Eletrônica Analógica

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ FACULDADE DE ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO E TELECOMUNICAÇÕES Eletrônica Analógica Transistores de Efeito de Campo Professor Dr. Lamartine Vilar de Souza lvsouza@ufpa.br Belém

2 Avisos Iniciais Os conceitos e textos abordados neste capítulo foram retirados integralmente e textualmente da bibliografia contida no plano de ensino desta disciplina. Estes slides não substituem nem suprem uma leitura detalhada e completa dos assuntos que serão estudados e dos relacionados existentes nas bibliografias sugeridas e em outras referências bibliográficas eventualmente encontradas pelos estudantes. Utilize estes slides APENAS como um direcionador para os seus estudos em livros ou materiais da área.

3 Transistores de Efeito de Campo O transistor de efeito de campo é conhecido como FET (Field Efect Transistor). Existem três tipos de FET, que se diferenciam em alguns aspectos construtivos e por algumas características elétricas:, MOSFET do tipo intensificação/indução e MOSFET do tipo depleção.

4 Transistores de Efeito de Campo FET Transistor TJB FET PNP NPN MOSFET Canal n Canal p Depleção Intensificação Intensificação /Indução Canal n Canal p Canal n Canal p

5 O transistor de efeito de campo de junção () é um dispositivo que permite o controle do fluxo de corrente que circula por um canal pela polarização reversa dos seus terminais de controle. Um é, em geral, composto de um canal feito de material semicondutor do tipo N de fraca dopagem e em cujas extremidades são fixados dois terminais: fonte (S) e dreno (D).

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7 Um possui ainda duas regiões periféricas fortemente dopadas com material semicondutor tipo P, em que são fixadas dois terminais denominados de portas (G). Nas junções dos semicondutores do tipo P com o tipo N formam-se camadas de depleção, como se fossem dois diodos. Como os S são feitos de silício, a tensão de condução das junções, quando polarizadas diretamente, é de, aproximadamente, 0,6 V.

8 O funcionamento do pressupõe a polarização reversa das junções por meio de uma tensão V GS negativa entre as portas G e S.

9 Aplicando-se uma tensão V GS negativa entre as portas G e S, a polarização reversa nas junções aumenta as respectivas camadas de depleção e estreitam o canal, reduzindo o fluxo de corrente entre o dreno e a fonte (D e S).

10 Observe que a camada de depleção é mais acentuada nas proximidades do terminal de dreno (D), porque ele tem um potencial maior que o terminal de fonte (S).

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12 A maioria dos s comerciais é do tipo Canal N com as duas portas G interligadas.

13 Além da polarização reversa das junções por meio de uma tensão V GS negativa entre as portas G e S de um, é necessária a aplicação de uma tensão V DS positiva entre os terminais dreno (D) e fonte (S).

14 A corrente que flui pelo canal N (I D ) é formada unicamente por elétrons e por isso o é considerado um transistor unipolar. O se diferencia do transistor bipolar, pois as correntes elétricas neste último são formadas por elétrons e lacunas.

15 Uma das características fundamentais do é sua elevadíssima impedância de entrada, da ordem de gigaohms. Isto acontece porque a junção porta-fonte é polarizada reversamente, e qualquer tensão V GS produz uma corrente de porta praticamente nula ( ~0). Como consequência, a corrente do dreno é igual a corrente da fonte ( = ).

16 Isto acontece porque a junção porta-fonte é polarizada reversamente, e qualquer tensão V GS produz uma corrente de porta praticamente nula ( ~0). Como consequência, a corrente do dreno é igual a corrente da fonte ( = ).

17 Curva Característica de Saída de um : Esta curva relaciona a corrente de dreno (I D ou I DSS ) com a tensão entre o dreno e a fonte (V DS ) para diversos valores de tensão entre porta e fonte (V GS ). Transistores de Efeito de Campo de Junção

18 Para V GS = 0, a corrente de dreno (I D ou I DSS ) é função apenas da tensão entre o dreno e a fonte (V DS ) e atinge o seu valor máximo conforme mostrado abaixo:

19 Para valores de V GS diferentes de zero e negativos, a corrente de dreno (I D /I DSS ) depende tanto de V GS quanto de V DS, e quanto maior o valor negativo V GS, menor é a corrente I D /I DSS.

20 Principais diferenças entre o e o transistor de junção bipolar (TJB): Transistores de Efeito de Campo de Junção No, a corrente de saída (I D ) é controlada pela tensão de entrada (V GS ), enquanto no TJB, a corrente de saída (I C ) é controlada pela corrente de entrada (I B ); O é muito mais linear que o TJB, pois as curvas de corrente ficam praticamente paralelas com o eixo de V DS.

21 Curva Característica de Saída de um (pinch off estrangulamento) :

22 Curva Característica de Saída de um (pinch off estrangulamento) :

23 Curva Característica de Saída de um (pinch off estrangulamento) : Inicialmente considere a curva em que V GS = 0. De início, a corrente de dreno I D cresce rapidamente até atingir a saturação, que ocorre quando o fluxo de elétrons atinge o seu valor máximo devido ao estrangulamento (pinch off) provocado pelas camadas de deplexão.

