Instituto Educacional São João da Escócia Colégio Pelicano Curso Técnico de Eletrônica. FET - Transistor de Efeito de Campo

Transcrição

1 1 FET - Transistor de Efeito de Campo Introdução Uma importante classe de transistor são os dispositivos FET (Field Effect Transistor). Transistor de Efeito de Campo. Como nos Transistores de Junção Bipolar (BJT) que são utilizados amplamente em circuitos lineares, existem aplicações nos quais os Transistores Unipolares, os FET, apresentam melhores características. Nos FET o parâmetro de controle é o campo elétrico através da junção. A vantagem importante dos dispositivos de Efeito de Campo é que não precisa haver uma corrente no elemento de controle. Isso resulta em uma impedância de entrada bastante elevada, e uma corrente de fuga bastante baixa, por isso muito utilizado atualmente. A primeira referência foi apresentada numa patente feita em 1930, por Julius Edgar Lilienfeld, um pesquisador ucraniano nascido em 1882 e que imigrou para os EUA na década de 20 do século passado. Sua idéia era controlar a condutividade de um material, por um campo elétrico transversal; mas o sistema proposto por Lilenfeld não funcionaria na prática. O domínio de semicondutores e da física necessária para a construção dos FET só apareceria no início dos anos cinquenta. Há dois tipos principais de FET: JFET - Transistores de Efeito de Campo de Junção (Junction Field Effect Transistor) MOSFET - Transistor de Efeito de Campo de Metal Óxido Semicondutor (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). São amplamente utilizados em: Amplificador de Áudio. Pré-amplificador de Vídeo. Estágios amplificadores de Rádio Frequência. Instrumentos de medições. Chaveamento de cargas. Circuitos digitais. Fontes de Alimentação (Chaveada).

2 2 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 ser baseado no campo elétrico estabelecido pela tensão aplicada no terminal de controle (GATE). O Transistor JFET recebe este nome porque é um transistor FET de Junção. A figura acima apresenta um JFET de Canal N e Canal P e tem as seguintes partes constituintes: FONTE: (SOURCE) fornece os elétrons livres DRENO: (DRAIN) drena os elétrons, PORTA: (GATE) controla a largura do canal, controlando o fluxo dos elétrons entre a fonte e o dreno. Ainda observando a figura acima, a seta apontando para dentro representa uma junção pn de um diodo. 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. Características do FET Controle por Tensão: a corrente entre o dreno e a fonte é controlada pela tensão aplicada na porta. No caso do transistor BJT, a corrente de coletor é controlada pela corrente de base. Alta Impedância de Entrada: para que seja possível o controle de corrente do canal n é necessário que se produza uma polarização reversa na junção da porta, circulando apenas uma corrente de fuga, provocando desta forma um aumento na região de depleção e um estreitamento do canal; com isto, têm-se baixas correntes de porta e consequentemente a alta impedância. Já nos BJT, ocorre o inverso, ou seja, baixa impedância devido a junção PN ser polarizada diretamente.

3 3 Outras Características: os transistores JFET apresentam menores ganhos em relação aos transistores BJT, em decorrência disto, apresentam maior estabilidade térmica, maior imunidade a ruídos e dimensões menores quando comparados com os transistores BJT. Princípio de Funcionamento e Construção do JFET Podemos fazer uma analogia entre os FET e os BJT em alguns aspectos. As figuras acima comparam o JFET (a) com o BJT (b) Nos BJTs, existem dois tipos de transistores, os NPN e PNP. Já nos FET os dois tipos são Canal N e Canal P.

4 4 Estrutura A estrutura do JFET consiste numa barra de material semicondutor N (ou P) e nas laterais é aplicado material oposto. A região central é chamada de Canal por onde flui a corrente a ser controlada. Observe na figura ao lado (Canal N), que a maior parte da estrutura é composta do material do tipo N, formando o canal entre as camadas imersas de material do tipo P. A parte superior do canal do tipo N está conectado ao terminal denominado DRENO (D), enquanto que a parte inferior do mesmo material está conectada ao terminal denominado FONTE (S). Os dois materiais tipo P estão ligados entre si e ao terminal PORTA (G). Em resumo, o DRENO e a FONTE estão conectados aos extremos do canal N e a porta às duas camadas do material do tipo P. Portanto, deverá haver um fluxo de elétrons da FONTE (S) para o DRENO (D), onde este por sua vez através de um potencial aplicado deverá ser controlado pela PORTA (G). No instante em que uma tensão VDD=VDS é aplicada (conforme figura abaixo), os elétrons fluem para o terminal de DRENO, estabelecendo uma corrente convencional ID. O caminho do fluxo de cargas revela claramente que as correntes de DRENO e FONTE são equivalentes, ou seja, ID= IS. É importante observar que a região de depleção é mais larga na parte superior, em ambos os materiais do tipo P. Isto ocorre pelo fato de ter-se a região superior do material tipo P reversamente polarizado, e a região inferior do material tipo P encontra-se diretamente polarizado. (Lembre-se que a polarização reversa tende a aumentar a região de depleção e a polarização direta tende a diminuir a região de depleção). Conforme a tensão VDS tende a aumentar de 0V para alguns volts, a corrente aumenta como previsto pela lei de Ohm. Quando VDS atingir um determinado valor definido por VP, as regiões de depleção tendem a se alargar, provocando uma redução na largura do canal, acarretando em um aumento na resistência do canal.

