Como ler o símbolo MOSFET: NMOS, PMOS, setas e díodos de corpo

Se alguma vez abriu um esquema e ficou a olhar para um símbolo de MOSFET a perguntar-se qual é o terminal de source, porque é que a gate tem um intervalo, ou porque é que a seta aponta de forma diferente em dois símbolos aparentemente idênticos — não está sozinho.

O símbolo esquemático do MOSFET condensa quatro informações independentes num único pequeno gráfico: polaridade do canal, modo de funcionamento, identidade dos terminais e tipo de dispositivo. Leia corretamente estas quatro pistas e qualquer símbolo de MOSFET torna-se imediatamente claro, quer o encontre numa folha de dados de eletrónica de potência, num diagrama de lógica CMOS ou numa biblioteca EDA.

O que este guia abrange:

• Como identificar símbolos NMOS e PMOS
• Como a direção da seta muda entre símbolos IEEE/IEC e símbolos IC simplificados
• Símbolos de MOSFET de modo de enriquecimento vs modo de depletion
• Símbolos de MOSFET de 3 terminais vs 4 terminais
• Orientação do díodo de corpo em MOSFETs de potência
• Convenções de símbolos MOSFET utilizadas em folhas de dados, esquemas CMOS e ferramentas EDA

Como ler um símbolo de MOSFET: 5 pistas visuais

Figura: Decomposição esquemática de um símbolo de MOSFET de enriquecimento de canal N

Estas cinco pistas visuais são suficientes para identificar a maioria dos símbolos de MOSFET NMOS, PMOS, de modo de enriquecimento e de modo de depletion encontrados em folhas de dados e esquemas de circuitos.

Tipos e símbolos de MOSFET

Duas polaridades de canal multiplicadas por dois modos de funcionamento produzem os quatro símbolos canónicos de MOSFET.

• Enriquecimento de canal N (NMOS): Caracterizado por uma seta para dentro e uma linha de canal tracejada. É o tipo de MOSFET mais comum, amplamente utilizado para comutação de baixo lado em conversores buck, pontes H e drivers de motores.
• Enriquecimento de canal P (PMOS): Caracterizado por uma seta para fora e uma linha de canal tracejada. Comummente utilizado para comutação de alto lado e circuitos de proteção contra inversão de polaridade.
• Depletion de canal N: Apresenta uma seta para dentro e uma linha de canal sólida. Permanece ligado com VGS = 0.
• Depletion de canal P: Apresenta uma seta para fora e uma linha de canal sólida. É o tipo comercial mais raro.

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Compreender o símbolo de MOSFET: o que significa cada linha, seta e terminal

Um símbolo padrão de MOSFET é construído a partir de três elementos estruturais. Compreender estes elementos é fundamental ao comparar BJTs com MOSFETs, uma vez que os MOSFETs funcionam puramente com base em campos eletrostáticos em vez de injeção de portadores minoritários.

A linha do canal: sólida vs tracejada

A linha vertical ao centro representa o canal semicondutor — o percurso físico da corrente entre o drain e a source. O seu estilo não é decorativo:

• Uma linha interrompida ou tracejada (três segmentos curtos) significa que não existe canal com VGS = 0, identificando um dispositivo de modo de enriquecimento.
• Uma linha sólida contínua significa que existe um canal por predefinição com VGS = 0, identificando um dispositivo de modo de depletion.

A estrutura da gate e o intervalo isolante

A gate é representada por uma linha horizontal que se aproxima do canal mas não o toca. Este intervalo físico representa a camada isolante de dióxido de silício (SiO2). Esta barreira isolante é a característica visual e física definidora que separa um símbolo de MOSFET de um símbolo de JFET. Num JFET, a linha da gate toca diretamente no canal; num MOSFET, nunca toca.

A seta do corpo: significado e convenções

A seta liga-se ao terminal do corpo (ou substrato).

1. Nos símbolos detalhados de quatro terminais, aponta do material tipo P para o tipo N, seguindo as convenções padrão da junção PN do díodo.
2. Nos símbolos simplificados de circuito integrado (IC) de três terminais, a seta move-se para o terminal de source e indica, em vez disso, a direção do fluxo de corrente convencional.

Ambas as convenções estão em uso ativo nos esquemas eletrónicos modernos.

