Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência

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Dispositivos
semicondutores
usados em
eletrônica de
potência
Prof. Raphael de Souza dos Santos
Descrição
Tiristores e dispositivos semicondutores em circuitos eletrônicos de potência; elementos com chaveamento eletrônico e outros
de condução por polarização, como SCRs, TRIACs e MOSFETs para o funcionamento adequado dos circuitos em eletrônica de
potência.
Propósito
Apresentar a utilização de dispositivos semicondutores chaveados e mostrar sua importância na eletrônica de potência. O uso
desses elementos em circuitos controlados e de proteção é descrito em detalhes, assim como suas aplicações.
Objetivos
Módulo 1
Tiristores e os modelos dos tipos SCR e TRIAC
Definir o conceito de tiristores com os modelos do tipo SCR e TRIAC.
Módulo 2
Dispositivos dos tipos MOSFET, GTO e IGBT
Descrever os dispositivos dos tipos MOSFET, GTO e IGBT.
Módulo 3
MCT e UJT
Definir os conceitos de MCT e de UJT.
Introdução
Confira um breve resumo dos principais conceitos sobre os tiristores e a sua importância para a eletrônica de potência que serão
abordados neste conteúdo.

1 - Tiristores e os modelos dos tipos SCR e TRIAC
Ao �nal deste módulo, você será capaz de de�nir o conceito de tiristores com os modelos do tipo SCR e TRIAC.
Vamos começar!
Os tiristores e a sua importância para a eletrônica de potência
Confira os principais pontos sobre o assunto que serão abordados ao longo deste conteúdo.
De�nição de tiristores
Um tiristor é um dispositivo semicondutor de quatro camadas (p-n-p-n) e três junções, das quais pelo menos três são junções do
tipo p-n, o que permite seu funcionamento como um interruptor elétrico para operações de alta potência.

Os elementos classificados como tiristores possuem três terminais básicos e, de maneira similar ao diodo, são definidos como:
1. Ânodo
2. Cátodo
3. Porta ou gatilho
O ânodo e o cátodo seguem as definições dos semicondutores do tipo diodo, já a porta é montada nas camadas
semicondutoras do dispositivo, possibilitando a habilitação ou não do seu estado de condução. Entre os tiristores destacamos:
SCR – Tiristor unidirecional controlado por pulso;
TRIAC – Tiristor bidirecional controlado por pulso;
GTO – Tiristor desligado pela porta;
MCT – Tiristor controlado po tensão;
UJT – Transistor de unijunção.
Além desses dispositivos, outros elementos semicondutores bastante utilizados em eletrônica de potência são:
MOSFET
Transistor de efeito de campo semicondutor de óxido metálico.
IGBT
Transistor bipolar de porta isolada.
SCR
O retificador controlado de silício (Silicon Controlled Rectifier – SCR) é um dispositivo semicondutor unidirecional feito de silício.
Na prática, a denominação SCR foi dada comercialmente ao tiristor pelo fabricante General Electric Company, visto que ele é
apenas denominado tiristor.
Essencialmente, o SCR é um dispositivo semicondutor de três terminais e quatro camadas, que consistem em camadas
alternadas de material tipo p e tipo n (exatamente como a definição básica do tiristor).
Sendo assim, um SCR, apesar de ser visto como um tipo de tiristor, na prática, consiste na definição do próprio elemento. Os
demais dispositivos representam derivações desse dispositivo desenvolvidas de acordo com as necessidades dos circuitos.

O diagrama simbólico e o diagrama de circuito com as características do SCR são mostrados na imagem a seguir:
Camadas e simbologia de um SCR.
De maneira mais específica, um SCR pode ser visto como uma junção de 2 transistores, como pode ser visto na imagem
seguinte:
Ligação entre 2 transistores do tipo PNP e NPN.
É possível observar que um único SCR consiste na combinação de um transistor PNP (Q1) e um transistor NPN (Q2). Na imagem
acima:
A partir do circuito ilustrado a seguir, é possível observar que o ânodo e o cátodo estão conectados à tensão de uma fonte
alimentação de maneira similar ao que é feito com um diodo.
Emissor de Q1
Atua como o terminal ânodo (A) do SCR.
Emissor de Q2
É seu cátodo (K).
Base de Q1
É conectada ao coletor de Q2 (N com N).
Coletor de Q1
É conectado à base de Q2 (P com P).
Terminal da porta do SCR (G)
Também está conectado à base de Q2.
Ligação de um SCR em um circuito com uma fonte de alimentação e uma carga.
No circuito da imagem, é possível observar a utilização de outra fonte de alimentação secundária (V2) aplicada entre a porta e o
terminal do catodo do SCR no terminal denominado porta. Essa fonte é responsável por fornecer uma corrente positiva para a
porta quando a chave é fechada.
Ao fornecer a alimentação e a corrente para a porta, obtemos as características de tensão e corrente necessárias para o
funcionamento do SCR.
Modos básicos de operação
Há três modos básicos de operação, que serão discutidos em detalhes a seguir, permitindo-nos entender as características
gerais de um tiristor.

Modo de bloqueio reverso

Modo de bloqueio direto (off-state)

Modo de condução direta (on-state)
Bloqueio reverso
No modo de bloqueio reverso do SCR, o cátodo é colocado em uma tensão positiva em relação ao ânodo (tensão VAK negativa) e
a tensão de alimentação da porta para o cátodo é separada inicialmente, mantendo a chave S aberta, como pode ser visto na
imagem seguinte.
Ligação de um SCR em um circuito com polarização reversa (em bloqueio reverso).
Nesse modo, o SCR é reversamente polarizado, o que leva à polarização reversa das junções PN (J1 e J3 da imagem seguinte).
Por sua vez, essa condição de polarização reversa das juntas proíbe o fluxo de corrente através do dispositivo, apesar do fato de
a junção J2 permanecer na condição de polarização direta.
Junções de um SCR.
Nesse estado, o SCR se comporta como um diodo típico, ou seja, nessa condição de polarização reversa, apenas a corrente de
saturação reversa flui através do dispositivo, como no caso de um diodo em polarização reversa, que é mostrado na curva
característica da imagem a seguir na região denominada região de bloqueio reverso. O dispositivo também exibe o fenômeno da
ruptura reversa quando polarizado além do limite de tensão de polarização reversa, assim como um diodo.
Curva de polarização reversa de um SCR.
O comportamento do SCR é semelhante ao de dois diodos conectados em série com uma tensão reversa aplicada sobre eles.
Como resultado, apenas uma pequena corrente de fuga da ordem de alguns microampères pode fluir através dele. Esse é o
modo de bloqueio reverso ou estado desligado do tiristor.
Nesse estado, caso a tensão reversa sobre o tiristor aumente, em uma tensão específica, conhecida como tensão crítica de
ruptura (limite de tensão de polarização reversa), ocorrerá uma avalanche nas junções J1 e J3 e a corrente reversa aumentará
rapidamente. Essa tensão é conhecida como Tensão de Breakdown (VBR).
Uma grande corrente associada ao VBR dá origem a mais perdas no SCR, o que resulta em aquecimento (Efeito Joule). Isso pode
levar a danos no tiristor, já que a temperatura da junção pode exceder a temperatura máxima permitida.
Deve-se, portanto, garantir que a tensão reversa máxima de trabalho em um tiristor não exceda VBR. Quando a tensão reversa
aplicada em um tiristor é menor que VBR, o dispositivo semicondutor oferece uma impedância muito alta na direção reversa. O
SCR no modo de bloqueio reverso pode, portanto, ser tratado como circuito aberto.
Bloqueio direto
Na condição de bloqueio direto, uma polarização positiva é aplicada ao SCR por meio da conexão do terminal anódico (A) ao
polo positivo da fonte e do terminal catódico (K) ao polo negativo da bateria, conforme mostrado na imagem seguinte:
Ligação de um SCR em bloqueio direto.
Nessa condição de polarização, as junções J1 e J3 (conforme ilustrado na imagem “Junções de um SCR”) são polarizadas
diretamente e a junção J2 fica polarizada reversamente. Enquanto a porta for mantida em condição desligada (chave aberta), a
condição de polarização direta se mantém, mas a corrente do circuito também não pode atravessar o SCR, exceto a pequena
corrente que flui comocorrente de saturação (corrente de fuga), conforme mostrado pela curva características da imagem a
seguir:
Curva de polarização direta com bloqueio de um SCR.
Como é possível observar na imagem “Junções de um SCR”, as junções J1 e J3 agora estão polarizadas diretamente, mas a
junção J2 está na condição de polarização reversa. Nesse modo de polarização, uma pequena corrente de fuga direta pode fluir
inicialmente, como mostrado na imagem “Curva de polarização direta com bloqueio de um SCR”, que ilustra a características do
SCR.
Entretanto, se a tensão do ânodo continuar aumentando com a condição de polarização direta para o cátodo (a tensão VAK
continuar aumentando), o SCR pode entrar em condição de condução de correntes do ânodo para o cátodo com uma queda de
tensão muito pequena através dele (limite da tensão de polarização direta). Isso se deve à superação da tensão de ruptura direta
ou tensão de breakover, como será visto na condição de condução direta.
Condução direta
Um SCR pode ser trazido do modo de bloqueio direto para o modo de condução direta de duas maneiras:

Aumentando-se a tensão positiva aplicada no terminal do ânodo (A) para o cátodo (K) além da tensão de ruptura, ou seja,
excedendo-se a sobretensão de interrupção direta.

