MOSFET: O Que É, Como Funciona e Por Que Queima Tanto — Eletrônica do Zero #9

Na parte 8 da série conhecemos o transistor bipolar, comandado por corrente na base. Agora chegamos ao primo que tomou conta da eletrônica moderna e que é, disparado, o componente que mais queima nas placas que chegam à bancada: o MOSFET.

Se você abre uma fonte chaveada, uma placa-mãe de notebook, um inversor de ar-condicionado ou o carregador do seu celular, os componentes de três pernas com aba metálica que você vê ali quase sempre são MOSFETs. Nesta parte 9, que fecha a fase de componentes da série, você vai entender como ele funciona, por que ele é comandado por tensão e não por corrente, o que é aquele diodo escondido dentro dele e por que ele morre com tanta frequência.

O que é um MOSFET

MOSFET é a sigla de Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor — transistor de efeito de campo. Traduzindo para o português da bancada: é um transistor em que o comando não consome corrente, ele obedece a um campo elétrico.

Os três terminais têm nomes próprios: gate (porta, o comando), dreno (por onde a corrente principal entra) e source ou fonte (por onde ela sai). A correspondência com o bipolar é direta: gate faz o papel da base, dreno faz o papel do coletor, source faz o papel do emissor.

A diferença está em como o comando age. No transistor bipolar, você empurra corrente pela base — é uma torneira em que sua mão gira o registro fisicamente. No MOSFET, o gate é eletricamente isolado do resto do componente por uma camada finíssima de óxido. Você não injeta corrente nele: você deposita tensão, e o campo elétrico dessa tensão, atravessando o isolante, abre um caminho condutor (o canal) entre dreno e source. É uma comporta que abre por aproximação, sem contato.

O gate é um capacitor

Essa é a chave para entender tudo o que vem depois. Gate isolado do canal por uma camada de óxido é, literalmente, a estrutura que estudamos na parte 6: duas placas com um dielétrico no meio. O gate de um MOSFET é um capacitor, de alguns nanofarads.

Três consequências práticas saem daí:

• Em regime parado, o gate não consome nada. Depois de carregado, a corrente de comando é praticamente zero. Por isso um pino fraco de microcontrolador segura um MOSFET que controla 30 A.
• Para chavear rápido, é preciso corrente. Carregar e descarregar esse capacitor milhares de vezes por segundo exige picos de corrente — é por isso que fontes chaveadas têm um circuito dedicado só para isso, o driver de gate.
• O gate guarda carga. Um MOSFET fora do circuito pode ficar “ligado” sozinho porque o gate ficou carregado do manuseio. Isso engana muito técnico no teste — descarregar o gate encostando os três terminais entre si antes de medir é obrigatório.

Canal N e canal P

Como o bipolar tem NPN e PNP, o MOSFET tem duas famílias:

• Canal N — conduz quando o gate fica positivo em relação ao source. É o mais comum, o mais barato e o que conduz melhor. O source costuma ir ao terra.
• Canal P — conduz quando o gate é puxado para baixo em relação ao source. O source costuma ir ao positivo. Aparece muito como chave de alimentação (ligando e desligando um trilho inteiro pelo lado positivo) e em proteção contra polaridade invertida.

Existe ainda a distinção entre MOSFET de enriquecimento (o normal: com 0 V no gate está desligado) e de depleção (com 0 V já está ligado, precisa de tensão para cortar). Na bancada, 99% do que você vai encontrar é de enriquecimento — se o gate está em zero, ele deveria estar bloqueado.

Tensão de limiar e Rds(on): os dois números que importam

Dois parâmetros de datasheet resolvem quase todo diagnóstico com MOSFET.

Vgs(th) — tensão de limiar. É a tensão mínima entre gate e source para o canal começar a abrir, tipicamente de 2 a 4 V. Um detalhe que derruba gente experiente: começar a abrir não é abrir por completo. Um MOSFET comum só satura de verdade com 10 V no gate. Existem os logic level, feitos para saturar com 4,5 V ou menos — se você trocar um logic level por um comum num circuito comandado por 3,3 V, ele vai conduzir pela metade, esquentar e queimar. É um dos erros de substituição mais caros.

Rds(on) — resistência de canal ligado. Quando totalmente aberto, o MOSFET não é um fio perfeito: ele se comporta como um resistor de alguns miliohms. E aqui a fórmula da parte 3 volta a mandar: o calor dissipado é P = R × I². Com Rds(on) de 5 mΩ e 20 A passando, são 2 W de calor — administrável. Se esse mesmo MOSFET envelhece ou não satura direito e o Rds(on) sobe para 50 mΩ, viram 20 W e ele se destrói em segundos.

É exatamente por causa do Rds(on) baixo que o MOSFET dominou a eletrônica de potência. Um transistor bipolar saturado sempre queima 0,2 a 0,3 V vezes a corrente; o MOSFET queima corrente vezes uma resistência quase nula. Em 20 A, isso é a diferença entre 5 W e 2 W de perda — ou seja, entre precisar de um dissipador enorme e não precisar.

O diodo escondido dentro

Todo MOSFET tem, de fábrica, um diodo intrínseco (ou diodo de corpo) ligado entre source e dreno. Ele não foi colocado ali de propósito: é uma consequência inevitável da forma como o componente é construído. E ele é fundamental na prática por dois motivos.

Primeiro, ele protege o circuito. Em cargas indutivas — motores, bobinas de relé, indutores de fonte chaveada — o diodo intrínseco dá caminho para a corrente que insiste em continuar circulando quando o MOSFET corta, o mesmo papel de roda livre que vimos na parte 7.