24 Curva Característica de Saída de um (pinch off estrangulamento) : A tensão V DS que provoca o estrangulamento é denominada de V P (tensão de pinch off) e a corrente de dreno de saturação é denominada de I DSS.

25 Curva Característica de Saída de um (pinch off estrangulamento) : Para valores de V GS diferentes de zero e negativos ocorre o mesmo, só que com valores de V P menores, conforme a linha de estrangulamento apresentada abaixo.

26 A curva de saturação é limitada por V DSmáx, (ou BV DSS ), do inglês breakdown voltage drain source, pois essa tensão provoca a ruptura das junções do.

27 Curva Característica de Saída de um : A região à esquerda do estrangulamento é denominada de região ôhmica, pois o funciona como uma resistência variável controlada por tensão. A região à direita da linha de estrangulamento é denominada de região de saturação, na qual o funciona como um amplificador.

28 Curva Característica de Saída de um :

29 Curva Característica de Saída de um : O valor mais negativo de V GS é denominado de V GS(off) ou tensão de corte, pois nesse nível de tensão provoca o desligamento do, ou seja, faz com que a corrente do dreno seja praticamente nula (I D 0). O modulo de tensão V GS(off) é igual a V P para qualquer, devido a razões construtivas deste dispositivo, ou seja, = ( )

30 Curva Característica de Saída de um :

31 Potência dissipada (P D ) de um : Esta potência é dada por: = Alguns manuais podem fornecer a potência máxima de dissipação do por meio da especificação P Dmax.

32 Exemplo de Datasheet (LS5906)

33 s

34 Curva de Transcondutância de um :

35 Curva de Transcondutância de um : Informa as especificações de I DSS e V GS(off) = V P. Informa ainda as relações de I D e V GS quiescentes ( em paz ), que correspondem as condições de operação do, dadas pela sua polarização.

36 É possível relacionar I D e I DSS por: = 1 ( )

37 Polarização de um : Para polarizar um deve-se considerar: A tensão V GS deve ser reversa (por quê?); A tensão V DS deve ser menor do que BV DSS (por quê?); O produto de V DS por I D deve ser inferior à potência máxima do dispositivo (por quê?).

38 Polarização de um : R D R G R S

39 Polarização de um (autopolarização): Os valores I D e V GS quiescentes são definidos de acordo com a aplicação do. Algumas aplicações possíveis: chave analógica, porta NAND, porta NOT. Assim, R S pode ser determinado por: = ( ) =

40 Polarização de um (autopolarização): V CC Analisando a malha de saída (a da direita) ao lado, pode-se escrever: I D R D + + = = R G R S

41 Polarização de um (autopolarização): Finalmente, o valor de R G pode ser adotado em função da impedância de entrada desejada para o circuito. Isso acontece porque a impedância do circuito é o equivalente paralelo entre R G impedância de entrada do. e a Como a impedância de entrada do é muito elevada, a impedância de entrada do circuito é exatamente igual a R G. Em geral, adota-se um R G elevado.

42 Pontos de corte e saturação de um A partir da expressão da malha de saída, é possível determinar os ponto de corte e ponto de saturação de um : + + = I D R D R G R S

43 Ponto de corte: Quanto I D = 0, ou seja, Transistores de Efeito de Campo de Junção + + = =

44 Ponto de saturação: Quanto V DS = 0, ou seja, Transistores de Efeito de Campo de Junção + + = = +

45 Daí é possível esboçar a reta de carga (formada pelo ponto de corte e pelo ponto de saturação) e o ponto quiescente Q para qualquer.

46 Atividade: 1) Esboce a reta de carga e o ponto quiescente Q para um que possua = 1,8 10 Ω, =1,2 10 Ω e =12.

47 Transistores de Efeito de Campo FET Transistor TJB FET PNP NPN MOSFET Canal n Canal p Depleção Intensificação Intensificação /Indução Canal n Canal p Canal n Canal p

48 Transistores de Efeito de Campo de Metal Óxido Semicondutor MOSFET Largamente empregado na implementação de circuitos integrados. Permite a construção de circuitos complexos em áreas menores. Possui um baixo consumo de potência. Também é um dispositivo de três terminais: S, G e D (mais comum).

49 Transistores de Efeito de Campo de Metal Óxido Semicondutor MOSFET Principal característica construtiva é possuir um terminal de porta isolado do substrato por uma camada isolante de dióxido de silício (SiO 2 ).

50 Transistores de Efeito de Campo de Metal Óxido Semicondutor MOSFET Este substrato é ligado ao terminal S, e esta conexão é feita internamente.

51 Transistores de Efeito de Campo de Metal Óxido Semicondutor MOSFET Principal característica elétrica é possuir uma impedância de entrada ainda maior que a do, em geral entre e Ω, de modo que a corrente de porta seja praticamente nula.