5 5 Vp (Pinch Off) é a tensão pinçamento a qual resulta no estrangulamento do canal. Para valores de VDS a um nível onde as duas regiões de depleção tendem a se tocar, resulta na condição de pinchoff (tensão de constrição ou pinçamento ), tensão VDS esta que estabelece o estrangulamento do canal. Na verdade o termo de pinch-off é inapropriado, sugerindo que a corrente caia a zero, entretanto ID mantém um nível de saturação definido por IDSS (Corrente Dreno Source de Saturação), onde na verdade ainda existe um canal muito estreito, com uma corrente de altíssima densidade. A medida que a tensão VDS é aumentada, a região de confronto entre as duas regiões de depleção aumenta em comprimento ao longo do canal, mas o nível de corrente ID tende a aumentar além do nível Vp que permanece essencialmente o mesmo. Em resumo, portanto, uma vez estabelecido VDS > VP, o JFET apresenta as características de uma fonte de corrente. Portanto a corrente permanece constante em ID= IDSS, mas a tensão VDS (para níveis > VP) será determinada pela carga empregada. IDSS é a corrente máxima de dreno para um JFET e é definido pela condição VGS=0 e VDS>VP.

6 6 Curva de Transferência do JFET: Primeiramente devemos saber quais são os parâmetros mais importantes na modelagem de um JFET fornecidos pelos fabricantes. - IDSS : corrente DRENO e FONTE de saturação, valor máximo que o JFET pode gerar, limite. - VGS : tensão entre GATE e FONTE - VP ou VGS(corte): pinch off, tensão de constrição, pinçamento ou de estrangulamento. Com posse destes dados, podemos calcular a Curva de Transferência de um JFET que é representado pelo da ID versus VGS. A curva será a mesma para qualquer tipo de JFET, apenas mudam-se os níveis de dopagem, as regiões dopadas, corrente e tensão de trabalho. O gráfico pode ser gerado a partir da equação de Shockley, alguns fabricantes já disponibilizam a curva em seus manuais técnicos: e/ou A tensão da PORTA para a FONTE, denotada por VGS, é a tensão controladora do JFET. Para o dispositivo de canal N, a tensão controladora VGS é feita cada vez mais negativa, a partir de VGS=0V. Ou seja, o terminal de PORTA estará com tensão menor comparada a FONTE. A polarização negativa estabelece regiões de depleção semelhante àquelas obtidas com VGS = 0V, mas com níveis menores de VDS. Portanto, o resultado da aplicação de uma fonte negativa na porta é alcançar a condição de saturação em níveis menores de tensão VDS. Quanto mais negativos forem os valores da fonte VGS, maior o estrangulamento do canal. O nível de VGS que resulta em ID = 0 ma é definido por VGS = Vp, com Vp sendo uma tensão negativa para dispositivos de canal N, e uma tensão positiva para JFETs de canal P.

7 7 Note que se obtêm diferentes valores de ID para diferentes valores de VGS. O JFET apresenta inicialmente uma região ôhmica de polarização das junções até o valor de Vp. Em seguida um patamar estável ou de saturação que representa a região ativa, onde o JFET é comumente utilizado. Por último a região de ruptura, a qual excede os limites de tensão de trabalho do componente. Na região ôhmica o JFET funciona como um resistor variável em função da tensão e corrente aplicada nos terminais. Nesta região VDS e ID estão relacionados pela lei de Ohm: RDS = VP / IDSS Com esta equação podemos calcular a corrente de dreno dada, a corrente de dreno máxima, a tensão de corte porta-fonte e a tensão da porta. A curva pode ser útil para aproximações rápidas. Segue um exemplo de curva: a corrente de dreno ID máxima é 10mA e a tensão de corte porta-fonte VGS é de -4V.

8 8 Um outro tipo representação gráfica mais completa (abaixo) mostra as curva (ID x VGS) e (ID x VDS)