Segundo, ele é o que você mede. Quando você põe o multímetro na escala de diodo num MOSFET canal N, a leitura de 0,4 a 0,6 V que aparece entre source e dreno num único sentido é esse diodo. Se ele estiver ausente (OL nos dois lados) ou em curto (leitura baixa nos dois lados), o componente está condenado. O procedimento completo, com pinagem SOT-23 e SO-8 e as armadilhas de medir com a placa montada, está no guia de como testar MOSFET com multímetro.

Atenção a uma consequência lógica: como o diodo intrínseco existe sempre, um MOSFET nunca bloqueia corrente nos dois sentidos. Mesmo desligado, ele conduz pelo diodo no sentido inverso. Por isso circuitos que precisam bloquear de verdade usam dois MOSFETs costas com costas — é o arranjo que você encontra na proteção de qualquer bateria de notebook ou celular.

Onde o MOSFET aparece numa placa real

Fontes chaveadas. O MOSFET de chaveamento primário liga e desliga a rede retificada centenas de milhares de vezes por segundo. É o componente que mais morre em fonte de TV, monitor e computador — normalmente em curto e levando o fusível junto.

Reguladores de notebook e placa-mãe. Cada trilho de 1,05 V, 1,8 V, 3,3 V ou 5 V vem de um conversor buck com um par de MOSFETs (o de cima e o de baixo) comandados por um controlador PWM. MOSFET de cima em curto joga a tensão cheia da bateria no processador — é assim que um curto de 19 V destrói um chip de 1 V.

Chaves de alimentação. Canal P ligando e desligando trilhos inteiros conforme a sequência de energização. Linha que não sobe é, muitas vezes, o MOSFET de chave dela — e não o regulador.

Carga de bateria e proteção. Aquele par de MOSFETs costas com costas, comandado pelo circuito de carga, decide se a bateria alimenta a placa ou recebe carga.

Pontes H de motores e inversores. Quatro MOSFETs invertendo o sentido da corrente na carga — é o princípio de todo controle de motor moderno.

Por que MOSFET queima tanto

Não é impressão sua: é o componente mais frágil da placa, e por motivos concretos.

Óxido do gate perfurado. A camada isolante tem espessura de poucos nanômetros e suporta tipicamente ±20 V. Um pico acima disso — inclusive uma descarga estática do seu corpo — fura o isolante em definitivo. É por isso que MOSFET se manuseia com pulseira antiestática, e por isso que um MOSFET queimado costuma apresentar curto entre gate e source, algo que não deveria existir jamais num componente sadio.

Não saturar. Comando fraco, resistor de gate alterado ou driver defeituoso mantêm o MOSFET numa condução parcial. Rds(on) alto, potência alta, morte térmica em minutos.

Excesso de tensão dreno-source. Ultrapassar a tensão máxima o coloca em avalanche. Em fonte chaveada, um capacitor de snubber seco (aquele que amortece o pico do transformador) mata o MOSFET repetidamente — trocar só o MOSFET sem investigar o resto significa queimar o novo em poucos dias.

Regra de bancada: MOSFET queimado é sintoma, não diagnóstico. Antes de soldar o substituto, meça o resistor de gate, o driver e a linha que ele alimentava. Se a placa entra em proteção, o caminho é o mesmo do guia de como achar curto na placa.

Perguntas frequentes

Qual a diferença prática entre MOSFET e transistor comum?
O bipolar é comandado por corrente e sempre tem uma queda fixa de 0,2 a 0,3 V quando saturado. O MOSFET é comandado por tensão, não consome corrente parado e se comporta como um resistor de miliohms quando ligado. Para chavear corrente alta com pouca perda, MOSFET; para sinal pequeno e circuitos analógicos simples, o bipolar continua ótimo.

Posso trocar um MOSFET por outro de valores maiores?
Em geral sim, desde que seja o mesmo canal (N por N), tensão e corrente máximas iguais ou maiores e Rds(on) igual ou menor. Mas confira dois pontos: a tensão de limiar — nunca ponha um MOSFET comum onde havia um logic level — e o encapsulamento, porque a pinagem varia entre famílias.

Por que o MOSFET novo queimou de novo?
Porque a causa continua na placa. Investigue nesta ordem: driver ou resistor de gate, capacitor de snubber seco, curto na carga que ele alimenta e dissipador mal fixado ou sem pasta térmica.

Dá para testar MOSFET sem tirar da placa?
Dá para condenar, não para aprovar. Curto entre dreno e source ou entre gate e source medido na placa já é veredito. Mas leituras aparentemente boas não valem nada com a placa montada, porque resistores e outros componentes em paralelo mascaram tudo. Aprovar só fora do circuito.

Por que MOSFET tem aquela aba metálica?
É o dissipador do componente — e, na maioria dos encapsulamentos TO-220 e TO-247, essa aba é eletricamente ligada ao dreno. Isso significa que ela tem tensão, e é por isso que se usa mica ou pad isolante ao parafusá-la em dissipador compartilhado.

Conclusão

O MOSFET fecha a fase de componentes da série com a ideia mais importante da eletrônica moderna: comandar potência sem gastar potência no comando. Guarde três frases e você lê qualquer MOSFET numa placa: o gate é um capacitor isolado, comandado por tensão e não por corrente; existe um diodo intrínseco permanente entre source e dreno, que é justamente o que o multímetro mede; e ele só é eficiente quando satura de verdade — condução parcial é sentença de morte térmica.

Com resistor, capacitor, diodo, transistor e MOSFET você já tem o alfabeto completo. A partir daqui a série muda de fase: em vez de estudar componentes isolados, vamos juntar tudo e destrinchar circuitos inteiros — começando pelo mais presente de todos, a fonte de alimentação, onde esses cinco componentes trabalham lado a lado.