Transistores de Efeito de Campo FET Parte I

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1 EN2719 Dispositivos Eletrônicos AULA 11 Transistores de Efeito de Campo FET Parte I Prof. Rodrigo Reina Muñoz rodrigo.munoz@ufabc.edu.br T1 2018

2 Conteúdo Transistores de Efeito de Campo JFET MOSFETS Exercícios 2 2

3 Transistores de Efeito de Campo Transistor de Junção Bipolar (BJT): corrente (I C ) controlada por corrente dois tipos de portadores: elétrons e lacunas Transistor de Efeito de Campo (FET): corrente (I D ) controlada por tensão apenas um tipo de portador: elétrons ou lacunas 3 3

4 Transistores de Efeito de Campo Mecanismos de controlde de corrente para o transistor bipolar (corrente de base) e do transistor de efeito de campo, FET (tensão de porta V GS ). 4

5 Transistores de Efeito de Campo O FET é conhecido como transistor unipolar porque a condução de corrente acontece por apenas um tipo de portador (elétron ou lacuna), dependendo do tipo do FET, de canal n ou de canal p. O nome efeito de campo decorre do fato que o mecanismo de controle do componente é baseado no campo elétrico estabelecido pela tensão aplicada nos terminais de controle. O Transistor JFET recebe este nome porque é um transistor FET de Junção. 5 5

6 Transistores de Efeito de Campo de Junção JFET CARACTERÍSTICAS pode ser usado como chave ou amplificador impedância de entrada elevada ( 100MΩ) ( junção reversamente polarizada) apresenta maior imunidade à radiação que o BJT produz menos ruído que o BJT possui maior estabilidade térmica em relação ao BJT curvas de dreno ao invés de curvas de coletor relação saída/entrada = transcondutância 6 6

7 JFET A figura abaixo apresenta um JFET de canal n (existe também o JFET de canal p). Seu diagrama construtivo simplificado representa uma barra de silício semicondutor tipo n (dopado com impurezas doadoras) e contendo incrustadas duas regiões tipo p. 7 7

8 JFET Ainda observando a figura abaixo, a seta apontando para dentro representa uma junção pn de um diodo diretamente polarizado. O JFET de canal p tem as mesmas partes constituintes de um JFET de canal n, porém seu símbolo apresenta a seta em sentido contrário, e as correntes e tensões são consideradas invertidas em relação ao JFET de canal n. 8 8

9 JFET Construção Fonte (S) Material n p Dreno (D) Fonte (S) Material p n Dreno (D) p n Porta(G) Porta(G) CANAL N CANAL P FONTE (source): fornece os elétrons livres, DRENO (drain): drena os elétrons, PORTA (gate): controla a largura do canal, controlando a corrente entre fonte e dreno. 9 9

10 Tensão VGS = 0 V e VDS >0 JFET Polarização Observe a região de depleção que se forma nas duas junções p-n. Aplicando a tensão V DS como mostrado, estabelece-se uma corrente entre dreno e fonte. Observe que a região de depleção é mais larga na parte superior do material tipo p. Isso deve-se ao fato da queda de tensão ser maior na parte superior (ver figura). Tal com pode ser visto, a parte superior fica com polarização reversa maior (1.5 V). Quanto maior a polarização reversa aplicada, maior a largura da região de depleção. Observe que a corrente de porta, I G = 0 A. (Importante características dos FETs). 10

11 JFET Polarização A corrente de dreno aumenta conforme V DS aumenta. Para valores baixos de V DS a resistência é constante. Para V DS próximo de V P, as regiões de depleção se alargam estreitando o canal (ver figura). A redução na largura do canal causa aumento da resistência do canal (região horizontal da curva). Aumento adicional de V DS causa o surgimento de pinch-off do canal (estrangulamento do canal). Esse valor de V DS é denotado por V P. Observe que na condição de pinch-off a corrente não cai a zero Amps. A corrente de dreno, I D mantém um valor de saturação, I DSS. 11

12 JFET Polarização Para V DS > V P, o JFET comporta-se como uma fonte de corrente. I DSS é a corrente máxima de dreno para a condição V GS = 0 V e V DS > V P. A figura abaixo apresenta o circuito de polarização de um transistor JFET de canal n. Observa-se que para que seja possível o controle da corrente de dreno são necessárias as seguintes condições: VDD > 0 VGG < 0 12