Aplicando-se uma tensão positiva no terminal da porta (G), ou seja, aplicando-se um pulso na porta (terminal entre a porta e o
cátodo).
Nesse modo, o SCR está no estado ligado e se comporta como uma chave fechada. A queda de tensão através do tiristor no
estado ligado é da ordem de 1V a 2V, maior do que o diodo de silício, cuja queda é de 0,7V.
Nessa condição de condução, a junção J2, que está polarizada reversamente, entrará em condição de condução forçada por
meio de um efeito de avalanche (corrente de avalanche) após um nível de tensão chamado tensão de ruptura direta (tensão de
breakover), na região do limite de tensão de polarização direta do SCR, como pode ser visto na imagem a seguir:
Curva característica de polarização na condução direta de um SCR.
Se a tensão de polarização direta for mantida menor que a tensão de ruptura direta e sem um pulso de condução na porta, será
possível observar na curva característica do SCR que o dispositivo oferece uma alta impedância sem entrar em condição de
condução. Assim, o tiristor opera como uma chave aberta durante o modo de bloqueio direto.
É importante destacar que o SCR também pode ser ligado em um nível de tensão muito menor que a tensão de ruptura direta,
por meio da aplicação de uma pequena tensão positiva no terminal da porta ou gatilho (G), como pode ser visto na imagem
seguinte:
Ligação de um SCR em condução direta.
Ao aplicar uma tensão positiva no terminal da porta, o transistor Q2 liga e sua corrente de coletor flui para a base do transistor
Q1, como pode ser visto na imagem a seguir:
Estrutura interna de um SCR em condição de condução.
Essa condução de corrente para a base de Q1 faz com que esse transistor ligue, o que resulta no fluxo de sua corrente de coletor
para a base de Q2. Isso faz com que o transistor fique saturado (em condição de condução).
Sendo assim, entre os métodos de disparo de um SCR pode-se destacar:
Disparo por sobretensão
Quando a tensão de polarização direta supera a tensão limite de polarização direta.
Disparo por variação de tensão
Quando mesmo sem um pulso na porta (gatilho), uma variação de tensão muito grande pode produzir uma corrente resultante
de condução grande o suficiente para disparar o SCR.
Para evitar o disparo por variação de tensão de maneira acidental utiliza-se um circuito denominado snubber formado por um
capacitor em série com um resistor conectados em paralelo com o SCR, como pode ser visto na imagem seguinte:
Circuito snubber.
É importante observar que a condição de condução do SCR não pode ser interrompida mesmo com a remoção da polarização
aplicada no terminal da porta, desde que a corrente através do SCR seja mantida maior que a corrente mínima de condução do
dispositivo.
A corrente de condução mínima (também denominada corrente de travamento) é definida como a corrente mínima necessária
para manter o SCR em estado de condução mesmo após a remoção do pulso da porta. Nesse estado, diz-se que o SCR está
“travado” e não há meios de limitar a corrente pelo dispositivo, a não ser por meio do uso de uma das técnicas de desligamento
do circuito.
Saiba mais
Também é possível ligar um SCR por meio de um aumento na sua temperatura, tendo em vista que a corrente da junção
reversamente polarizada é fortemente dependente da temperatura. Essa depedência faz com que o SCR também possa ser
ligado por uma fonte de luz muito intensa ou por radiação.
Entre as diferentes técnicas de desligamento podemos citar:
Comutação natural
Quando a corrente de ânodo se torna menor do que a corrente de manutenção (corrente de condução mínima).
Comutação forçada
Quando o SCR é colocado temporariamente em uma condição de curto-circuito.

