UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA JFET-TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO DE JUNÇÃO

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1 UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA JFET-TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO DE JUNÇÃO Felipe Gregório Ribeiro dos Santos Gustavo da Cunha Fonseca Ícaro Henrique Thomazella Leonardo Travalini Rodrigo Cardoso Lopes Bauru, 2008

2 FELIPE GREGÓRIO RIBEIRO DOS SANTOS RA: GUSTAVO DA CUNHA FONSECA RA: ÍCARO HENRIQUE THOMAZELLA RA: LEONARDO TRAVALINI RA: RODRIGO CARDOSO LOPES RA: JFET-TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO DE JUNÇÃO Trabalho acadêmico da disciplina de Eletrônica I do departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Estadual Paulista, ministrado pelo professor Alceu Ferreira Alves, com o objetivo de apresentar os conceitos do transistor JFET e suas características. Bauru 2008

3 SUMÁRIO INTRODUÇÃO...3 CURVAS DE DRENO...5 CORRENTE MÁXIMA DE DRENO...6 REGIÃO ÔHMICA...6 TENSÃO NA PORTA (GATE)...7 Tensão de corte CURVA DE TRANSCONDUTÂNCIA...8 POLARIZAÇÃO NA REGIÃO ÔHMICA...9 POLARIZAÇÃO DA PORTA...10 SATURAÇÃO FORTE...10 BIBLIOGRAFIA...12

4 3 INTRODUÇÃO O transistor de efeito de campo de junção, JFET, é um dispositivo de três terminais utilizado em várias aplicações, como: pré-amplificador de vídeo para câmeras de TV, estágios amplificadores de RF para receptores de comunicações, instrumentos de medição, etc. e que realiza muitas das funções do transistor bipolar de junção (BJT), embora que haja diferenças importantes entre os dois dispositivos. A principal diferença entre os dois tipos de transistores é o fato de que o BJT é um dispositivo controlado por corrente, enquanto que o JFET é um dispositivo controlado por tensão. Em outras palavras, a corrente I C do BJT depende diretamente de I B, e para o JFET a corrente I D depende diretamente da tensão V GS aplicada ao circuito de entrada. Em ambos os casos a corrente de saída está sendo controlada por algum parâmetro de circuito de entrada, em um caso, o nível de corrente, e no outro, a tensão aplicada. Assim como nos transistores bipolar de junção, existem transistores de efeito de campo de canal n e canal p. Entretanto, é importante observar que o BJT é um dispositivo bipolar, enquanto que o JFET é um dispositivo unipolar, ou seja, depende somente da condução realizada por elétrons (canal n) ou lacunas (canal p). Uma das características mais importantes do JFET é a alta impedância de entrada. Esta característica é muito relevante no projeto de amplificadores. Por outro lado o BJT apresenta maior sensibilidade às variações do sinal aplicado. Assim, as variações de corrente de saída são tipicamente maiores para os BJTs do que para os FETs, para uma mesma variação do sinal de entrada, por isso que os ganhos de tensão dos amplificadores adquiridos com a utilização dos BJTs são superiores que aos ganhos de tensão adquiridos com a utilização de amplificadores com FETs. Em geral os FETs são mais estáveis com relação a temperatura do que os BJTs.

5 4 O JFET A construção de um JFET na prática é bastante complicada, pois é necessária uma tecnologia de dopagem nos dois lados de um substrato de semicondutor tipo P ou tipo N. Figura 1 JFET O JFET é formado por um estreito canal semicondutor tipo P ou N em cujas extremidades são feitos contatos denominados de Dreno(D), de onde as cargas elétricas saem, e Fonte(S), por onde as cargas elétricas entram. O terminal Gate(G) é que faz o controle da passagem das cargas. A polarização do JFET é diferente do BJT. Num transistor bipolar polarizamos diretamente o diodo base-emissor, porém, em um JFET, sempre polarizamos reversamente o diodo porta-fonte. Essa polarização reversa na porta faz com que aumente a região de depleção, diminuindo a largura do canal e dificultando assim a passagem de corrente entre dreno e fonte. Quanto mais negativa for à tensão da porta, mais apertado é o canal, portanto a tensão da porta controla a corrente. Figura 2 Polarização do JFET