Etiquetas dos terminais do MOSFET: gate, source, drain e corpo

Em praticamente todos os encapsulamentos discretos (como TO-220, SOT-23, DPAK ou TO-247), o corpo está ligado internamente ao pino de source durante o encapsulamento. Consequentemente, os símbolos esquemáticos para estes dispositivos mostram apenas três terminais externos.

No entanto, em layouts complexos de circuitos integrados onde centenas de transístores partilham um substrato comum, o corpo aparece como uma quarta ligação física separada.

Representação do terminal de corpo: símbolos discretos vs IC

Num símbolo de dispositivo discreto, uma curta linha interna liga a seta diretamente ao pino de source. Isto torna o curto-circuito corpo-source explícito e ajuda os engenheiros a identificar imediatamente a polaridade do díodo de corpo intrínseco.

Nos esquemas de IC, o corpo aparece como um quarto pino independente ligado diretamente a VSS (para NMOS) ou VDD (para PMOS), ou é omitido completamente, com uma bolha na gate a marcar a polaridade PMOS em vez disso.

Como ler a seta num símbolo de MOSFET

A seta é o elemento mais frequentemente mal interpretado no símbolo de MOSFET porque duas convenções de desenho distintas utilizam o mesmo elemento gráfico para propósitos diferentes.

Direção da seta em símbolos MOSFET IEEE/IEC de quatro terminais

Nos símbolos detalhados de quatro terminais, a seta situa-se na ligação do terminal de corpo (o substrato bulk) e aponta sempre do material semicondutor tipo P para o tipo N. Isto imita a polaridade padrão do díodo:

• NMOS (canal N): O corpo é material tipo P e o canal é tipo N. Portanto, a seta aponta para dentro (P para N). Mnemónica: "N is in."
• PMOS (canal P): O corpo é material tipo N e o canal é tipo P. Portanto, a seta aponta para fora (N para P).

Figura: Comparação de NMOS e PMOS no estilo detalhado IEEE/IEC de quatro terminais

Seta no terminal de source em símbolos MOSFET simplificados

Nos símbolos simplificados de três terminais, o corpo é implícito. A seta move-se diretamente para o terminal de source, mostrando a direção da corrente convencional quando o dispositivo está a conduzir ativamente:

• NMOS (simplificado): A seta no terminal de source aponta para fora (afastando-se da gate).
• PMOS (simplificado): A seta no terminal de source aponta para dentro (em direção à gate).

Isto é exatamente o inverso do estilo detalhado. Um NMOS tem uma seta para dentro no estilo detalhado mas uma seta para fora no estilo simplificado. Ambas estão corretas; seguem simplesmente normas de engenharia diferentes.

Identificar a convenção da seta: estilo detalhado vs simplificado

Para evitar erros, identifique primeiro o estilo geral do esquema.

Pergunte a si mesmo: O corpo está desenhado como uma ligação separada ou diretamente ligado à source dentro do símbolo?

• Se sim: Está a olhar para o estilo detalhado IEEE/IEC. A seta mostra a direção física da junção PN (para dentro = NMOS, para fora = PMOS).
• Se não: Está a olhar para o estilo IC simplificado. A seta mostra a direção da corrente convencional no terminal de source (source para fora = NMOS, source para dentro = PMOS).

As folhas de dados de eletrónica de potência utilizam quase sempre o estilo detalhado, enquanto os esquemas CMOS e de lógica digital utilizam quase sempre o estilo simplificado.

Símbolo NMOS vs símbolo PMOS: principais diferenças

Figura: Símbolos de MOSFET NMOS e PMOS comparados tanto no estilo detalhado IEEE/IEC de quatro terminais como no estilo IC simplificado de três terminais.

Características do símbolo NMOS

• A seta aponta para dentro (estilo detalhado) ou para fora no terminal de source (estilo simplificado).
• Não é utilizada bolha na gate no estilo IC.
• O ânodo do díodo de corpo está na source e o cátodo está no drain.
• Liga com VGS positivo (VGS > Vth).
• Posicionado tipicamente como comutador de baixo lado.

Características do símbolo PMOS

• A seta aponta para fora (estilo detalhado) ou para dentro no terminal de source (estilo simplificado).
• Está presente uma bolha na gate no estilo IC.
• O ânodo do díodo de corpo está no drain e o cátodo está na source.
• Liga com VGS negativo (VGS < -Vth).
• Posicionado tipicamente como comutador de alto lado.