Basicamente, todas essas técnicas têm por objetivo reduzir a corrente anódica para um nível abaixo da corrente de retenção.
Em geral, os SCRs têm alta velocidade de comutação e podem lidar com fluxos de corrente intenso. Isso torna o SCR ideal para
muitas aplicações, como:
Circuitos de comutação de energia (para AC e DC);
Circuitos de comutação de tensão zero;
Circuitos de proteção contra sobretensão;
Retificadores controlados;
Inversores de frequência (incluindo luzes, motores etc.);
Relés de travamento;
Circuitos lógicos;
Unidades de comutação;
Controladores acionados por ângulo de fase;
Circuitos de temporização.
Exemplo de circuito com SCR
Considerando o circuito da imagem a seguir, que utiliza um SCR alimentado por uma fonte de corrente contínua na energização
de uma lâmpada, determine a resistência de limitação da corrente na porta (gatilho) do tiristor. Considere que a tensão na porta
deverá ser de e a corrente na porta não deverá ultrapassar os .0, 6V (IG) 200μA
Circuito de acionamento de um SCR.
Para que o disparo do SCR aconteça, uma corrente minimamente igual à corrente da porta deverá ser aplicada. Além disso, uma
tensão superior à tensão VGT deverá ser aplicada sobre o gatilho. Sendo assim:
Rotacione a tela. 
Desse modo, uma resistência de no máximo 57kΩ deverá ser utilizada, já que valores maiores levarão a uma corrente menor
circulando na porta (gatilho).
TRIAC
Um TRIAC pode ser definido como um interruptor de três terminais, que difere do SCR por permitir a condução de corrente em
ambas as direções, ou seja, quando um sinal for aplicado na porta, o TRIAC conduzirá. Assim, esse dispositivo pode ser utilizado,
por exemplo, em sistemas de corrente alternada (AC), como um interruptor. Dessa maneira, o TRIAC é definido:
como um dispositivo semicondutor bidirecional de três terminais e quatro camadas;
VFonte  − VR1 − VGT = 0
VR1 = VFonte  − VGT
VR1 = 12 − 0, 6 = 11, 4V
VR1 = R1 ⋅ IR1
R1 =
VR1
IR1
R1 =
11, 4
200 × 10−6
= 57kΩ
com potência máxima, disponível no mercado, limitada a 16kW.
A imagem a seguir mostra o símbolo do TRIAC, que possui dois terminais principais MT1 e MT2 conectados em paralelo inverso
e um terminal de porta.
Símbolo do TRIAC.
Operação de um TRIAC
Para ilustrar a construção de um TRIAC, pode-se imaginar a ligação de dois SCRs em antiparalelo com o terminal da porta
(gatilho) em comum, como pode ser visto na imagem a seguir:
Estrutura de um TRIAC.
O terminal da porta é conectado às regiões N e P, motivo pelo qual o sinal a ser aplicado na porta para “ligar” o TRIAC é
independente de polaridade.
O TRIAC não possui ânodo e catodo, pois funciona com polaridades nos dois sentidos, o que significa que é um dispositivo
bilateral. Sendo assim, ele consiste em três terminais:
A imagem “Estrutura de um TRIAC”, mostra a construção de um TRIAC, na qual podem ser observados os dois terminais
principais, MT1 e MT2 e o terminal da porta.
Funcionamento do TRIAC
O TRIAC pode ser “ligado” de maneiras muito similaresas do SCR:
Com aplicação de uma tensão entre seus terminais mais alta do que a tensão de ruptura (tensão de breakover). Isso ocorre
mesmo sem que um pulso no gatilho seja dado;
Com a aplicação de um pulso de corrente na porta (gatilho) por no mínimo 35 microssegundos. Essa forma de disparo é
fundamental quando a tensão aplicada sobre o TRIAC é menor que a tensão de interrupção;
Com uma variação brusca de tensão.
De maneira similar ao que ocorre com o SCR, o TRIAC também pode ser “ligado” por aumento de temperatura ou fontes intensas
de radiação. Como acontece com o SCR, uma queda de tensão de 1 a 2V sobre o TRIAC ocorre em sua condição de condução.
Como os pulsos para disparo de um TRIAC podem ser positivos ou negativos, devido à topologia do TRIAC, temos os seguintes
modos de disparo:
MT2 e a porta são positivos em relação ao MT1
Nesse caso, a corrente flui pelo caminho P1-N1-P2-N2, tendo em vista que P1-N1 e P2-N2 são polarizados diretamente, mas
N1-P2 é polarizado reversamente. Diz-se que o TRIAC é operado na região positivamente polarizada. A porta positiva em
relação ao MT1 polariza diretamente P2-N2 e ocorre a ruptura.
MT2 e a porta são negativos em relação ao MT1
Terminal principal 1 (MT1)
Terminal principal 2 (MT2)
Terminal de porta (G)
Nesse caso, a corrente flui pelo caminho P2-N1-P1-N4. Duas junções P2-N1 e P1-N4 são polarizadas diretamente, mas a
junção N1-P1 é polarizada reversamente. Diz-se que o TRIAC está na região negativamente polarizada. O MT2 é negativo, mas
o portão é positivo em relação ao MT1, assim, P2-N2 é polarizado diretamente.
MT2 é positivo, mas a porta é negativa em relação ao MT1
Nesse caso, a corrente flui pelo caminho P1-N1-P2-N2. Como P2-N3 é polarizado diretamente, os portadores de corrente são
injetados através de P2 no TRIAC.
A sensibilidade do disparo nos dois últimos modos é alta e, caso seja necessário um disparo, pulsos negativos na porta devem
ser utilizados. O acionamento no modo 1 é o mais sensível de todos.
Características de um TRIAC
As características do TRIAC são semelhantes as do SCR, mas são aplicáveis tensões positivas e negativas. Os quadrantes de
operação podem ser vistos na imagem seguinte:
Quadrantes de operação de um TRIAC.
As operações nos quadrantes podem ser resumidas da seguinte maneira:
Operação do Primeiro Quadrante do TRIAC 
A tensão no terminal MT2 é positiva em relação ao terminal MT1. A tensão na porta também é positiva em relação ao
primeiro terminal (MT1).
A tensão no terminal 2 (MT2) é positiva em relação ao terminal 1 e a tensão na porta é negativa em relação ao terminal 1.
A tensão do terminal 1 é positiva em relação ao terminal 2 e a tensão da porta é negativa.
A tensão do terminal 2 é negativa em relação ao terminal 1 e a tensão da porta é positiva. Quando o TRIAC é “ligado” a
corrente que flui através dele pode ultrapassar seu limite de operação e danificar o dispositivo. Por essa razão, para
limitar a corrente, um resistor limitador de corrente deve ser conectado em série com ele.
Uma vantagem no uso dos TRIACS é que, ao aplicar um sinal adequado na porta, o ângulo de disparo do dispositivo pode ser
controlado, ou seja, o momento (ângulo) em que o TRIAC será disparado durante o período de um sinal alternado pode ser
administrado, como pode ser visto na imagem a seguir:
Sinal alternado senoidal.
Os circuitos de disparo da porta devem ser usados para controlar o disparo de forma adequada, permitindo selecionar em qual
momento o TRIAC será “ligado”. É possível utilizar um DIAC para acionar o pulso de disparo da porta.
Vantagens e desvantagens de um TRIAC
Operação do Segundo Quadrante do TRIAC 
Operação do Terceiro Quadrante do TRIAC 
Operação do Quarto Quadrante do TRIAC 
Os TRIACs, na na utilização de circuitos de potência, apresentam grandes:
Vantagens do TRIAC
São possíveis ser acionados com polaridade positiva ou negativa de pulsos na porta, podem conduzir nos dois sentidos,
portanto requer único dissipador de calor (tamanho ligeiramente grande), para utilização de 2 SCRs, dois dissipadores de
calor são necessários e requer único dispositivo proteção.
Desvantagens do TRIAC
São menos confiáveis em comparação com os SCRs, suportam menos variações de tensão quando comparados com os
SCRs e é necessário cuidado com os circuitos de disparo, tendo em vista que o TRIAC pode ser acionado em qualquer
direção.
Utilizações típicas do TRIAC:
Circuitos de controle;
Comutação de cargas;
Controle de energia AC.
Exemplo de circuito com TRIAC
Considere o circuito com TRIAC da imagem seguinte. Determine o valor da resistência RX, em função da corrente da porta
(corrente de disparo - IGT):
Circuito com um TRIAC.
Dados: e .
Pela Lei dos Nós é possível afirmar que a corrente na porta é igual a:

IGT = 50mA VGT = 2, 0V
Rotacione a tela. 
A corrente na resistência RX é igual a:
Rotacione a tela. 
A corrente na resistência de 1k ohm pode ser calculada como:
Rotacione a tela. 
Então, a equação das correntes pode ser reescrita como:
Rotacione a tela. 
IRX = I1K + IPORTA
VFonte  − VRX − VPORTA  = 0
VRX = VFonte  − VPORTA
RXIRX = VFonte  − VPORTA
IRX =
VFonte  − VPORTA
RX
V1K = VPORTA
R. I1K = VPORTA
I1K =
VPORTA
R
IRX = I1K + IPORTA
VFonte  − VPORTA
RX
=
VPORTA
R
+ IPORTA
VFonte  − VPORTA
RX
=
VPORTA
R
+ IPORTA
VFonte  − VPORTA
RX
=
VPORTA + R ⋅ IPORTA
R
RX = (VFonte  − VPORTA ) ⋅
R
VPORTA + R ⋅ IPORTA
Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
Questão 1
Considere o circuito da imagem a seguir. Determine a corrente de disparo do SCR, sabendo que a tensão na porta deverá ser
de 0,6V e a resistência de limitação da corrente na porta será de :45, 6kΩ
A 100μA.
B 200μA.
Parabéns! A alternativa D está correta.
Questão 2
Considere o circuito com TRIAC da imagem a seguir. Determine o valor da tensão de disparo, sabendo que a corrente na
resistência é igual a e a corrente na porta é igual a :
C 150μA.
D 250μA.
E 300μA.
VFonte  − VR1 − VGT = 0
VR1 = VFonte  − VGT
VR1 = 12 − 0, 6 = 11, 4V
VR1 = R1 ⋅ IR1
IR1 =
VR1
R1
R1 =
11,4
45,6k =
11,4
45600 = 250μA
Rx 100mA 50μA
A 5V.
B 1V.
C 0,5V.
D 10V.
Parabéns! A alternativa A está correta.
Pela Lei dos Nós é possível afirmar que a corrente na porta é igual a:
A tensão na porta é igual a tensão na resistência de 100 K ohm e pode ser calculada como:
2 - Dispositivos dos tipos MOSFET, GTO e IGBT
Ao �nal deste módulo, você será capaz de descrever os dispositivos dos tipos MOSFET, GTO e IGBT.
Vamos começar!
E 15V.
IRX = I1K + IPORTA
I1K = IRX − IPORTA
I1K = 100mA − 50μA
I1K = 50μA
V1K = VPORTA 
VPORTA  = R. I1K
VPORTA = 100K. I1K
VPORTA = 100000.50μ
VPORTA  = 5V
Os transistores de efeito de campo de potência
Confira os principais pontos sobre o assunto que serão abordados ao longo deste conteúdo.
Os transistores PMOSFET
A denominação MOSFET significa transistor de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico ou Metal Oxide
Semiconductor Field Effect Transistor. O MOSFET é um dispositivo transistorizado operado por capacitor.
Os transistores do tipo MOSFET adaptados para circuitos de potência são denominados de MOSFETs de potência ou
PMOSFETs.
Nos circuitos transistorizados com PMOSFET, o capacitor desempenha um papel essencial na operação do transistor. O
capacitor de desacoplamento garante uma baixa impedância de alimentação, permitindo uma entrega rápida de corrente para a
porta do PMOSFET e uma comutação rápida. Sem o capacitor, a tensão de alimentação atuará lentamente, potencialmente não
ligando o PMOSFET por completo até que a tensão de alimentação se estabilize.
O MOSFET também é denominado transistor de efeito de campo de porta isolada (IGFET) ou transistor de efeito de campo de
isolador de metal (MIFET). Uma ilustração da estrutura interna de um MOSFET pode ser vista na imagem seguinte:
Estrutura interna de um MOSFET: MOSFET tipo N e MOSFET tipo P.
A distribuição de materiais com dopagens diferentesnos terminais e na porta permitem os diferentes modos de operação do
transistor.

