Polarizzazione MOSFET e limiti dei modelli a legge quadratica

La soglia non è un limite utile di corrente

Il gate di un MOSFET controlla un canale attraverso il campo elettrico. La corrente ideale del gate in continua è zero, ma restano perdite reali e capacità di gate. La tensione di soglia segna un inizio di conduzione definito dal modello; non garantisce bassa resistenza di conduzione o una corrente di drain utilizzabile specifica. Polarizzazione analogica e commutazione di potenza richiedono quindi informazioni diverse sul dispositivo.

Usa un modello didattico NMOS a canale lungo e legge quadratica: $I_D=k(V_{GS}-V_T)^2/2$ in saturazione, con $V_{DS}\geq V_{GS}-V_T$. Ignora modulazione della lunghezza del canale ed effetto di substrato per questo calcolo. Siano k = 2 mA/V², VT = 1 V, source a massa e gate mantenuto a 2 V. La sovratensione è 1 V, dando ID = 1 mA.

Verifica numericamente la regione

Collega il drain a 5 V tramite 2 kΩ. La tensione del drain è 3 V, quindi VDS = 3 V supera la sovratensione di 1 V. La regione di saturazione ipotizzata è coerente. «Saturazione» qui è la regione analogica del MOSFET come sorgente di corrente; non è lo stesso uso della parola della saturazione BJT o di un operazionale limitato alla propria uscita.

Il modello dà $g_m=k(V_{GS}-V_T)=2$ mS. Ignorando resistenza di uscita e carico esterno, il guadagno di tensione a source comune è circa $-g_mR_D=-4$. Una perturbazione del gate da 10 mV produce circa −40 mV di perturbazione del drain attorno a 3 V. Questa derivata è locale e non descrive una grande scansione del gate.

Rileva un'ipotesi non valida

Se RD sale a 4.7 kΩ mentre presumi lo stesso 1 mA, la tensione del drain sarebbe 0.3 V, sotto la sovratensione di 1 V. L'equazione di saturazione non è più coerente. Usa un modello della regione di triodo e risolvi di nuovo anziché accettare il punto di lavoro impossibile.

MOSFET moderni a canale corto e di potenza discreti richiedono spesso modelli più ricchi di questa legge quadratica. Usa curve di trasferimento reali, comportamento termico, capacità e documentazione dei modelli SPICE per un progetto con dispositivi. I numeri didattici insegnano selezione e coerenza del modello; non specificano un componente per il successivo progetto finale con sensore.