Símbolos de MOSFET de modo de enriquecimento vs depletion

Compreender a distinção entre os modos de enriquecimento e depletion é crucial ao selecionar dispositivos de montagem em superfície para o seu projeto.

Figura: Comparação de símbolos de modo de enriquecimento vs depletion

Linha de canal interrompida ou tracejada: símbolo de MOSFET de modo de enriquecimento (normalmente OFF)

Uma linha de canal interrompida, composta por três segmentos verticais curtos, indica que não existe canal de condução com VGS = 0. O dispositivo está naturalmente desligado. Um canal forma-se apenas quando a magnitude da tensão gate-source (|VGS|) excede a tensão de limiar (Vth). Os componentes de modo de enriquecimento dominam o mercado de semicondutores: praticamente todos os MOSFETs de potência discretos e todos os dispositivos de lógica CMOS padrão são de modo de enriquecimento.

Linha de canal sólida: símbolo de MOSFET de modo de depletion (normalmente ON)

Uma linha de canal sólida e contínua significa que existe um canal de condução com VGS = 0; o dispositivo está naturalmente ligado. É necessária uma tensão gate-source aplicada de polaridade oposta para depletion o canal e cortar o fluxo de corrente. Os dispositivos de modo de depletion são componentes especializados encontrados principalmente em fontes de corrente constante, circuitos RF analógicos e topologias de arranque auto-polarizadas.

Símbolos de MOSFET de 4 terminais vs 3 terminais

Figura: Comparação de símbolos de 4 terminais e 3 terminais

Nos circuitos integrados, os transístores partilham um substrato de silício comum. Portanto, o terminal de corpo liga-se a uma linha de alimentação comum do substrato (VSS para NMOS, VDD para PMOS) em vez do pino de source individual de cada transístor. As ferramentas EDA representam isto com os símbolos de quatro terminais nmos4 e pmos4. Nos encapsulamentos discretos, o corpo é ligado por fio diretamente à source internamente, criando um dispositivo de três terminais onde o díodo de corpo é sempre visível nos esquemas de potência.

Ao fazer a transição do projeto esquemático para o layout, compreender os seus tipos de encapsulamento é crucial. Decidir entre encapsulamentos de montagem em superfície vs through-hole afeta tanto o desempenho térmico como o espaço da placa.

Símbolo do díodo de corpo do MOSFET

O que é o díodo de corpo intrínseco e porque aparece no símbolo

O díodo de corpo não é um componente intencionalmente integrado; é uma junção PN intrínseca e parasita formada entre o substrato de corpo tipo P e a região de drain tipo N (para um NMOS). Os fabricantes modernos de MOSFETs de potência incluem-no explicitamente nos seus símbolos para lembrar os projetistas deste percurso de condução paralelo.

Figura: Símbolo de MOSFET de potência de canal N com díodo de corpo intrínseco

Orientação do díodo de corpo: NMOS vs PMOS

• Díodo de corpo NMOS: O ânodo está na source e o cátodo está no drain. Conduz corrente sempre que VDS fica negativo, servindo como percurso de roda livre durante o tempo morto.
• Díodo de corpo PMOS: O ânodo está no drain e o cátodo está na source. Conduz quando VSD fica negativo.

Em circuitos de comutação de alta frequência, o díodo de corpo transporta corrente significativa durante os tempos mortos da transição de comutação. O seu tempo de recuperação inversa (trr) e carga de recuperação inversa (Qrr) são parâmetros críticos da folha de dados, influenciando diretamente as perdas de comutação e a eficiência global do sistema.

Símbolos de MOSFET simplificados em esquemas CMOS e de IC

A bolha na gate do PMOS — o que significa e o que não significa

Um pequeno círculo (ou bolha) na gate de um símbolo simplificado de MOSFET identifica um dispositivo PMOS. Esta bolha sinaliza que a gate está ativa a nível baixo em relação à source.

Embora utilize o mesmo glifo visual que uma bolha de inversão lógica (como numa porta NOT ou NAND), indica polaridade de canal tipo P em vez de negação lógica. Confundir esta bolha na gate com um inversor lógico é uma leitura incorreta comum em esquemas CMOS digitais.

