentos foram encontrados associados à camada de óxido devido à adsorção de átomos, moléculas e íons pelo óxido do ambiente. Estes últimos são muito mais numerosos e têm tempos de relaxamento muito mais longos . Na época, Philo Farnsworth e outros criaram vários métodos de produção de superfícies semicondutoras atomicamente limpas.

Em 1955, Carl Frosch e Lincoln Derrick acidentalmente cobriram a superfície da pastilha de silício com uma camada de dióxido de silício . Eles mostraram que a camada de óxido impedia certos dopantes na pastilha de silício, enquanto permitia outros, descobrindo assim o efeito passivador da oxidação na superfície do semicondutor. Seu trabalho adicional demonstrou como gravar pequenas aberturas na camada de óxido para difundir dopantes em áreas selecionadas da pastilha de silício. Em 1957, eles publicaram um trabalho de pesquisa e patentearam sua técnica resumindo seu trabalho. A técnica que eles desenvolveram é conhecida como mascaramento de difusão de óxido, que mais tarde seria usada na fabricação de dispositivos MOSFET. No Bell Labs, a importância da técnica de Frosch foi imediatamente percebida. Os resultados de seu trabalho circularam pela Bell Labs na forma de memorandos da BTL antes de serem publicados em 1957. Na Shockley Semiconductor , Shockley circulou a pré-impressão de seu artigo em dezembro de 1956 para toda a sua equipe sênior, incluindo Jean Hoerni .

Em 1955, Ian Munro Ross registrou uma patente para um FeFET ou MFSFET. Sua estrutura era semelhante à de um MOSFET de canal de inversão moderno, mas o material ferroelétrico foi usado como dielétrico/isolante em vez de óxido. Ele a imaginou como uma forma de memória, anos antes do MOSFET de portão flutuante . Em fevereiro de 1957, John Wallmark registrou uma patente para o FET no qual o monóxido de germânio era usado como dielétrico de portão, mas ele não seguiu a ideia. Em sua outra patente registrada no mesmo ano, ele descreveu um FET de portão duplo . Em março de 1957, em seu caderno de laboratório, Ernesto Labate, pesquisador do Bell Labs , concebeu um dispositivo semelhante ao MOSFET proposto posteriormente, embora o dispositivo de Labate não usasse explicitamente o dióxido de silício como isolante.

FET de óxido de metal semicondutor (MOSFET)

Mohamed Atalla (esquerda) e Dawon Kahng (direita) inventaram o MOSFET (transistor de efeito de campo MOS) em 1959.

Um avanço na pesquisa de FET veio com o trabalho do engenheiro egípcio Mohamed Atalla no final da década de 1950. Em 1958 ele apresentou um trabalho experimental que mostrou que o crescimento de óxido de silício fino em uma superfície de silício limpa leva à neutralização dos estados de superfície. Isso é conhecido como passivação de superfície , um método que se tornou crítico para a indústria de semicondutores, pois tornou possível a produção em massa de circuitos integrados de silício .

O transistor de efeito de campo semicondutor de óxido de metal (MOSFET) foi então inventado por Mohamed Atalla e Dawon Kahng em 1959. O MOSFET substituiu amplamente tanto o transistor bipolar quanto o JFET, e teve um efeito profundo no desenvolvimento da eletrônica digital . Com sua alta escalabilidade , consumo de energia muito menor e densidade mais alta do que os transistores de junção bipolar, o MOSFET possibilitou a construção de circuitos integrados de alta densidade . O MOSFET também é capaz de lidar com maior potência do que o JFET. O MOSFET foi o primeiro transistor verdadeiramente compacto que pode ser miniaturizado e produzido em massa para uma ampla gama de usos. O MOSFET tornou-se assim o tipo mais comum de transistor em computadores, eletrônicos e tecnologia de comunicação (como smartphones ). O Escritório de Patentes e Marcas Registradas dos EUA o chama de "invenção inovadora que transformou a vida e a cultura em todo o mundo".

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. O primeiro relato de um MOSFET de porta flutuante foi feito por Dawon Kahng e Simon Sze em 1967. Um MOSFET de porta dupla foi demonstrado pela primeira vez em 1984 pelos pesquisadores do Laboratório Eletrotécnico Toshihiro Sekigawa e Yutaka Hayashi. FinFET (transistor de efeito de campo fin), um tipo de MOSFET 3D não planar multi-gate , originado da pesquisa de Digh Hisamoto e sua equipe no Hitachi Central Research Laboratory em 1989.