6 5 CURVAS DE DRENO As características das curvas de dreno de JFET tipo n são semelhantes as características de um transistor BJT, apresentando as regiões de saturação, ruptura e região ativa. I D Parábola 2 I d=kv V GS = 0 Idss= 10mA Vp 5.62mA V GS = mA 0.625mA V GS = -2 V GS = -3 V GS = V DS Figura 3 Curva de Dreno JFET tipo n Para um valor constante de V, o JFET age como um dispositivo resistivo linear (na região ôhmica) até atingir a condição de pinçamento ou estrangulamento. Acima da condição de estrangulamento e antes da ruptura por avalanche, a corrente de dreno permanece aproximadamente constante. Os índices I referem-se à corrente do dreno para a fonte com a porta em curto (V =0V). I é a corrente de dreno máxima que um JFET pode produzir. Na Figura 3, é mostrado um exemplo de curva para um JFET. Quando o JFET está saturado (na região ôhmica), V situa-se entre 0 e 4V, dependendo da reta de carga. Para polarizar um transistor JFET é necessário saber a função do estágio, isto é, se o mesmo irá trabalhar como amplificador ou como resistor controlado por tensão. Como amplificador, a região de trabalho é o trecho da curva após a condição de pinçamento, e à esquerda da região de tensão V de ruptura. Se for como resistor controlado por tensão a região de trabalho é entre V igual a zero e antes de atingir a condição de pinçamento.

7 6 CORRENTE MÁXIMA DE DRENO A corrente de dreno para V GS = 0, no seu ponto máximo, é denominada corrente de curto-circuito dreno e fonte ou DRAIN-SOURCE SHORTED CURRENT (I ). É a corrente de dreno quando V GS for igual à zero (0) volts e corresponde a corrente de dreno máxima que o JFET pode conduzir. Podemos observar esta característica do JFET na figura abaixo. V GS = 0 (Vpo) Figura 4 Corrente Máxima de dreno, quando a tensão VGS for igual a zero. REGIÃO ÔHMICA Para um valor constante de VGS, o JFET age como um dispositivo resistivo linear (na região ôhmica) até atingir a condição de pinçamento ou estrangulamento. Acima da condição de estrangulamento e antes da ruptura por avalanche, a corrente de dreno permanece aproximadamente constante. Podemos observar na figura abaixo a região ôhmica destacada de amarelo. Região Ôhmica Figura 5 Região Ôhmica do transistor JFET.

8 7 TENSÃO NA PORTA (GATE) Quando os elétrons circulam da fonte para o dreno, eles têm de passar através do estreito canal entre duas camadas de depleção. Quanto mais negativa for a tensão da porta, mais apertado o canal se trona, ou seja, a tensão da porta pode controlar a corrente através do canal. Quanto mais negativa a tensão da porta, menor a corrente entre a fonte e o dreno. O JFET é um dispositivo controlado por tensão porque é reversamente polarizado. Alterações em V determinam o quanto de corrente pode fluir da fonte para o dreno, portanto V é a grandeza na entrada de controle. Um JFET é menos sensível às variações na tensão de entrada do que um transistor bipolar. Ex: em um JFET a variação de 0,1v na tensão da porta produz uma variação da corrente de dreno menor que 10 ma e em um transistor bipolar a mesma variação em base-emissor produz uma variação na corrente de saída muito maior que 10mA. O JFET funciona como uma fonte de corrente quando está operando ao longo da parte quase horizontal da curva de dreno. Essa parte está entre a tensão mínima e a tensão máxima ( ). A tensão mínima é chamada de tensão de constrição ou estrangulamento (Pinchoff) e a máxima de tensão de ruptura. Obs: Pela Figura 3 quando têm-se a corrente máxima de dreno, = 0, portanto sabe-se que a tensão mínima ou estrangulamento ou mesmo constrição é =4V e a tensão máxima ou tensão de ruptura é =30V. Nota-se que quando se têm uma ( ) < ( á ) menor será a tensão fonte-dreno ( ) para constrição e levemente maior para ruptura. Deve-se notar também que quando = 4, a corrente de dreno é reduzida a praticamente zero. Essa tensão aplicada é chamada de tensão de corte portafonte( ( )). Com isso, vemos que a tensão mínima ou constrição e a tensão de corte ( ) têm módulos iguais: ( ) = (1)