52 Transistores de Efeito de Campo de Metal Óxido Semicondutor MOSFET Simbologia Possível MOSFET Canal N MOSFET Canal P

53 Transistores de Efeito de Campo de Metal Óxido Semicondutor MOSFET de Intensificação/Indução (tipo N) O substrato consiste de um cristal de silício do tipo P de elevada resistividade, no qual são difundidas duas camadas tipo N de baixa resistividade.

54 Transistores de Efeito de Campo de Metal Óxido Semicondutor MOSFET de Intensificação/Indução (tipo N) Sobre esse conjunto é depositada uma fina camadas de SiO 2 com dois orifícios para a conexão dos terminas S e D diretamente nas regiões tipo N.

55 Transistores de Efeito de Campo de Metal Óxido Semicondutor MOSFET de Intensificação/Indução (tipo N) Observa-se que as duas regiões tipo N estão separadas pelo substrato tipo P, como se existissem dois diodos invertidos conectados em série.

56 Transistores de Efeito de Campo de Metal Óxido Semicondutor MOSFET de Intensificação/Indução (tipo N)

57 Transistores de Efeito de Campo de Metal Óxido Semicondutor MOSFET de Intensificação/Indução (tipo N) Desta forma, qualquer tensão aplicada entre os terminais S e D resulta em uma corrente extremamente baixa. O contato metálico do terminal G, o material isolante e o substrato tipo P formam uma pequena capacitância, cujo dielétrico é a camada de SiO 2.

58 Transistores de Efeito de Campo de Metal Óxido Semicondutor MOSFET de Intensificação/Indução Uma tensão V GS positiva aplicada entre o terminal G e o substrato (o qual está conectado ao terminal S), induz um canal tipo N entre as duas regiões tipo N.

59 Transistores de Efeito de Campo de Metal Óxido Semicondutor MOSFET de Intensificação/Indução Uma tensão V GS corrente entre os terminais D e S (I D ). positiva controla a largura do canal e, consequentemente, a

60 Transistores de Efeito de Campo de Metal Óxido Semicondutor MOSFET de Intensificação/Indução O circuito de polarização do MOSFET de indução não dever ser o de autopolarização do, pois este circuito impõe uma tensão V GS negativa nos terminais G-S.

61 Transistores de Efeito de Campo de Metal Óxido Semicondutor MOSFET de Intensificação/Indução Uma alternativa para o circuito de polarização do MOSFET de indução pode ser a polarização por realimentação do dreno.

62 Transistores de Efeito de Campo de Metal Óxido Semicondutor MOSFET de Intensificação/Indução I D D G S

63 Transistores de Efeito de Campo de Metal Óxido Semicondutor MOSFET de Intensificação/Indução O resistor R G é adotado de acordo com a impedância de entrada. O resistor R D é calculado por: =

64 Transistores de Efeito de Campo de Metal Óxido Semicondutor MOSFET de Depleção A estrutura do MOSFET de depleção é semelhante ao MOSFET de intensificação/indução, com exceção da camada tipo N que já faz conexão entre as regiões de fonte e dreno.

65 Transistores de Efeito de Campo de Metal Óxido Semicondutor MOSFET de Depleção Essa pequena camada permite que haja corrente entre os terminais dreno e fonte, mesmo sem a polarização do terminal porta em relação ao substrato.

66 Transistores de Efeito de Campo de Metal Óxido Semicondutor MOSFET de Depleção Aplicando uma tensão V GS positiva, aumenta o número de elétrons no MOSFET de depleção, aumentando assim a condução entre os terminais porta e dreno. Aplicando uma tensão V GS negativa, diminui o número de elétrons no MOSFET de depleção, diminuindo assim a condução entre os terminais porta e dreno.

67 Transistores de Efeito de Campo de Metal Óxido Semicondutor MOSFET de Depleção O circuito de polarização de um MOSFET de depleção pode ser o mesmo usado para o (circuito de autopolarização). O mais comum é o circuito de polarização com V GS = 0.

68 Transistores de Efeito de Campo de Metal Óxido Semicondutor MOSFET de Depleção O resistor R G é adotado de acordo com a impedância de entrada. O resistor R D é determinado por = I D D G S

69 Transistores de Efeito de Campo de Metal Óxido Semicondutor MOSFET MOSFET de Intensificação/Indução: Em circuitos discretos, aplicados em circuitos de chaveamento de potência, o que significa condução e corte de correntes mais altas; Em circuitos integrados, aplicados na área de chaveamento digital. MOSFET de Depleção: Estágios iniciais de circuitos como amplificadores de RF.

70 Transistores de Efeito de Campo EXERCÍCIOS

71 Transistores de Efeito de Campo Exercícios: 1. Por que a tensão V GS de um precisa ser negativa? 2. É válida a comparação de um com uma torneira? Por quê? 3. É possível a polarização de um MOSFET de intensificação/indução com uma tensão V GS negativa? Por quê? 4. É possível a polarização de um MOSFET de depleção com uma tensão V GS negativa? Por quê?