Polarização de MOSFET e limites dos modelos de lei quadrática

O limiar não é uma especificação útil de corrente

A porta de um MOSFET controla um canal por campo elétrico. Sua corrente ideal CC de porta é zero, mas fuga real e capacitância de porta permanecem. A tensão de limiar marca um início de condução definido pelo modelo; não garante baixa resistência ligada nem uma corrente de dreno utilizável específica. Polarização analógica e chaveamento de potência precisam, portanto, de informações diferentes do dispositivo.

Use um modelo didático NMOS de canal longo de lei quadrática: $I_D=k(V_{GS}-V_T)^2/2$ em saturação, com $V_{DS}\geq V_{GS}-V_T$. Ignore modulação do comprimento de canal e efeito de corpo neste cálculo. Considere k = 2 mA/V², VT = 1 V, fonte aterrada e porta mantida em 2 V. A sobretensão é 1 V, dando ID = 1 mA.

Verifique a região numericamente

Conecte o dreno a 5 V por 2 kΩ. A tensão de dreno é 3 V, portanto VDS = 3 V excede a sobretensão de 1 V. A região de saturação presumida é consistente. “Saturação” aqui é a região analógica de fonte de corrente do MOSFET; não é o mesmo uso da palavra que saturação de BJT ou um amplificador operacional limitado por sua saída.

O modelo dá $g_m=k(V_{GS}-V_T)=2$ mS. Ignorando resistência de saída e carga externa, o ganho de tensão em fonte comum é aproximadamente $-g_mR_D=-4$. Uma perturbação de porta de 10 mV produz aproximadamente −40 mV de perturbação de dreno em torno de 3 V. Essa derivada é local e não descreve uma ampla varredura de porta.

Detecte uma premissa inválida

Se RD subir para 4.7 kΩ enquanto você presumir os mesmos 1 mA, a tensão de dreno seria 0.3 V, abaixo da sobretensão de 1 V. A equação de saturação deixa de ser autoconsistente. Use um modelo da região de triodo e resolva novamente em vez de aceitar o ponto de operação impossível.

MOSFETs modernos de canal curto e dispositivos discretos de potência frequentemente precisam de modelos mais ricos que essa lei quadrática. Use curvas reais de transferência, comportamento com temperatura, capacitância e documentação do modelo SPICE para um projeto de dispositivo. Os números didáticos ensinam seleção e consistência de modelos; não especificam um componente para o projeto final de sensor posterior.