Figura: Símbolos de MOSFET NMOS e PMOS simplificados no estilo IC com um exemplo de inversor CMOS a mostrar como ambos os símbolos se combinam na prática.

Porque é que os símbolos de MOSFET simplificados omitem os indicadores de enriquecimento e depletion

O símbolo simplificado no estilo IC omite completamente a distinção entre linha de canal tracejada/sólida. Ao ler esquemas CMOS, os engenheiros assumem o modo de enriquecimento, salvo indicação explícita em contrário, porque os dispositivos de modo de depletion raramente são utilizados em processos CMOS digitais padrão.

Símbolo de MOSFET vs símbolo de JFET: principal diferença visual

Figura: Comparação esquemática do símbolo de MOSFET de canal N com intervalo de óxido e do símbolo de JFET de canal N com gate a contactar diretamente o canal.

A principal diferença visual entre um símbolo de MOSFET e um símbolo de JFET é o intervalo físico entre a linha da gate e a linha do canal.

• No símbolo de MOSFET, a gate está isolada do canal, e o intervalo físico representa a camada de óxido da gate.
• No símbolo de JFET, a gate contacta diretamente a linha do canal, representando uma junção PN física polarizada inversamente sem camada isolante.

Um símbolo de IGBT, por outro lado, combina estes elementos: apresenta uma gate isolada ao estilo MOSFET mas utiliza uma seta de emissor ao estilo BJT, com Coletor (C) e Emissor (E) a substituir as etiquetas de Drain e Source.

Normas de símbolos de MOSFET: convenções IEEE, ANSI e IEC

A norma histórica dominante nos EUA era a IEEE 315-1975 (também conhecida como ANSI Y32.2-1975). O seu suplemento, IEEE 315A-1986, adotou explicitamente símbolos de MOSFET derivados da IEC. Ambas as normas foram oficialmente desativadas pelo IEEE em 7 de novembro de 2019.

A norma internacional ativa atual é a IEC 60617, mantida como base de dados online pela Comissão Eletrotécnica Internacional. Na prática, os símbolos de MOSFET em ambas as normas modernas são visualmente idênticos. A principal variação que os engenheiros encontram nos esquemas modernos não é uma diferença IEEE-vs-IEC, mas sim a divisão entre o estilo detalhado-discreto e o estilo simplificado-IC.

Símbolos de MOSFET em ferramentas EDA: KiCad, LTspice, EasyEDA e Altium

KiCad

O KiCad disponibiliza uma grande variedade de símbolos de MOSFET NMOS, PMOS, de modo de enriquecimento, de modo de depletion e de quatro terminais na sua biblioteca incorporada Transistor_FET. Tanto os estilos detalhados IEEE/IEC como os estilos digitais simplificados estão prontamente disponíveis.

LTspice

O LTspice disponibiliza quatro símbolos de MOSFET incorporados por predefinição:

• nmos e pmos (três terminais)
• nmos4 e pmos4 (quatro terminais com pinos de corpo explícitos e parâmetros editáveis de largura/comprimento do canal (W/L)).

Utilize as variantes de quatro terminais para varrimentos de tensão de limiar e simulações de efeito de corpo. Nas netlists SPICE, todas as instâncias de MOSFET são automaticamente prefixadas com o caractere M (por exemplo, Mxxx Nd Ng Ns Nb <model>).

EasyEDA, Altium Designer e Autodesk Eagle

O EasyEDA, o Altium Designer e o Eagle utilizam símbolos de MOSFET simplificados de três terminais nas suas bibliotecas predefinidas.

O Altium utiliza MOSFET_N e MOSFET_P com integração no portal cloud Altium 365, enquanto a biblioteca padrão transistor.lbr do Eagle fornece símbolos genéricos NMOS e PMOS.

Antes de enviar os seus projetos para fabrico, verificar as diferenças entre PCBA e PCB ajuda a evitar quaisquer incompatibilidades entre layout e montagem.

Perguntas frequentes sobre símbolos de MOSFET

Conclusão

Quatro pistas visuais descodificam qualquer símbolo de MOSFET: a direção da seta identifica a polaridade do canal (NMOS ou PMOS), o estilo da linha do canal identifica o modo de funcionamento (enriquecimento ou depletion), a disposição do díodo de corpo identifica o díodo intrínseco source-drain, e o estilo do símbolo (detalhado ou simplificado) indica qual a convenção de seta aplicável.