Princípio de funcionamento
O MOSFET de potência (PMOSFET) é um tipo de MOSFET especialmente destinado a lidar com altos níveis de potência. Eles
exibem alta velocidade de comutação e podem funcionar muito melhor em comparação com outros MOSFETs normais no caso
de baixos níveis de tensão. No entanto, seu princípio de funcionamento é semelhante ao de qualquer outro MOSFET geral.
Atenção!
Os MOSFETs de potência que são mais amplamente usados são o modo de aprimoramento de canal N ou o modo de
aprimoramento de canal P ou o modo de esgotamento de canal N na natureza.
Além disso, há uma grande variedade de estruturas MOSFET de potência como MOS Difuso Vertical (VDMOS) ou MOS ou DMOS
de Difusão Dupla, UMOS ou Trench-MOS, VMOS, entre outros. A imagem a seguir mostra um VDMOS N-substrato feito de N-
substrato e uma camada N-epitaxial na qual as regiões P e N+ são incorporadas usando o processo de dupla difusão.
Estrutura interna de um PMOSFET com substrato do tipo N.
Os PMOSFETs são dispositivos: possuem três terminais: dreno, fonte e porta, unipolares, controlados por tensão e de alta
impedância de entrada.
São utilizados em uma grande variedade de circuitos eletrônicos. Esses dispositivos podem ser classificados em dois tipos
baseados em seu:
1. Tipo de depleção
2. Tipo de aprimoramento.
De maneira resumida, qualquer PMOSFET exibe três regiões de operação: região de corte, região linear e região de saturação.
Modos de operação
Os modos de operação de um PMOSFET dependem da maneira como seus terminais são polarizados. O símbolo utilizado na
representação dos MOSFETs pode ser visto na imagem seguinte:
Símbolo de um PMOSFET.
Região de corte
A região de corte consiste em uma região na qual o PMOSFET estará desligado, pois não haverá fluxo de corrente através dele.
Nesta região, os PMOSFETs se comportam como uma chave aberta e, portanto, podem ser utilizados como chaves eletrônicas.
A imagem seguinte mostra a curva característica que relaciona a corrente entre o dreno (D) e a fonte (S ou Source) – IDS e a
tensão entre a porta (G ou Gate) e a fonte – VGS de um PMOSFET do tipo N.
Curvas características de um MOSFET tipo N.
A região linear também é conhecida como região resistiva, pela relação quase direta entre a corrente de dreno e a tensão entre
dreno e fonte.
É possível observar que a corrente através do dispositivo será nula (zero) até que a tensão VGS ultrapasse o valor da tensão
limite (VT). Isso ocorre porque, nesse estado, o dispositivo ficará sem um canal de ligação entre o dreno e a fonte.
Nessa condição, mesmo com um aumento significativo da tensão entre o dreno e a fonte (VDS) não resultará em um fluxo de
corrente, como pode ser observado na imagem Curvas características de um “MOSFET tipo N”. É possível verificar que o
PMOSFET estará na região de corte.
De maneira similar, para um PMOSFET do tipo P, imagem “MOSFET tipo N”, são exibidas as características do transistor para
condução de corrente em função das tensões aplicadas sobre ele.
É possível observar que a corrente IDS permanece em zero até que a tensão VGS se torne igual a -VT.
Região linear
A região ôhmica ou linear é uma região onde o IDS atual aumenta com o aumento do valor de VDS. Quando os PMOSFETs são
feitos para operar nessa região, eles podem ser usados como amplificadores.
Nessa região, para um PMOSFET do tipo N, é possível observar que a corrente entre o dreno e a fonte (IDS) amplia com o
aumento da tensão entre o dreno e a fonte (VDS) de maneira linear.
De maneira complementar, para um transistor do tipo P, com a redução da tensão (-VT), um canal entre o dreno e a fonte é
desenvolvido e uma corrente reversa é formada, cuja intensidade aumenta com a redução do valor de VDS. Assim, é possível
observar que o transistor está funcionando em sua região linear.
Região de saturação
Na região de saturação, os PMOSFETs têm seu IDS constantes apesar de um aumento no VDS e ocorre quando o VDS excede o
valor da tensão de pinch-off ou tensão de saturação (VP), definida pela diferença entre a tensão entre a porta e fonte (VGS) e a
tensão limiar (VT):
Rotacione a tela. 
Ou seja, quando a condição abaixo é estabelecida:
Rotacione a tela. 
Nessa condição, o dispositivo atuará como uma chave fechada através da qual flui um valor saturado de IDS. Como resultado,
essa região de operação é escolhida sempre que os PMOSFETs são necessários para realizar operações de comutação.
O PMOSFET entra nessa região quando a tensão VGS ultrapassa o valor da tensão VT e a corrente através do dispositivo amplia
com o aumento da corrente entre o dreno e a fonte (IDS). O PMOSFET, inicialmente, encontra-se na região linear e, então, entra na
região de saturação para determinado valor de tensão entre o dreno e a fonte (VDS).
VP = VGS − VT
VDS ≥ VGS − VT
De maneira complementar, há um aumento na tensão VGS para uma ampliação na corrente de saturação, entre o dreno e a fonte,
que flui pelo dispositivo (IDSS), como pode ser observado na imagem “Curvas características de um MOSFET tipo N (b)”. Assim, é
possível observar que:
IDSS2 > IDSS1
quando VGS2 > VGS1 e IDSS3 > IDSS2
quando VGS3 > VGS2 e assim sucessivamente.
É interessante observar que o valor da tensão limiar entre as regiões linear e de saturação também aumenta com o aumento de
VGS.
Na medida em que a tensão VDS se torna igual à tensão limiar, de maneira similar ao que ocorre no transistor tipo N, o transistor
entra na região de saturação de corrente, conforme o valor VGS.
Além disso, deve-se notar que o valor da corrente de saturação que flui através do dispositivo aumenta à medida que o VGS se
torna cada vez mais negativo, ou seja, a corrente de saturação para VGS3 possui maior intensidade do que para VGS2 e a corrente
de saturação para VGS4 é maior em intensidade do que para VGS3.
Os PMOSFETs são amplamente utilizados como: parte de fontes de alimentação, conversores DC-DC e controladores de
motores de baixa tensão.
GTO - Tiristor comutável pela porta (gate turn off thyristor)
Embora o tiristor seja amplamente utilizado em aplicações de alta potência, esse dispositivo semicondutor sempre teve seu uso
limitado por ser um dispositivo semicontrolado. Isso ocorre porque, mesmo podendo ser ligado por meio de um sinal enviado
por um circuito de disparo para a porta, ele não pode ser desligado da mesma maneira, sendo necessário, por exemplo,
interromper a corrente principal do circuito utilizando-se um circuito de comutação.
No caso de circuitos de conversão de corrente contínua em corrente contínua (CC para CC) e corrente contínua para corrente
alternada (CC para CA), isso se torna uma deficiência grave com o uso dos tiristores convencionais devido à ausência de
corrente natural zero (como no caso de circuitos CA). Assim, o desenvolvimento do tiristor comutável pela porta (gate turn off
thyristor – GTO) foi construído para resolver o principal problema do tiristor, garantindo o mecanismo de desligamento pelo
terminal do gate.
Um tiristor com desligamento pela porta ou GTO é um dispositivo de comutação semicondutor bipolar com três terminais.
Semelhante ao tiristor convencional, os terminais de um GTO são:
1. Ânodo
2. Cátodo
3. Porta
Como mostrado na imagem a seguir, o GTO, embora parecido com um SCR, tem capacidade de desligar o portão:
Símbolos utilizados na representação de um GTO.
Esses dispositivos semicondutores são capazes não apenas de ligar a corrente principal com um circuito de acionamento na
porta, mas também de desligá-la. Uma pequena corrente positiva na porta aciona o GTO, coloca o semicondutor em modo de
condução, e ele também é capaz de ser desligado por um pulso negativo na porta.
Na imagem anterior, é possível observar que a porta possui setas duplas que distinguem o GTO de um SCR normal. Isso indica o
fluxo de corrente bidirecional através do terminal da porta. A corrente de porta necessária para desligar oGTO é relativamente
alta.
Exemplo
Um GTO que possua como especificações uma tensão de 4000V e uma corrente de 3000A pode precisar de uma corrente de
-750A de corrente na porta para desligá-lo. Portanto, o ganho de desligamento típico de um GTO está na faixa de 4 a 5 vezes a
sua corrente. Devido a essa grande corrente negativa na porta, os GTOs são usados em aplicações de baixa potência. Entretanto,
durante o estado de condução, o GTO se comporta exatamente como um SCR com uma pequena queda de tensão no estado
ON. O GTO tem uma velocidade de comutação mais rápida do que o SCR e tem classificações de tensão e corrente mais altas do
que os transistores de potência.
Opções diversificadas de GTOs estão disponíveis no mercado com capacidades de tensão assimétrica e simétrica. GTOs com
capacidades idênticas de bloqueio direto e reverso são chamados de GTOs simétricos (S-GTOs).
Esses modelos são usados em inversores de fontes de corrente, mas são um pouco mais lentos que os não simétricos. Os GTOs
assimétricos (A-GTOs) são bastante utilizados devido à menor queda de tensão no estado ligado e a características de
temperatura estáveis.
Os GTOs assimétricos têm uma capacidade de tensão reversa típica entre 20V e 25V. Por esse motivo, esses semicondutores
são muito utilizados em circuitos nos quais a tensão reversa através deles não seja elevada ou em que um diodo de condução
