thumb|MOSFET de potência IRLZ24N em um encapsulamento through-hole TO-220AB. Os pinos da esquerda para a direita são: porta (nível lógico), dreno, fonte. A aba metálica superior é o dreno, o mesmo que o pino 2.IRLZ24N, 55V N-Channel Power MOSFET, TO-220AB package; Infineon.
Um MOSFET de potência é um tipo específico de transistor de efeito de campo de metal-óxido-semicondutor (MOSFET) projetado para suportar níveis significativos de potência. Comparado a outros dispositivos semicondutores de potência, como um transistor bipolar de porta isolada (IGBT) ou um tiristor, suas principais vantagens são a alta velocidade de comutação e boa eficiência em baixas tensões. Ele compartilha com o IGBT uma porta isolada que facilita o seu acionamento. Eles podem apresentar baixo ganho, às vezes a ponto de a tensão de porta precisar ser maior do que a tensão que está sendo controlada.
O projeto dos MOSFETs de potência foi viabilizado pela evolução da tecnologia MOSFET e CMOS, utilizada para a fabricação de circuitos integrados desde a década de 1960. O MOSFET de potência compartilha seu princípio de funcionamento com sua contraparte de baixa potência, o MOSFET lateral. O MOSFET de potência, que é comumente usado em eletrônica de potência, foi adaptado do MOSFET padrão e introduzido comercialmente na década de 1970.
O MOSFET de potência é o dispositivo semicondutor de potência mais comum no mundo, devido à sua baixa potência de acionamento de porta, rápida velocidade de comutação, fácil capacidade de paralelismo avançado, ampla largura de banda, robustez, acionamento fácil, polarização simples, facilidade de aplicação e facilidade de reparo. Em particular, é o interruptor de baixa tensão (menos de 200 V) mais amplamente utilizado. Pode ser encontrado em uma grande variedade de aplicações, como na maioria das fontes de alimentação, conversores CC-para-CC, controladores de motor de baixa tensão e muitas outras aplicações.
História
O MOSFET foi inventado no Bell Labs entre 1955 e 1960. Foi um avanço na eletrônica de potência. Gerações de MOSFETs permitiram que os projetistas de potência alcançassem níveis de desempenho e densidade que não eram possíveis com transistores bipolares.
Em 1969, a Hitachi introduziu o primeiro MOSFET de potência vertical, que mais tarde seria conhecido como VMOS (MOSFET com ranhura em V). No mesmo ano, o DMOS (MOSFET de dupla difusão) com porta autoalinhada foi relatado pela primeira vez por Y. Tarui, Y. Hayashi e Toshihiro Sekigawa do Laboratório Eletrotécnico (ETL). Em 1974, Jun-ichi Nishizawa na Universidade de Tohoku inventou um MOSFET de potência para áudio, que logo foi fabricado pela Yamaha Corporation para seus amplificadores de áudio de alta fidelidade. JVC, Pioneer Corporation, Sony e Toshiba também começaram a fabricar amplificadores com MOSFETs de potência em 1974. A Siliconix introduziu comercialmente um VMOS em 1975.
O VMOS e o DMOS evoluíram para o que ficou conhecido como VDMOS (DMOS vertical). A equipe de pesquisa de John L. Moll no HP Labs fabricou protótipos de DMOS em 1977 e demonstrou vantagens sobre o VMOS, incluindo menor resistência no estado ligado e maior tensão de ruptura. No mesmo ano, a Hitachi introduziu o LDMOS (DMOS lateral), um tipo planar de DMOS. A Hitachi foi a única fabricante de LDMOS entre 1977 e 1983, período em que o LDMOS foi usado em amplificadores de potência de áudio de fabricantes como HH Electronics (série V) e Ashly Audio, sendo utilizados para música e sistemas de sonorização pública. Com a introdução da rede móvel digital 2G em 1995, o LDMOS tornou-se o amplificador de potência de RF mais amplamente utilizado em redes móveis, como 2G, 3G e 4G.