Informação básica

Os FETs podem ser dispositivos portadores de carga majoritária, nos quais a corrente é transportada predominantemente por portadores majoritários, ou dispositivos portadores de carga minoritários, nos quais a corrente é principalmente devida a um fluxo de portadores minoritários. O dispositivo consiste em um canal ativo através do qual os portadores de carga, elétrons ou buracos , fluem da fonte para o dreno. Condutores terminais de fonte e dreno são conectados ao semicondutor através de contatos ôhmicos . A condutividade do canal é uma função do potencial aplicado nos terminais da porta e da fonte.

Os três terminais do FET são:

  1. fonte (S), através da qual as portadoras entram no canal. Convencionalmente, a corrente que entra no canal em S é designada por I S .
  2. dreno (D), por onde os portadores saem do canal. Convencionalmente, a corrente que entra no canal em D é designada por I D . A tensão do dreno para a fonte é V DS .
  3. gate (G), o terminal que modula a condutividade do canal. Aplicando tensão a G, pode-se controlar I D .

Mais sobre terminais

Seção transversal de um MOSFET tipo n

Todos os FETs têm terminais de fonte , dreno e porta que correspondem aproximadamente ao emissor , coletor e base dos BJTs . A maioria dos FETs tem um quarto terminal chamado corpo , base , volume ou substrato . Este quarto terminal serve para polarizar o transistor em operação; é raro fazer uso não trivial do terminal do corpo em projetos de circuito, 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, dentro/fora da tela). Normalmente, a largura é muito maior que o comprimento do portão. 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 do portão pode ser pensado como o controle da abertura e fechamento de um portão físico. Essa porta permite que os elétrons fluam ou bloqueie sua passagem criando ou eliminando um canal entre a fonte e o dreno. O fluxo de elétrons do terminal de fonte para o terminal de dreno é influenciado por uma tensão aplicada. O corpo refere-se simplesmente à maior parte do semicondutor no qual se encontram a porta, a fonte e o dreno. Normalmente, 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, pois a fonte geralmente é conectada à tensão mais alta ou mais baixa dentro do circuito, embora existam vários usos de FETs que não possuem essa configuração, como portas de transmissão e circuitos cascode .

Efeito da tensão do portão na corrente

Características I-V e gráfico de saída de um transistor JFET n-channel.
Resultado da simulação para o lado direito: formação do canal de inversão (densidade de elétrons) e lado esquerdo: curva de tensão do portão de corrente (características de transferência) em um MOSFET de nanofios de canal n . Observe que a tensão limite para este dispositivo está em torno de 0,45 V.
Tipos de símbolos convencionais 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 nos terminais da porta e da fonte. (Para simplificar, esta discussão assume que o corpo e a fonte estão conectados.) Este canal condutor é o "corrente" através do qual os elétrons fluem da fonte para o dreno.

FET de canal n

Em um dispositivo de "modo de depleção" de canal n , uma tensão porta-fonte negativa faz com que uma região de depleção se expanda em largura e invada o canal pelos lados, estreitando o canal. Se a região ativa se expandir para fechar completamente o canal, a resistência do canal da fonte ao dreno se torna grande e o FET é efetivamente desligado como um interruptor (veja a figura à direita, quando há corrente muito pequena). Isso é chamado de "pinch-off" e a tensão na qual ocorre é chamada de "pinch-off voltage". Por outro lado, uma tensão positiva porta-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 aprimoramento" de canal n, um canal condutor não existe naturalmente dentro do transistor, e uma tensão positiva porta-fonte é necessária para criar um. A voltagem positiva atrai elétrons que flutuam livremente dentro do corpo em direção ao portão, formando um canal condutor. Mas primeiro, elétrons suficientes devem ser atraídos perto do portão para combater os íons dopantes adicionados ao corpo do FET; isso forma uma região sem portadoras móveis chamada região de depleção , e a tensão na qual isso ocorre é chamada de tensão limite do FET. Um aumento adicional da tensão porta-fonte atrairá ainda mais elétrons para a porta que são capazes de ativar o canal da fonte para o dreno; esse processo é chamado de inversão .