reversa (comutação) seja utilizado na proteção do circuito.
Construção
Considere a estrutura da imagem seguinte, que ilustra um GTO internamente. É possível observar a grande semelhança com um
tiristor.
Construção interna de um GTO.
A imagem anterior torna possível observar que o GTO também é um dispositivo de quatro camadas (do tipo P-N-P-N) e três
junções, como um tiristor-padrão. Por outro lado, a tensão de ruptura da junção J3 é normalmente baixa, ficando localizada na
faixa de 20 a 40 Volts.
A camada N+ na extremidade do cátodo é altamente dopada para obter uma elevada e�ciência do
emissor.
Por outro lado, a tensão de ruptura da junção J3 é normalmente baixa, localizada na faixa de 20 a 40 volts.
O nível de dopagem da porta tipo P+ é altamente útil para manter a eficiência do emissor, tendo em vista que, para apresentar
boas propriedades de desligamento, a dopagem dessa região deve ser elevada. Além disso, a porta e os cátodos devem possuir
boas superfícies de contato. Por esse motivo, formas geométricas diversificadas costumam ser utilizadas para otimizar a
capacidade de desligamento da corrente.
A junção entre o ânodo P+ e a base N é chamada de junção anódica. Ela consiste em uma região de ânodo P+ fortemente
dopada, necessária para obter uma junção anódica com maior eficiência, permitindo obter uma boa propriedade de acionamento
(“ligar”). Entretanto, tais recursos afetam as propriedades de desligamento dos GTOs.
Resposta
Esse problema pode ser resolvido introduzindo-se camadas N+ fortemente dopadas em intervalos regulares na camada de
ânodo P+, como visto na imagem “Curvas características de um MOSFET tipo N”. Essas camadas N+ fazem contato direto com a
camada N da base na junção J1. Isso faz com que os elétrons possam “viajar” da região da base N diretamente para o contato
do metal do ânodo, sem causar a injeção de buracos do ânodo P+. Essa configuração é chamada de estrutura GTO em curto de
ânodo.
Devido a esses curtos de ânodo, a capacidade de bloqueio reverso do GTO é reduzida à tensão de ruptura reversa da junção J3,
por outro lado, eles aceleram o mecanismo de desligamento.
Entretanto, devido ao grande número de curtos anódicos, a eficiência da junção anódica é bastante reduzida e, portanto, o
desempenho de acionamento (capacidade de “ligar”) do GTO diminui. Por esse motivo, deve-se considerar de maneira cuidadosa
os limites desses curtos anódicos para um bom desempenho no liga/desliga.
Operação
A operação de ligar de um GTO é semelhante a um tiristor convencional. Quando o terminal do ânodo é polarizado positivamente
(em relação ao cátodo), o que pode ser realizado pela aplicação de uma corrente de porta positiva, a injeção de corrente da porta
polariza diretamente a junção base e cátodo.
Essa polarização resulta na emissão de elétrons do cátodo para o terminal do ânodo. Induzindo a injeção de “buracos”, lacunas
ou receptores de elétrons, do terminal anódico para a base. Essa injeção de buracos e elétrons continua até que o GTO entre no
estado de condução.
Comparativamente, no caso do tiristor, a condução começa inicialmente ligando a área do cátodo adjacente ao terminal da
porta. Essa polarização induz o restante da área a entrar em estado de condução.
Contudo, ao contrário de um tiristor, o GTO é formado de elementos catódicos estreitos fortemente
interligados com o terminal da porta. Isso faz com que a área inicial ligada seja muito grande. Por
essse motivo, o GTO entra em um estado de condução muito rapidamente. Para desligar um GTO,
uma polarização reversa deve ser aplicada na porta, tornando-a negativa em relação ao cátodo.
Uma parte dos buracos da camada de base P é extraída através da porta, isso suprime a emissão
de elétrons do cátodo.
Essa supressão resulta na extração de mais correntes de buraco através da porta, resultando em mais supressão de elétrons do
cátodo. Eventualmente, a queda de tensão na junção da base P causa a reversão da polarização da junção catódica da porta e,
portanto, o GTO é retirado do seu estado de condução (“desligado”).
Durante o processo de extração de buracos, a região da base P é gradualmente esgotada, de modo que a área de condução é
comprimida. Como esse processo continua, a corrente anódica flui através de áreas remotas, formando filamentos de alta
densidade de corrente. Isso causa pontos quentes locais que podem danificar o dispositivo, a menos que esses filamentos
sejam extintos rapidamente.
Com a aplicação de uma alta tensão negativa na porta, ocorre um armazenamento de cargas na região da base N e, com isso, a
corrente do ânodo para a porta continua a fluir, mesmo que a corrente do cátodo tenha cessado. Isso é chamado de corrente
residual e decai exponencialmente à medida que os portadores de carga em excesso são reduzidos pelo processo de
recombinação (elétrons e lacunas se recombinando). Uma vez que a corrente de residual é reduzida a um nível de corrente de
fuga, o dispositivo mantém suas características de bloqueio direto.
Características do GTO
Durante a ativação, a operação de um GTO é semelhante à de um tiristor. Assim, as características do primeiro quadrante são
semelhantes às do tiristor. Quando o ânodo é positivo em relação ao cátodo, o dispositivo opera no modo de bloqueio direto.
Contudo, com a aplicação de um sinal positivo na porta, ocorre o acionamento do GTO para um estado de condução, como pode
ser visto na imagem seguinte:
Curva característica de um GTO.
As correntes de bloqueio e de fuga direta são consideravelmente maiores no GTO, quando comparadas com o tiristor. Além
disso, a necessidade de acionamento pela porta pode ser ignorada se a corrente do ânodo estiver acima do nível de corrente de
bloqueio.
Contudo, é fortemente recomendado que não seja removida a polarização positiva da porta durante a condução e que seja
mantido um valor maior do que a corrente de porta crítica máxima. Isso é aconselhável tendo em vista que o cátodo é
subdividido em pequenas partes, para auxiliar no processo de desligamento, conforme discutido.
A remoção de uma polarização positiva na porta faz com que a corrente do ânodo caia, transitoriamente, abaixo do nível de
corrente de retenção, o que força uma alta corrente de ânodo, e pode ser potencialmente destrutivo. Por esse motivo, alguns
fabricantes recomendam que o sinal da porta seja mantido contínuo durante o estado de condução.
O GTO pode ser desligado pela aplicação de uma corrente de porta reversa, podendo ser acionado por um degrau ou uma rampa.
O GTO pode ser desligado sem a inversão da tensão do ânodo.
A linha tracejada na imagem“Curva característica de um GTO” mostra o desligamento para uma carga indutiva. É possível notar
que, durante o desligamento, o GTO pode bloquear apenas uma tensão nominal direta.
Saiba mais
Para evitar o disparo por variação abrupta de tensão (dv/dt) e proteger o dispositivo durante o desligamento, uma resistência de
limitação deve ser conectada entre a porta e o cátodo, ou uma pequena tensão de polarização reversa (aproximadamente -2V)
deve ser mantida no terminal da porta. Isso evita que a junção do cátodo da porta se torne polarizada diretamente e, portanto, o
GTO seja mantido desligado mesmo com essa variação de tensão.
Na condição de polarização reversa do GTO, a capacidade de bloqueio depende do tipo especificado de GTO. Por exemplo, um
GTO simétrico tem uma alta capacidade de bloqueio reverso, enquanto um GTO assimétrico tem uma pequena capacidade de
bloqueio reverso.
Observa-se que, durante a condição de polarização reversa, após uma pequena tensão reversa (aproximadamente 20V a 30V), o
GTO começa a conduzir no sentido reverso devido à estrutura curta do ânodo. Esse modo de operação não destrói o dispositivo
desde que a porta esteja negativamente polarizada e o tempo dessa operação seja pequeno.
Circuitos com GTOs
Devido às suas características de comutação, tais como ausência da necessidade de circuito de comutação, operação livre de
manutenção, entre outras, o uso do GTO ganhou muita relevância quando comparado ao tiristor. Por exemplo, o GTO é usado
como um dispositivo de controle em choppers (DC-DC) e inversores (DC-AC). Algumas dessas aplicações são:
1. Conversores de frequência;
2. Drives DC ou choppers DC;
3. Fontes de alimentação de estabilização AC;
4. Disjuntores CC;
5. Aquecimento por indução.
IGBT - Transistor bipolar de porta isolada (insulated gate bipolar
transistor)
O transistor bipolar de porta isolada (insulated gate bipolar transistor), ou IGBT, é um dispositivo relativamente novo na eletrônica
de potência.
Antes do desenvolvimento do IGBT, os MOSFETs de Potência (PMOSFETs) e transistores bipolares
de junção de potência (TBJ de Potência) eram os elementos mais comuns em uso em aplicações
de eletrônica de potência.
Entretanto, embora bastante utilizados, esses dois dispositivos possuíam vantagens e desvantagens nas suas aplicações em
circuitos de potência. Os TBJ de Potência apresentam como:
Vantagem
As características de condução desse dispositivo.
Desvantagem
As características de mau desempenho de comutação, baixa impedância de entrada e ruptura secundária.
PMOSFETs apresentam características vantajosas como: rapidez de comutação e alta impedância de entrada.