13 JFET Polarização Desta forma temos as seguintes condições: a) LARGURA DO CANAL: depende da tensão V GG, isto é, quanto mais negativa, maior será a região de depleção e portanto, mais estreito o canal. b) TENSÃO DE CORTE (V GScorte ): é a tensão suficiente para desaparecer o canal. c) CORRENTE DE FUGA DA PORTA: Como a junção da porta opera em polarização reversa, tem-se uma corrente reduzida CORRENTE DE DRENO é igual à CORRENTE DA FONTE alta impedância de entrada dos JFET. Observação: Como a polarização reversa entre a porta e a fonte (V GS ) não consome corrente e a largura do canal depende de V GS, o controle de I D é efetivamente feito pela tensão da porta. A tensão V GS é a tensão controladora do JFET (I B para o TBJ) 13 13

14 JFET Polarização Para o JFET canal n, a tensão V GS torna-se mais negativa a partir de V GS = 0 V. Desta forma, o conjunto de características de corrente de dreno pode ser desenhado (ver figura). As tensões negativas de V GS permitem atingir a condição de saturação para valores menores de V DS como se observa na figura. A tensão de pinch-off diminui descrevendo uma parábola. Com V GS = - V P a tensão é negativa ao ponto de estabelecer um nível de corrente de zero Amps (transistor desligado). OBS: O valor de V GS que resulta em I D = 0 A ocorre para V GS = V P (V P negativa para canal n e positiva para canal p). 14

15 JFET Polarização canal P Tensões e correntes invertidas em relação a JFET canal n. 15

16 JFET Curvas de Dreno Há uma equivalência entre corrente de dreno no JFET e corrente de coletor do TBJ, bem como entre a tensão dreno-fonte do JFET e a tensão coletor-emissor do BJT. A região de saturação do JFET também é conhecida como REGIÃO ÔHMICA, pois nesta região a resistência entre dreno e fonte é dependente da tensão de controle da porta. Daí o fato dos transistores FET poderem ser utilizados em circuitos onde se necessita o controle de resistência através de tensão. Ex.: sistema de controle automático de ganho. Uma característica importante do transistor FET é que este apresenta uma tensão V GS de corte igual a tensão V p

17 JFET Curvas de Dreno e Região Ôhmica R DS = V P /I DSS 17 17

18 Curvas de Transferência A relação entre I D e V GS é dada pela equação de Shockley: I V V GS 2 D = IDSS(1 ) Relação não linear. P Para construir a curva de transferência utiliza-se a equação de shockley e as curvas de dreno do JFET. A equação de Schockley pode ser traçada como mostrado a seguir: Projetar os valores de corrente para o eixo das ordenadas, e encontrar o ponto de interseção com a projeção do valor de V GS no eixo negativo das abcissas. V GS = 0 V I D = I DSS V GS = V P, I D = 0 A. 18

19 Curvas de Transferência A mesma curva pode ser traçada estabelecendo valores diferentes para V GS na equação de Shockley e determinando o valor da corrente I D correspondente. Visto que os valores de I DSS e V GS são dados nas folhas de dados, então Bem seja I DSS ou V GS podem ser encontrados um em função do outro. Assim, conhecido o valor de I DSS, pode-se conhecer o valor de V GS : V GS = V p (1 I I D DSS ) Por exemplo, se I D = 4, 5 ma, o valor de V GS = -1V. 19

20 Curvas de Transferência De forma simplificada a curva de transferência pode ser traçada a partir de valores específicos de V GS e I D. Assim, com no máximo quatro valores a curva pode ser traçada. Exemplo: Se V GS é a metade de V P, então I D = I DSS /4. Se I D = I DSS /2, então V GS 0,3 V P. Obs: Para JFET canal P, usar a equação de Schokley com valores positivos de V GS e V P. 20

21 JFET Curva de Transcondutância Tal como visto, a curva de transcondutância relaciona a corrente de saída com a tensão de entrada de um JFET. Através da Equação de Schokley relaciona-se a corrente I D com a tensão V GS, segundo uma relação quadrática: 21 21

22 Exercícios 1) Ultilizando as curvas características da Figura, determine ID para os seguintes valores de V GS (com V DS > V P ): a) V GS = 0V b) V GS = - 1V c) V GS = - 1.5V d) V GS = - 1.8V e) V GS = - 4V f) V GS = - 6V 22 22

23 Exercícios 2) Esboce a curva de transferência definida por I DSS = 12 ma e V P = - 6V. 3) Desenhe a construção básica de um JFET de canal p. 4) Aplique a polarização apropriada entre dreno e fonte e esboce a região de depleção para V GS = 0V