9 8 CURVA DE TRANSCONDUTÂNCIA A curva de transcondutância de um JFET é dada através de um gráfico de forma corrente de dreno ( ) versus a tensão porta-fonte ( ). Lendo os valores de e de obtidos na curva de dreno, podemos traçar a curva de transcondutância. A curva de transcondutância de qualquer JFET seguirá a se apresentar da seguinte forma: Figura 6 Curva de transcondutância do JFET Esse gráfico é característico de todos os JFETs, mudando apenas os valores para cada um em específico, que variam entre si devido ao tamanho da região dopada, nível de dopagem e outros fatores, assim esse gráfico segue a seguinte expressão: = (1 )² (2) Essa equação é utilizada para se descobrir o valor da corrente de dreno, a corrente de dreno máxima, a tensão da porta e a tensão de corte porta-fonte. Mas em algumas especificações de transistores trazem o gráfico da figura 6, com os valores específicos, assim têm-se os valores de modo direto, sem a necessidade da parte algébrica. E ainda essa equação é de modo quadrático, pois o gráfico é uma parte de uma parábola. Esse fator ainda estabelece uma vantagem de um JFET em relação ao bipolar quando se trata da sua aplicação em circuitos para equipamentos de comunicação. Exemplo: Suponha que um JFET tenha = 9 ma e = - 5 V. Calcule a corrente de dreno para = - 2 V.

10 9 Resolução: Podemos calcular a corrente de dreno através da equação, = 9 1 = 3,24.Podemos ainda calcular a corrente de dreno pelo gráfico,figura 7, o qual nos dá o valor direto da corrente de dreno. Figura 7-gráfico de ID X VGS POLARIZAÇÃO NA REGIÃO ÔHMICA A região ôhmica de um JFET é a região na qual ele funciona como se pequeno resistor. Têm-se que numa análise gráfica do JFET, a região ôhmica é aquela na qual a curva de dreno é praticamente vertical, sendo ela equivalente à região de saturação de transistor bipolar. Essa parte do gráfico inicia-se com e iguais a zero e vai até a tensão de constrição ( ), que é a tensão onde a curva de dreno se torna quase horizontal e é onde separa-se as duas regiões de operação do JFET. A resistência nessa região é dada através de: = (3) E para que o JFET atue na região ôhmica é necessário que se tenha uma tensão baixa em, sendo que podemos ter qualquer polarização tanto em como em, contanto que estas estejam com os valores adequados para que o transistor esteja atuando na sua região ôhmica, os quais variam de transistor para transistor. Podemos ver melhor as duas regiões no gráfico: Figura 8 Regiões do JFET O importante a notar-se neste gráfico é que tem-se uma curva linear da origem até sendo que o gráfico é de IxV, ou seja, dessa relação explica-se o

11 10 nome ôhmica, pois nessa região de atuação do JFET ele funciona como um resistor ôhmico. POLARIZAÇÃO DA PORTA Polarização reversa para funcionamento normal, ou seja, tensão portafonte (VGS) é sempre negativa. Algebricamente: V 0 Dessa forma, quanto mais negativa VGS, maior será a camada de depleção e mais estreito será o canal. Isso diminui o número de portadores, fazendo com que a corrente de dreno (ID) máxima diminua. SATURAÇÃO FORTE Assumindo-se a região de saturação como a região em que não há portadores livres, em tal região o transistor atua com comportamento próximo a uma fonte de corrente (região praticamente plana da curva de dreno). A figura 9 apresenta as curvas de dreno de um JFET mostrando a região ôhmica e de saturação. Figura 9 Região ôhmica e região de saturação nas curvas de dreno A saturação forte ocorre quando o ponto de operação tende à região de ruptura na curva de dreno. A figura 10 (a) apresenta as curvas de dreno juntamente com a reta de carga do circuito dado como exemplo (b).

12 Figura 10- Curvas de dreno com reta de carga (a) do circuito dado como exemplo (b) 11

13 12 BIBLIOGRAFIA Site acessados entre os dias 29 de outubro e 02 de novembro de 2008: nica%20digital%203.doc pdf MALVINO, Albert Paul. Eletrônica Vol. I, 4º ed. São Paulo, Makron Books, 1997.