FET de canal p

Em um dispositivo de "modo de depleção" de canal p , uma voltagem positiva da porta para o corpo amplia a camada de depleção, forçando os elétrons para a interface porta-isolador/semicondutor, deixando exposta uma região livre de portadores de íons aceptores imóveis e carregados positivamente.

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

Efeito da tensão do dreno para a fonte no canal

Para dispositivos de modo de aprimoramento ou de depleção, em tensões de dreno para fonte muito menores do que tensões de porta para fonte, alterar a tensão de porta alterará a resistência do canal e a corrente de dreno será proporcional à tensão de dreno (referenciada à fonte Voltagem). Neste modo, o FET opera como um resistor variável e diz-se que o FET está operando em modo linear ou modo ôhmico.

Se a tensão do dreno para a 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 "pinçada" perto da extremidade de drenagem do canal. Se a tensão do dreno para a fonte aumentar ainda mais, o ponto de estrangulamento do canal começa a se afastar do dreno em direção à fonte. Diz-se que o FET está em modo de saturação ; embora alguns autores se refiram a ele como modo ativo , para uma melhor analogia com as regiões de operação do transistor bipolar.O modo de saturação, ou a região entre ôhmica 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 com a tensão de dreno.

Mesmo que o canal condutor formado pela tensão porta-fonte não conecte mais a fonte ao dreno durante o modo de saturação, as portadoras não são impedidas de fluir. Considerando novamente um dispositivo de modo de aprimoramento de canal n, existe uma região de depleção no corpo do tipo p, circundando o canal condutor e as regiões de dreno e fonte. Os elétrons que compõem o canal são 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 carreadores e possui resistência semelhante ao silício . Qualquer aumento da tensão dreno-fonte aumentará a distância do dreno ao ponto de estrangulamento, aumentando a resistência da região de depleção na proporção da tensão dreno-fonte aplicada. Essa mudança proporcional faz com que a corrente dreno-fonte permaneça relativamente fixa, independente das mudanças na tensão dreno-fonte, bem diferente de seu comportamento ôhmico no modo linear de operação. Assim, no modo de saturação, o FET se comporta como uma fonte de corrente constante e não como um resistor, e pode efetivamente ser usado como um amplificador de tensão. Neste caso, a tensão porta-fonte determina o nível de corrente constante através do canal.

Composição

Os FETs podem ser construídos a partir de vários semicondutores, dos quais o silício é de longe o mais comum. A maioria dos FETs são feitos usando técnicas convencionais de processamento de semicondutores em massa , usando uma pastilha semicondutora de cristal único como a região ativa ou canal.

Entre os materiais corporais mais incomuns estão o silício amorfo , o silício policristalino ou outros semicondutores amorfos em transistores de película fina ou transistores orgânicos de efeito de campo (OFETs) baseados em semicondutores orgânicos ; frequentemente, os isoladores e eletrodos da porta OFET também são feitos de materiais orgânicos. Esses FETs são fabricados usando uma variedade de materiais, como carbeto de silício (SiC), arseneto de gálio (GaAs), nitreto de gálio (GaN) e arseneto de índio e gálio (InGaAs).

Em junho de 2011, a IBM anunciou que havia usado com sucesso FETs baseados em grafeno em um circuito integrado . Esses transistores são capazes de uma frequência de corte de cerca de 2,23 GHz, muito mais alta que os FETs de silício padrão.

Tipos

FETs do tipo depleção sob tensões típicas: JFET, MOSFET de poli-silício, MOSFET de porta dupla, MOSFET de porta metálica, MESFET.
  Esgotamento
  Elétrons
  Furos
  Metal
  Isolador
Superior: fonte, inferior: dreno, esquerda: portão, direita: volume. As tensões que levam à formação do canal não são mostradas.