Alex Lidow co-inventou o HexFET, um tipo hexagonal de MOSFET de potência, na Universidade de Stanford em 1977, junto com Tom Herman. O HexFET foi comercializado pela International Rectifier em 1978. O transistor bipolar de porta isolada (IGBT), que combina elements tanto do MOSFET de potência quanto do transistor de junção bipolar (BJT), foi desenvolvido por B. Jayant Baliga na General Electric entre 1977 e 1979.
O MOSFET de superjunção é um tipo de MOSFET de potência que usa colunas P+ que penetram na camada epitaxial N−. A ideia de empilhar camadas P e N foi proposta pela primeira vez por Shozo Shirota e Shigeo Kaneda na Universidade de Osaka em 1978. David J. Coe na Philips inventou o MOSFET de superjunção com camadas alternadas do tipo p e do tipo n, pelo qual recebeu uma patente dos EUA em 1988.US Patent 4,754,310
Aplicações
thumb|NXP 7030AL - FET de nível lógico TrenchMOS de canal N thumb|Pastilha (die) de um MOSFET de potência IRF640 O MOSFET de potência é o dispositivo semicondutor de potência mais utilizado no mundo. A partir de 2010, o MOSFET de potência representava 53% do mercado de transistores de potência, à frente do transistor bipolar de porta isolada (27%), do amplificador de potência de RF (11%) e do transistor de junção bipolar (9%). A partir de 2018, mais de 50 bilhões de MOSFETs de potência são enviados anualmente. Isso inclui o MOSFET de potência em trincheira (trench power MOSFET), que vendeu mais de 100 bilhões de unidades até fevereiro de 2017, e o MDmesh da STMicroelectronics (MOSFET de superjunção), que vendeu 5 bilhões de unidades até 2019.
MOSFETs de potência são comumente usados em uma ampla gama de eletrônicos de consumo, bem como em tecnologia de transporte, incluindo uma grande variedade de veículos. Eles também são amplamente utilizados em eletrônica automotiva.
O DMOS de RF, também conhecido como MOSFET de potência de RF, é um tipo de transistor de potência DMOS projetado para aplicações de radiofrequência (RF). É usado em várias aplicações de rádio e RF.
MOSFETs de potência (incluindo DMOS, LDMOS e VMOS) são comumente utilizados em uma vasta gama de outras aplicações.
Estrutura básica thumb|right|Fig. 1: Seção transversal de um VDMOS, mostrando uma célula elementar. Note que uma célula é muito pequena (de alguns micrômetros a algumas dezenas de micrômetros de largura) e que um MOSFET de potência é composto por milhares delas Várias estruturas foram exploradas na década de 1970, quando os primeiros MOSFETs de potência comerciais foram introduzidos. No entanto, a maioria delas foi abandonada (pelo menos até recentemente) em favor da estrutura MOS Difundido Vertical (VDMOS, do inglês *Vertical Diffused MOS*), também chamada de MOS de Dupla Difusão ou simplesmente DMOS, e da estrutura LDMOS (MOS difundido lateralmente).
A seção transversal de um VDMOS (ver figura 1) shows a "verticalidade" do dispositivo: pode-se observar que o eletrodo de fonte está posicionado acima do dreno, resultando em uma corrente principalmente vertical quando o transistor está no estado ligado. A "difusão" no VDMOS refere-se ao processo de fabricação: os poços P (ver figura 1) são obtidos por um processo de difusão (na verdade, um processo de dupla difusão para obter as regiões P e N+, daí o nome dupla difusão).
Os MOSFETs de potência possuem uma estrutura diferente do MOSFET lateral: como acontece com a maioria dos dispositivos de potência, sua estrutura é vertical e não planar. Em uma estrutura planar, as especificações de corrente e tensão de ruptura são ambas funções das dimensões do canal (respectivamente largura e comprimento do canal), resultando em um uso ineficiente da área de silício. Com uma estrutura vertical, a especificação de tensão do transistor é uma função da dopagem e da espessura da camada epitaxial N (ver seção transversal), enquanto a especificação de corrente é uma função da largura do canal. Isso torna possível para o transistor suportar tanto alta tensão de bloqueio quanto alta corrente dentro de uma peça compacta de silício.