Por outro lado, esses dispositivos controlados por tensão apresentam características de condução ruins e diodo parasita
problemático em tensões mais elevadas.
Embora a natureza unipolar dos PMOSFETs leve a intervalos de comutação mais baixos, também produz uma alta resistência no
estado “ligado” à medida que a tensão nominal aumenta.
Assim, a necessidade de um dispositivo com a qualidade dos PMOSFETs combinada à dos TBJs de potência levou ao
desenvolvimento do IGBT. O IGBT apresenta características semelhantes às dos PMOSFETs em sua entrada e às dos TBJs de
potência em sua saída, portanto, seu símbolo também é uma junção dos símbolos dos dois dispositivos, como pode ser visto na
imagem seguinte:
Símbolo de um IGBT.
Os três terminais do IGBT são iguais aos do TBJ: porta, coletor e emissor. O IGBT também é conhecido por vários outros nomes,
como:
MOSIGT
Transistor de óxido metálico com porta isolada.
GEMFET
Transistor de efeito de campo com ganho modulado.
COMFET
Transistor de efeito de campo com condutividade modulada.
IGT
T i t d t i l d
Estrutura do IGBT
A estrutura do IGBT é muito semelhante à do PMOSFET, exceto uma camada conhecida como camada de injeção, que é P+,
diferente do substrato N+ no PMOSFET. Essa camada de injeção é fundamental para as características superiores do IGBT.
Outras camadas são chamadas de região de deriva e região do corpo. As duas junções são rotuladas de J1 e J2. A imagem
seguinte mostra a estrutura de um IGBT de canal N:
Estrutura de um IGBT.
Após uma observação detalhada da estrutura, é possível notar que existe um MOSFET de canal N e dois TBJs (Q1 e Q2),
conforme mostrado na imagem anterior.
Transistor Q1
É um TBJ do tipo PNP. Uma resistência é oferecida pela região de deriva. Também é possível observar que o coletor de Q1 é
formado pelo mesmo material que a base de Q2.
Transistor Q2
É um TBJ do tipo NPN. Uma resistência é oferecida pela região do corpo. Também é possível observar que o coletor Q2 é
formado pelo mesmo material que a base de Q1.
Por esse motivo, é possível chegar a um modelo de circuito equivalente de IGBT, conforme mostrado na imagem seguinte.
Transistor de porta isolada.
Modelo equivalente a um IGBT.
A conexão entre os dois transistores forma uma topologia denominada tiristor parasita, como mostrado na imagem anterior.
O IGBT do canal N liga quando o coletor está em um potencial positivo em relação à tensão emissor-porta (VGE) e abaixo da
tensão emissor-porta transitória (>VGET), que corresponde à tensão limite da junção emissor-porta e não deve ser ultrapassada
por um intervalo significativo de tempo (normalmente poucos milissegundos). Essa condição leva à formação de uma camada
de inversão logo abaixo da porta, causando a formação de um canal, o qual permite que uma corrente comece a fluir do coletor
para o emissor, no IGBT.
É constituída de duas componentes: Ie e Ih.
É causada pelos elétrons injetados fluindo do coletor para o emissor através da camada de injeção, camada de deriva e,
finalmente, pelo canal formado.
É a corrente de lacunas que flui do coletor para o emissor através de Q1 e da resistência do corpo Rb. Portanto:
. Contudo, como é quase desprezível, é possível realizar a aproximação:
Um fenômeno peculiar é observado no IGBT conhecido como travamento do IGBT. Essa condição ocorre quando a corrente do
coletor excede um valor limite (ICE). Nesse caso, o tiristor parasita fica “travado”, o terminal do portão perde o controle sobre a
corrente do coletor e o IGBT “não desliga” mesmo quando o potencial do portão é reduzido abaixo de VGE (tensão entre emissor
Corrente de coletor Ic 
Corrente de coletor Ie 
Corrente de coletor Ih 
IC = Ie + Ih Ih
IC ≈ Ie
e porta). Para desligar o IGBT, nesse caso, são necessários circuitos de comutação típicos, como no caso de comutação forçada
de tiristores. Se o dispositivo não for desligado o mais rápido possível, ele pode ser danificado.
Características de um IGBT
A imagem seguinte mostra a curva características de tensão e de corrente de um IGBT de canal N junto com um diagrama de um
circuito:
Curva característica da relação tensão-corrente de um IGBT.
O gráfico é semelhante ao de um TBJ, exceto que o parâmetro mantido constante para a tensão no gráfico é VGE porque o IGBT
é um dispositivo controlado por tensão, diferente do TBJ, que é um dispositivo controlado por corrente (o parâmetro constante
no gráfico é a corrente na base Ib).
Quando o dispositivo está no modo desligado ou OFF (VCE é positivo e VGE < VGET), a tensão reversa é bloqueada por J2 e
quando é polarizada inversamente, ou seja, VCE é negativo, J1 bloqueia a tensão.
Características de transferência do IGBT
A imagem a seguir mostra a curva característica de transferência do IGBT, que é exatamente igual ao PMOSFET. O IGBT fica no
estado ligado ou ON somente depois que VGE é maior que um valor limite VGET.
Curva característica de transferência de um IGBT.
Tempo de Ativação do IGBT
O tempo de ativação ton é composto por dois componentes:
Tempo de atraso (delay time ou tdn)
É definido como o tempo que leva para a corrente do coletor aumentar de seu valor mínimo (corrente de fuga ou ICE) para 0,1.IC
(corrente final do coletor) e a tensão emissor-coletor cair de seu valor máximo (VCE) para 0,9.VCE.
Tempo de subida (rise time ou tr)
É definidocomo o tempo que leva para a corrente do coletor subir seu valor de 0,1.IC para IC e a tensão do emissor-coletor cair
de 0,9.VCE para 0,1.VCE.
O valor máximo da tensão entre o emissor e o coletor varia com a tensão da fonte de alimentação. E a corrente no coletor
depende da fonte de alimentação e das resistências de limitação.
Rotacione a tela. 
Tempo de desligamento do IGBT
O tempo de desligamento consiste em três componentes:
ton = tdn + tr
Tempo de atraso (delay time ou tdf)
É definido como o tempo que a corrente do coletor leva para cair de IC para 0,9.IC e VCE começar a subir.
Tempo de queda inicial (initial fall time ou tf1)
É definido como o tempo durante o qual a corrente do coletor cai de 0,9.IC para 0,2.IC e a tensão do emissor-coletor sobe para 0,1
VCE.
Tempo de queda �nal (�nal fall time ou tf2)
É definido como o tempo durante o qual a corrente do coletor cai de 0,2.IC para 0,1.IC e a tensão coletor-emissor 0,1.VCE sobe
para o valor final VCE.
A corrente no coletor depende da fonte de alimentação e das resistências de limitação.
Rotacione a tela. 
Vantagens e desvantagens do IGBT
Algumas vantagens do IGBT:
Requisitos de acionamento de porta inferiores aos PMOSFETS;
Baixas perdas de comutação;
Requisitos de circuitos snubber pequenos (para absorção de correntes indesejáveis);
Alta impedância de entrada;
Dispositivo controlado por tensão;
O coeficiente de temperatura da resistência do estado ligado é positivo e menor que o PMOSFET, portanto ocorrem
menores quedas de tensão e perdas de energia no estado ligado;
Condução melhorada devido à natureza bipolar;
Maior região de operação segura.
Entre as desvantagens do IGBT pode-se destacar:
Custo mais elevados quando comparados aos dos PMOSFETS;
Problema de travamento (citado no item Estrutura do IGBT);
toff  = tdf + tf1 + tf2
Alto tempo de desligamento comparado ao PMOSFET.
Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
Questão 1
Observe o circuito de polarização do PMOSFET da imagem a seguir. Em qual modo de operação o transistor está operando e
qual é a relação entre as tensões que define esse modo de operação? Considere os seguintes parâmetros: VT = 0,7V.
Circuito de polarização do PMOSFET.
Parabéns! A alternativa A está correta.
Condição para a região de saturação:
Pelo esquema: 
Substituindo na equação: 
Simplificando:
Assim, é possível verificar que a condição de saturação está sendo atendida.
A Saturação e .0, 5 ≥ −0, 7
B Corte e .0, 5 ≥ −0, 7
C Linear e .0, 5 ≥ −0, 7
D Saturação e .0, 7 ≥ −0, 5
E Linear e .0, 7 ≥ −0, 5
VDS ≥ VGS − VT
VD − VS ≥ VG − VS − VT
VG = 0
VD − VS ≥ 0 − VS − VT
VD ≥ −VT
0, 5 ≥ −0, 7
Questão 2
Ainda considerando a imagem da questão anterior, determine o valor da resistência RD que permite a polarização do circuito
apresentado, de maneira que ele apresente as características de tensão e de corrente especificadas no circuito:
Parabéns! A alternativa B está correta.
A condição de polarização deve apresentar uma tensão de dreno (VD = 0,5V) e uma corrente de dreno (ID = 0,4mA). Assim:
Tensão de polarização.
Partindo da tensão de polarização positiva , a queda de tensão sobre a resistência , para que a tensão de dreno
esteja no valor esperado, deverá ser igual a:
A 1,25 k ohm
B 5 k ohm
C 2 k ohm
D 4 k ohm
E 0,7 k ohm
2, 5V RD
2, 5 − VRD = VD
VRD = 2, 5 − VD
VRD = 2, 5 − 0, 5
VRD = 2, 0V
Para que a corrente de dreno seja de 0,4mA, deve-se aplicar a Primeira Lei de Ohm: 
Assim:
3 - MCT e UJT
Ao �nal deste módulo, você será capaz de de�nir os conceitos de MCT e de UJT.
Vamos começar!
A resistência negativa em dispositivos semicondutores
Confira os principais pontos sobre o assunto que serão abordados ao longo deste conteúdo.
V = R × I
VRD = RD × IRD
RD =
VRD
IRD
=
2, 0
0, 4m
= 5kΩ