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

  • O MOSFET (transistor de efeito de campo semicondutor de óxido de metal) utiliza um isolante (tipicamente SiO 2 ) entre a porta e o corpo. Este é de longe o tipo mais comum de FET.
    • O DGMOSFET ( MOSFET dual-gate ) ou DGMOS, um MOSFET com duas portas isoladas.
    • O IGBT ( transistor bipolar de porta isolada ) é um dispositivo para controle de potência. Tem uma estrutura semelhante a um MOSFET acoplado a um canal de condução principal tipo bipolar. Eles são comumente usados ​​para a faixa de operação de tensão de dreno para fonte de 200–3000 V. Os MOSFETs de potência ainda são o dispositivo de escolha para tensões dreno-fonte de 1 a 200 V.
    • O JLNT ( Junctionless nanowire transistor ) é um tipo de transistor de efeito de campo (FET) cujo canal é um ou vários nanofios e não apresenta nenhuma junção.
    • O MNOS (transistor de metal-nitreto-óxido-semicondutor ) utiliza um isolante de camada de óxido de nitreto entre o portão e o corpo.
    • O ISFET (transistor de efeito de campo sensível a íons) pode ser usado para medir concentrações de íons em uma solução; quando a concentração de íons (como H + , veja eletrodo de pH ) muda, a corrente através do transistor mudará de acordo.
    • 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, 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 imunologicamente modificados (ImmunoFETs), FETs modificados por genes (GenFETs), DNAFETs , BioFETs baseados em células (CPFETs), FETs de besouro/chip (BeetleFETs) e FETs baseados em canais iônicos/ ligação proteica.
    • O DNAFET ( transistor de efeito de campo de DNA ) é um FET especializado que atua como um biossensor , usando um portão feito de moléculas de DNA de fita simples para detectar fitas de DNA correspondentes.
    • finFET , incluindo GAAFET ou FET gate-all-around, usado em chips de processador de alta densidade
  • O JFET (transistor de efeito de campo de junção) usa uma junção p-n com polarização reversa para separar a porta do corpo.
  • O DEPFET é um FET formado em um substrato totalmente esgotado e atua como sensor, amplificador e nó de memória ao mesmo tempo. Ele pode ser usado como um sensor de imagem (fótons).
  • O FREDFET (fast-reverse ou fast-recovery epitaxial diode FET) é um FET especializado projetado para fornecer uma recuperação muito rápida (desligamento) do diodo do corpo, tornando-o conveniente para acionamento de cargas indutivas , como motores elétricos , especialmente médio- motores DC sem escovas alimentados .
  • O HIGFET (transistor de efeito de campo de porta isolada de heteroestrutura) é agora usado principalmente em pesquisa.
  • O MODFET (transistor de efeito de campo dopado por modulação) é um transistor de alta mobilidade eletrônica usando uma estrutura de poço quântico formada por dopagem graduada da região ativa.
  • O TFET ( transistor de efeito de campo do túnel ) é baseado no tunelamento banda a banda.
  • O TQFET (transistor de efeito de campo quântico topológico) alterna um material 2D de isolante topológico sem dissipação (estado 'ligado') para isolante convencional (estado 'desligado') usando um campo elétrico aplicado.
  • O HEMT ( transistor de alta mobilidade eletrônica ), também chamado de HFET (heteroestrutura FET), pode ser feito usando engenharia de banda em um semicondutor ternário como AlGaAs . O material de banda larga totalmente esgotado forma o isolamento entre o portão e o corpo.
  • O MESFET (transistor de efeito de campo metal-semicondutor) substitui a junção p-n do JFET por uma barreira Schottky ; e é usado em GaAs e outros materiais semicondutores III-V .
  • O NOMFET é um transistor de efeito de campo de memória orgânica de nanopartículas.
  • O GNRFET (transistor de efeito de campo de nanofita de grafeno) usa uma nanofita de grafeno para seu canal.
  • O VeSFET (transistor de efeito de campo de fenda vertical) é um FET sem junção em forma de quadrado com uma fenda estreita conectando a fonte e o dreno nos cantos opostos. Duas portas ocupam os outros cantos e controlam a corrente através da fenda.
  • O CNTFET ( transistor de efeito de campo de nanotubos de carbono ).
  • O OFET ( transistor orgânico de efeito de campo ) usa um semicondutor orgânico em seu canal.
  • O QFET ( transistor de efeito de campo quântico ) aproveita o tunelamento quântico para aumentar muito a velocidade de operação do transistor, eliminando a área de condução de elétrons do transistor tradicional.
  • O SB-FET (transistor de efeito de campo de barreira Schottky) é um transistor de efeito de campo com eletrodos de contato de fonte e dreno metálicos, que criam barreiras Schottky nas interfaces de canal de fonte e canal de dreno.
  • 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 instâncias reduzidas de 'falsos positivos' em aplicações de detecção
  • O Fe FET utiliza 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 .
  • VTFET, ou Transistor de Efeito de Campo de Transporte Vertical , a modificação de 2021 do finFET da IBM para permitir maior densidade e menor potência.