Os LDMOS são MOSFETs de potência com uma estrutura lateral. Eles são utilizados principalmente em amplificadores de potência de áudio de alta fidelidade, e em amplificadores de potência de RF em redes sem fio celulares, como 2G, 3G e 4G. Sua vantagem é um melhor comportamento na região de saturação (correspondente à região linear de um transistor de junção bipolar) do que os MOSFETs verticais. Os MOSFETs verticais são projetados para aplicações de comutação, portanto, são usados apenas nos estados ligado (on) ou desligado (off).
Resistência no estado ligado thumb|Fig. 2: Contribuição das diferentes partes do MOSFET para a resistência no estado ligado Quando o MOSFET de potência está no estado ligado, ele apresenta um comportamento resistivo entre os terminais de dreno e fonte. Pode-se observar na figura 2 que essa resistência (chamada RDSon para "resistência dreno-fonte no estado ligado") é a soma de muitas contribuições elementares: RS é a resistência de fonte. Ela representa todas as resistências entre o terminal de fonte do encapsulamento até o canal do MOSFET: resistência dos fios de ligação (bond wires), da metalização da fonte e dos poços N+; Rch é a resistência do canal. Ela é inversamente proporcional à largura do canal e, para um determinado tamanho de pastilha, à densidade do canal. A resistência do canal é um dos principais contribuintes para o RDSon de MOSFETs de baixa tensão, e um trabalho intensivo tem sido realizado para reduzir o tamanho de suas células a fim de aumentar a densidade do canal; Ra é a resistência de acesso. Ela representa a resistência da zona epitaxial diretamente sob o eletrodo de porta, onde a direção da corrente muda de horizontal (no canal) para vertical (em direção ao contato do dreno); RJFET é o efeito prejudicial da redução do tamanho da célula mencionado acima: as implantações P (ver figura 1) formam as portas de um transistor JFET parasita que tende a reduzir a largura do fluxo de corrente; Rn é a resistência da camada epitaxial. Como o papel dessa camada é suportar a tensão de bloqueio, Rn está diretamente relacionada à especificação de tensão do dispositivo. Um MOSFET de alta tensão requer uma camada espessa e de baixa dopagem, ou seja, altamente resistiva, enquanto um transistor de baixa tensão requer apenas uma camada fina com um nível de dopagem mais alto, ou seja, menos resistiva. Como resultado, Rn é o principal factor responsável pela resistência de MOSFETs de alta tensão; RD é o equivalente de RS para o dreno. Representa a resistência do substrato do transistor (a seção transversal na figura 1 não está em escala, a camada N+ inferior é, na verdade, a mais espessa) e das conexões do encapsulamento.
Relação de compromisso entre tensão de ruptura e resistência no estado ligado right|thumb|Fig. 3: O RDSon dos MOSFETs aumenta com a sua especificação de tensão Quando no estado desligado, o MOSFET de potência é equivalente a um diodo PIN (constituído pela difusão P+, a camada epitaxial N− e o substrato N+). Quando essa estrutura altamente assimétrica é polarizada inversamente, a região de carga de espaço estende-se principalmente no lado levemente dopado, ou seja, sobre a camada N−. Isso significa que essa camada deve suportar a maior parte da tensão dreno-fonte do MOSFET no estado desligado.
No entanto, quando o MOSFET está no estado ligado, essa camada N− não tem função. Além disso, por ser uma região levemente dopada, sua resistividade intrínseca não é desprezível e soma-se à resistência dreno-fonte no estado ligado (RDSon) do MOSFET (esta é a resistência Rn na figura 2).
Dois parâmetros principais governam tanto a tensão de ruptura quanto o RDSon do transistor: o nível de dopagem e a espessura da camada epitaxial N−. Quanto mais espessa a camada e menor o seu nível de dopagem, maior será a tensão de ruptura. Pelo contrário, quanto mais fina a camada e maior o nível de dopagem, menor será o RDSon (e, portanto, menores serão as perdas por condução do MOSFET). Portanto, pode-se notar que existe uma relação de compromisso (trade-off) no projeto de um MOSFET entre a sua especificação de tensão e a sua resistência no estado ligado. Isso é demonstrado pelo gráfico na figura 3.
Diodo de corpo