MCT
Entre os diversos tipos de dispositivos semicondutores citados até o momento, o tiristor controlado de óxido metálico
semicondutor (MOS CT ou apenas MCT) é considerado o mais recente.
O dispositivo é basicamente um tiristor com dois MOSFETs embutidos na estrutura da porta. Um dos MOSFETs é usado para
ligar o MCT e outro é usado para desligá-lo. Isso torna esse dispositivo mais adequado principalmente em aplicações de
comutação e possui outras características como:
1. alta frequência
2. alta potência
3. baixa queda de condução
Um MCT combina o recurso de um tiristor convencional de quatro camadas com ação regenerativa e a estrutura de entrada de
um MOSFET.
Neste dispositivo, todos os sinais da porta são aplicados em relação ao ânodo, que é mantido como referência. Diferentemente
de um SCR, no qual, normalmente, o cátodo é mantido como terminal de referência para sinais da porta.
Estrutura básica de um MCT
A estrutura básica de uma célula MCT é mostrada na imagem seguinte:
Estrutura de um MCT.
Na prática, um MCT incluirá milhares dessas células básicas conectadas em paralelo, assim como um PMOSFET. Isso ajuda a
permitir que o dispositivo apresente uma alta capacidade de transporte de corrente. O circuito intrínseco equivalente de um MCT
pode ser visto na imagem a seguir:
Circuito intrínseco de um MCT.
Como pode ser visto no circuito equivalente da imagem anterior, a estrutura MOS do MCT é representada por um ON-FET (um
MOSFET de canal P), um OFF-FET (um MOSFET de canal N) e dois transistores NPN e PNP unidos. Os dois transistores no
circuito equivalente indicam que há realimentação regenerativa no MCT, assim como acontece em um tiristor comum. O símbolo
do circuito do MCT é mostrado na imagem seguinte:
Símbolo de um MCT.
Processo de ligação de um MCT
O dispositivo é ligado por um pulso de tensão negativa na porta em relação ao ânodo. Para ligar o MCT, a porta dever ser
polarizada de modo negativo em relação ao ânodo pelo pulso de tensão entre a porta e o ânodo. Portanto, o MCT deve ser
inicialmente polarizado diretamente e, em seguida, apenas uma tensão negativa deve ser aplicada.
Com a aplicação deste pulso de tensão negativa:
ON-FET �ca “ligado”
A corrente começará a fluir do ânodo (A), através do ON-FET, em seguida, como corrente de base e emissor do transistor
NPN e depois para o catodo K. Essa movimentação de cargas ligará o transistor NPN, fazendo com que a corrente do
coletor flua no transistor NPN.
ON-FET �ca “desligado”
A corrente de coletor do transistor NPN atuará como a corrente de base do transistor PNP. Dessa maneira, o transistor PNP
também será ligado. Com os dois transistores ligados, a ação regenerativa do esquema de conexão ocorrerá e o MCT será
ligado.
Processo de desligamento de um MCT
O dispositivo é desligado, aplicando-se um pulso de tensão positivo na porta.
O pulso de tensão positivo faz com que o OFF-FET seja ligado e o ON-FET seja desligado. Depois que o OFF-FET é ligado, os
terminais baseados no emissor do transistor PNP são “curto-circuitados” pelo OFF-FET. Assim, a corrente do ânodo começará a
fluir através do OFF-FET e a corrente de base do transistor PNP começará a diminuir.
Comparativamente a outros dispositivos de chaveamento, o MCT tem a desvantagem da capacidade de bloqueio de tensão
reversa.
Vantagens de um MCT
Entre as vantagens de um MCT, pode-se citar:
1. baixa queda durante a condução direta;
2. intervalos de tempo mais rápidos para ligar e desligar;
3. baixas perdas de comutação;
4. alta impedância de entrada da porta.