Vantagens

Os transistores de efeito de campo possuem alta resistência de corrente porta-dreno, da ordem de 100 MΩ ou mais, proporcionando um alto grau de isolamento entre controle e fluxo. Como o ruído da corrente de base aumentará com o tempo de modelagem, um FET normalmente produz menos ruído do que um transistor de junção bipolar (BJT) e é encontrado em eletrônicos sensíveis a ruído, como sintonizadores e amplificadores de baixo ruído para receptores de VHF e satélite. É relativamente imune à radiação. Ele não exibe tensão de deslocamento em corrente de dreno zero e é um excelente chopper de sinal. Normalmente tem melhor estabilidade térmica do que um BJT.

Como os FETs são controlados pela carga da porta, uma vez que a porta é fechada ou aberta, não há consumo de energia adicional, como ocorreria com um transistor de junção bipolar ou com relés sem travamento em alguns estados. Isso permite uma comutação de potência extremamente baixa, o que, por sua vez, permite uma maior miniaturização dos circuitos, pois as necessidades de dissipação de calor são reduzidas em comparação com outros tipos de comutadores.

Desvantagens

Um transistor de efeito de campo tem um produto de largura de banda de ganho relativamente baixo em comparação com um transistor de junção bipolar. Os MOSFETs são muito suscetíveis a tensões de sobrecarga, exigindo, portanto, manuseio especial durante a instalação. A frágil camada isolante do MOSFET entre o gate e o canal o torna vulnerável a descargas eletrostáticas ou alterações na tensão limite durante o manuseio. Isso geralmente não é um problema depois que o dispositivo foi instalado em um circuito projetado adequadamente.

Os FETs geralmente têm uma resistência "on" muito baixa e uma alta resistência "off". No entanto, as resistências intermediárias são significativas e, portanto, os FETs podem dissipar grandes quantidades de energia durante a comutação. Assim, a eficiência pode valorizar a comutação rápida, mas isso pode causar transientes que podem excitar indutâncias parasitas e gerar tensões significativas que podem se acoplar à porta e causar comutação não intencional. Os circuitos FET podem, portanto, exigir um layout muito cuidadoso e podem envolver trocas entre a velocidade de comutação e a dissipação de energia. Há também um trade-off entre a classificação de tensão e a resistência "on", de modo que os FETs de alta tensão têm uma resistência "on" relativamente alta e, portanto, perdas de condução.

Modos de falha

Os transistores de efeito de campo são relativamente robustos, especialmente quando operados dentro das limitações de temperatura e elétrica definidas pelo fabricante ( redução adequada ). No entanto, os dispositivos FET modernos muitas vezes podem incorporar um diodo de corpo . Se as características do diodo de corpo não forem levadas em consideração, o FET pode experimentar um comportamento de diodo de corpo lento, onde um transistor parasita será ligado e permitirá que alta corrente seja extraída do dreno para a fonte quando o FET estiver desligado.

Usos

O FET mais comumente usado é o MOSFET . A tecnologia de processo CMOS (complementary metal oxide semiconductor) é a base para os modernos circuitos integrados digitais . Essa tecnologia de processo usa um arranjo em que o MOSFET de canal p (geralmente "modo de aprimoramento") e o MOSFET de canal n 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 do terminal de dreno e do terminal de fonte é um tanto arbitrária, pois os dispositivos são normalmente (mas nem sempre) construídos simetricamente da fonte ao dreno. Isso torna os FETs adequados para comutação de sinais analógicos entre caminhos ( multiplexação ). Com este conceito, pode-se construir uma mesa de mistura de estado sólido , por exemplo. FET é comumente usado como um amplificador. Por exemplo, devido à sua grande resistência de entrada e baixa resistência de saída, 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 os recursos de comutação rápida e bloqueio de tensão são importantes.

Transistor controlado por fonte

Os transistores controlados por fonte são mais robustos para questões de fabricação e ambientais em eletrônicos de grande área, como telas de exibição, mas são mais lentos em operação do que os FETs.

Veja também

Referências

links externos