UJT
O transistor de unijunção é um dispositivo de comutação de semicondutores com 2 camadas e 3 terminais e é abreviado como
UJT. Essa denominação deve-se pelo dispositivo apresentar apenas uma junção.
Esse semicondutor tem a capacidade de limitar uma grande potência com um pequeno sinal de entrada. O UJT também é
conhecido como diodo de base dupla.
O UJT possui como característica principal uma resistência negativa, o que representa que sua corrente de emissor aumenta
regenerativamente quando acionada. Assim, uma corrente de emissor é necessária para acioná-lo. Em condições normais de
operação,esse dispositivo absorve menos energia e, portanto, é um dispositivo mais eficiente.
Por se tratar de um dispositivo de baixo custo, é amplamente utilizado em circuitos como osciladores, gatilhos, geradores de
pulso, entre outros. É importante notar que o UJT possui características de comutação diferentes daquelas do BJT ou FET.
Estrutura de um UJT
A imagem seguinte mostra a estrutura básica de um transistor de unijunção:
Estrutura de um transistor de Unijunção.
Sua estrutura é semelhante a um JFET (junção FET) de canal N. O UJT consiste em uma barra de silício tipo N levemente
dopada, na qual um material tipo P é difundido, produzindo assim uma junção PN. Devido à existência de uma única junção PN, é
denominado como um dispositivo unijunção.
Na imagem anterior, é possível observar que sua montagem consiste em dois contatos ôhmicos na extremidade da barra,
rotulados como Base 1 (B1) e Base 2 (B2). Cabe observar que a estrutura não é simétrica, pois a região do emissor está mais
próxima de B2, isso garante uma melhor condutividade elétrica (menor resistência). O símbolo de um UJT pode ser visto na
próxima imagem:
Símbolo de um UJT.
A polarização de um UJT pode ser feita com a utilização de 2 fontes de tensão contínuas, como pode ser visto na imagem ao
lado. Para formar um UJT complementar, um material tipo N é difundido em uma barra tipo P. Um UJT complementar difere de
um UJT convencional apenas pelas polaridades de corrente e tensão, entretanto, as demais características dos dois
componentes são semelhantes.
Polarização de um UJT.
Funcionamento de um UJT
Considere o circuito equivalente do UJT mostrado na imagem imagem que segue:
Circuito equivalente de um UJT.
RB1 é uma resistência variável, devido à variação na resistência com mudanças na corrente do emissor.
Os dois resistores do circuito juntos constituem a resistência total que consiste na resistência entre B2 e B1, em que o emissor é
mantido aberto e é conhecida como resistência Interbase RBB. Assim, podemos escrever:
Rotacione a tela. 
Considerando-se que o terminal do emissor é mantido aberto. Normalmente, o valor de RB1 é maior que o de RB2.
Quando uma tensão VBB é aplicada entre os dois terminais de base B1 e B2, a tensão no ponto A será definida como:
Rotacione a tela. 
O fator é denominado razão de afastamento intrínseca e é dado por:
Rotacione a tela. 
E seu valor é permanentemente inferior a 1. Considere uma condição em que não há potencial de emissor fornecido ao circuito.
Nesse caso, o diodo ficará reversamente polarizado.
Assim, incluindo o potencial de barreira do diodo, a tensão total de polarização reversa se tornará:
Rotacione a tela. 
Considerando que a barra semicondutora é de silício, o valor de VB é 0,7 V.
RBB = RB1 + RB2
VA = VBB ×
RB1
RB1 + RB2
VA = nVBB
η
n =
RB1
RB1 + RB2
VA + VB = nVBB + VB
Se o potencial do emissor for aumentado por um pequeno valor e se tornar igual a nVBB, isso fará com que a corrente do emissor
IE se torne 0 (nulo). Isso evita que nenhuma corrente flua através do diodo devido aos níveis de tensão iguais.
Caso o potencial do emissor seja aumentado ainda mais, o diodo será polarizado diretamente. Isso ocorrerá porque o potencial
de polarização reversa será ultrapassado.
Isso permitirá que a corrente do emissor (IE) flua através do RB1 para o terra, acionando assim o UJT.
Tensão de Pico (Vp)
O potencial do emissor que coloca o diodo em condição de polarização direta.
Corrente de ponto de Pico (Ip)
O valor mínimo de IE para acionar o dispositivo.
À medida que o diodo é polarizado diretamente e inicia a condução, a resistência RB1 diminui rapidamente. Isso ocorre porque
durante a condução, o diodo polarizado diretamente injetará portadores na região RB1, reduzindo a resistência, pois depende do
nível de dopagem.
Devido a essa redução na resistência, a queda no RB1 também é reduzida, causando mais condução. Isso resulta em maior
corrente direta e o ciclo se repete. Essa corrente de emissor é restringida pelo potencial de emissor do circuito.
Assim, diz-se que o UJT possui característica de resistência negativa, pois com o aumento da corrente do emissor, a tensão
diminui. Para desligar o dispositivo, é necessário um pulso negativo.
Características do UJT
A imagem seguinte mostra a curva característica da UJT, derivada da relação entre VE e IE.
Curva característica de um UJT.
Como mostrado na imagem, IE não excede IEo, que nada mais é do que a corrente de fuga na reversa de um TBJ. No entanto,
vale ressaltar que a condição acima indicada é para a tensão do Emissor que se encontra na região localizada à esquerda em
relação ao ponto de pico. Essa região é conhecida como região de corte.
A condução começa quando o potencial do emissor se torna igual à tensão de pico. Posteriormente, esse potencial de emissor
diminui e qualquer aumento adicional no IE simplesmente representa uma redução no RB1.
Essa é a razão pela qual se diz que o dispositivo possui característica de resistência negativa e essa região é chamada de região
de resistência negativa.
Após o pico, é atingido um ponto de vale, no qual o dispositivo chega à região de saturação com qualquer aumento adicional na
corrente de emissor do dispositivo.
Vantagens e Aplicações do UJT
Vantagens do UJT
Entre as vantagens de um UJT, pode-se destacar: é um aparelho de baixo custo, com alta capacidade de corrente de pulso,
possui característica de resistência negativa e absorve menos energia durante a operação.
Aplicações da UJT
Acerca das aplicações típicas de um UJT, é um dispositivo usado no disparo de tiristores, no controle de tensão CC, no caso de
detecção de sobretensão e medição de fluxo magnético e usado em circuitos osciladores de relaxamento.
Cabe destacar que a característica de resistência negativa de um transistor unijunção é a base de seu funcionamento e, devido a
isso, o dispositivo pode ser usado como oscilador.
Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
Questão 1
Observe o circuito equivalente do UJT da imagem a seguir. Considerando os valores: ;
 ohm, pode-se afirmar que o seu fator de razão de afastamento intrínseca (n) é igual a:
Circuito equivalente do UJT.
Parabéns! A alternativa D está correta.
Questão 2
Ainda no circuito da questão anterior, determine a tensão no ponto A, sabendo que a resistência RB1 sofreu uma redução na
sua resistividade de um coeficiente igual a 2, reduzindo seu valor pela metade.
VE = 4V
VBB = 6V ;RB1 = 4ohm;RB2 = 6
A n=1
B n=0,6.
C n=0,2.
D n=0,4.
E n=0,8.
n =
RB1
RB1+RB2
n = 44+6 =
4
10 =
2
5
n = 0, 4
A VA = 1,5V.
Parabéns! A alternativa A está correta.
Considerações �nais
Neste conteúdo, abordamos os dispositivos empregados em circuitos de chaveamento controlado, com especial atenção aos
utilizados em circuitos de potência.
Discutimos os SCRs e os TRIACs, caracterizados por possuírem três terminais e capacidade de serem ligados por um disparo no
terminal denominado porta ou gatilho. Um diferencial entre os SCRs e os TRIACs é a capacidade destes últimos conduzirem
corrente de maneira bidirecional. Por essa razão, os TRIACs não possuem denominações como ânodo e cátodo, mas terminais 1
e 2.
Em seguida, debatemos os dispositivos semicondutores controlados, utilizados em circuitos de potência, como os PMOSFETs,
GTOs e os IGBTs. Além de apresentarem boas velocidades de comutação, esses dispositivos podem ser utilizados em níveis
mais elevados de tensão e corrente, além de permitirem o desligamento pela porta, como no caso dos GTOs. Também cabe
destacar que, embora as estruturas dos MOSFETs normais e dos de potência (PMOSFETs) sejam diferentes, o princípio básico
por trás de seu funcionamento permanece inalterado. Ou seja, em ambos a formação do canal de condução é a mesma, que
nada mais é do que a polarização adequada aplicada no terminal da porta resultando em uma camada de inversão.
Por fim, abordamos os MCTs e UJTs. Além das características construtivasdesses componentes, comportando dezenas,
centenas ou até milhares de elementos mais simples, eles possuem excelentes características de condutividade (baixa perda),
rápida comutação e capacidade de desligamento pela porta.
B VA = 1,0V.
C VA = 1,2V.
D VA = 2,0V.
E VA = 1,75V.
n =
RB1
RB1+RB2
n = 22+6 =
2
8 =
1
4
n = 0, 25
VA = VBB ×
RB1
RB1+RB2
VA = VBB × 0, 25
VA = 6 × 0, 25
VA = 1, 5V
Podcast
Agora, o especialista encerra o tema falando sobre os principais tópicos abordados.
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Além dos transistores do tipo enriquecimento, existem os transistores MOSFET do tipo depleção. Esses MOSFETs são capazes
de apresentar uma condução de corrente mesmo quando a tensão entre a Porta e a Fonte (VGS) é nula. Isso indica que esses
dispositivos conduzem corrente mesmo quando o terminal da porta não é polarizado. Nessa condição, para o transistor do tipo
depleção do canal N, a corrente através do MOSFET aumenta com o aumento do valor de VDS até que a tensão se torne igual à
tensão limiar. Pesquise alguns sites, como Viver de Elétrica e busque por artigos sobre dispositivos semicondutores e suas
diversas aplicações.
Referências
BOYLESTAD, R. L.; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos. São Paulo: Pearson Universidades, 2013.
HODGES, D. A. Darlington's contributions to transistor circuit design. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental
Theory and Applications, v. 46, n. 1, p. 102-104, 1999.
KRUGER, T. P. Disciplina de Eletrônica Geral I. Itajaí, SC: Instituto Federal de Santa Catarina, 2017.
POMILIO, J. A. Fontes chaveadas. Publicaçao FEEC, v. 13, p. 95, 2008.
SEDRA, A. S.; SMITH, K. C. Microeletrônica. Pearson Prentice Hall, 2007.
TEIXEIRA, H. T.; TAVARES, M. F.; PEREIRA, R. V. M. Sistemas digitais. Londrina, PR: Editora e Distribuidora Educacional, 2017.
TOCCI, R. J.; WIDMER, N. S. Sistemas Digitais. 8. ed. São Paulo: Pearson, 2003.
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