DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS

Universidade Federal do Piauí Centro de Tecnologia Curso de Engenharia Elétrica DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS Transistores de Efeito de Campo - Parte I - JFETs Prof. Marcos Zurita zurita@ufpi.edu.br www.ufpi.br/zurita Teresina - 2012

Sumário 1. Introdução 2. O Transistor JFET 3. Características do JFET 4. Regiões de Operação 5. Curva de Transferência 6. Polarização do JFET Bibliografia 2

1. Introdução 3

Introdução Transistores de Efeito de Campo (FET) FET Field Effect Transistor São dispositivos cuja corrente entre dois pinos pode ser controlada através da tensão em um terceiro pino. Os mais populares membros I da família de transistores FET são os MOSFETs. Terminal de Outro tipo de FET é o JFET, controle FET que, por sua simplicidade, será abordado inicialmente. V 4

Introdução Transistores FET em diferentes encapsulamentos 5

2. O Transistor JFET 6

O Transistor JFET JFET: Transistor de Efeito de Campo de Junção (do inglês, Junction Field Effect Transistor); Formado pela associação entre SCs tipo p e n, sendo um deles fortemente dopado. Dreno / Drain (D) Basicamente composto por: um canal SC responsável pela condução de corrente entre dois terminais (Fonte e Dreno); um mecanismo de controle do canal, operado por um terceiro terminal (Porta). Região de depleção Porta / Gate (G) Há dois tipos de JFETs: JFET canal n; p+ n p+ Canal n Fonte / Source (S) JFET canal p. 7

O Transistor JFET Estrutura básica do JFET canal n e canal p Dreno / Drain (D) Dreno / Drain (D) Região de depleção Porta / Gate (G) p+ n Região de depleção Porta / Gate (G) p+ n+ Canal n Fonte / Source (S) p n+ Canal p Fonte / Source (S) p+ e n+: regiões p e n fortemente dopadas ( 1018/cm3). Como o gate é muito mais fortemente dopado que o canal, a região de depleção estende-se quase que totalmente no lado do canal (vide Eq. 2.12). 8

O Transistor JFET Embora o dispositivo seja simétrico é conveniente haver uma distinção entre os terminais conectados ao canal: Terminal Fonte (S Source): de onde partem os elétrons num JFET canal n ( fonte de elétrons). Conectado ao Dreno (D) Terminal Dreno (D Drain): destino dos elétrons num JFET canal n. Comumente conectado ao dissipador térmico em dispositivos que o possuem; Simbologia: S G S S G G D S D JFET canal n G D D JFET canal p 9

3. Características do JFET 10

Características do JFET Admita um JFET canal n, polarizado por uma fonte de tensão vds (entre D e S) e outra vgs (entre G e S). Análise para vgs = 0V e vds 0V Como v GS = 0V, a junção entre o gate e o canal fica reversamente polarizada para qualquer valor positivo de vds. Ao aplicar v DS > 0V, uma corrente de elétrons fluirá do terminal fonte para o dreno, através do canal, limitada por sua resistência. D Região de depleção VDS n p+ p+ G VGS S 11

Características do JFET Se a tensão vds for suficientemente pequena, a região de depleção pode ser desprezada e a largura do canal assumida como a distância entre as regiões de gate (2a). Nessas condições, a resistência do canal pode ser obtida a partir da Eq. 1.23 como sendo: ro = L 1 L 1 = = A A q n N D L 2 a W 2a Logo, a corrente através do canal (ids) será dada por: W ou seja: I DS =v DS / r 0 I DS = 2 a W q n N D v DS L L (Eq. 6.1) x z y 12

Características do JFET Enquanto vds permanecer suficientemente baixo, a corrente através do canal aumentará linearmente, conforme previsto pela lei de Ohm através da Eq. 6.1. Entretanto, à medida que vds se aproxima de um dado valor (VP), o tamanho da região de depleção torna-se cada vez mais significativa. A largura da região de depleção dependerá da ddp entre o gate (0V, neste caso) e o canal, que, conforme a teoria de semicondutores (Eq. 2.45), é dada por: onde, 2 N A N D W deplecao= V 0 V q N A ND juncao V juncao =vgs V canal x, y (Eq. 6.2) (Eq. 6.3) 13

Características do JFET Entretanto, essa ddp (Eq. 6.3) não é constante ao longo do canal, visto que vds está distribuída entre o terminal fonte e o dreno. Isto provocará uma distorção da região de depleção, cuja largura crescerá ao longo do canal comforme a distância até o dreno (onde a ddp é maior) diminui. Naturalmente, esse aumento da região de depleção reduzirá a área do canal (2aW), aumentando a sua resistência. 14

Características do JFET A partir vds = VP a região de depleção aumenta a ponto de estrangular o canal e corrente através dele praticamente não cresce mais com o aumento de vds. Corrente Máxima de Dreno (IDSS) - ou corrente vds de saturação: é a corrente ids do JFET obtida quando vgs = 0V e vds = VP. A corrente ids de saturação (IDSS) de um JFET pode ser calculada a partir da Eq. 6.1, fazendo vds = VP, ou seja: W I DSS = 2 a q N D n V P L (Eq. 6.4) 15

Características do JFET Tensão de Pinch-off (VP) ou tensão de estrangulamento: mínima tesão entre o dreno e o fonte capaz de provocar o estrangulamento do canal de um JFET. Para vds > VP a corrente através do canal virtualmente não cresce mais, pois fluxo de portadores atinge seu valor máximo (satura) em vds = VP. Para valores de vds suficientemente elevados acima de VP, ocorre um aumento abrupto na corrente ids. Tensão de Ruptura (VDSmax ou BVDSS) tensão vds a partir da qual ocorre a ruptura do canal do JFET. Na ruptura, ids é limitada unicamente pelo circuito externo ao JFET, podendo ocasionar sua queima. 16

Características do JFET Curva id-vds do JFET para vgs = 0 pinch-off Ruptura Nível de saturação IDSS Aumento da resistência devido ao estreitamento do canal Resistência do canal n 0 VP VDSmax 17

Características do JFET Análise para vgs < 0V e vds > 0V Ao se aplicar uma tensão negativa em v GS, a região de depleção crescerá de maneira semelhante a análise D anterior (com vgs = 0V), porém, VGS = -4V para valores menores de vds. VGS = -2V VGS = -1V De fato, mesmo se v fosse DS VGS = 0V fixado em um valor positivo, G p+ p+ G seria possível modular a largura do canal unicamente VDS = 10V através de vgs. n Dessa forma, quanto mais S negativo for vgs, mais estreito será o canal e menor será sua capacidade de condução de corrente. 18

Características do JFET Consequentemente, a saturação será atingida para valores tanto menores de vds quanto mais negativa for a tensão de gate. Se vgs tornar-se negativo o bastante o canal será completamente estrangulado, levando o valor da corrente de saturação a zero para qualquer valor de vds. Tensão de Corte (VGS(desligado) ou VGS(off)): é o valor de vgs para o qual o canal torna-se completamente estrangulado. Corresponde, em módulo, a VP. Na condição de corte ( vgs = VP), o JFET comporta-se de forma semelhante a uma chave aberta (ou desligada). 19

Características do JFET Curvas ID-VDS do JFET para VGS 0 VGS = 0 V IDSS -VGS1 -VGS2 -VGS3 -VGS4 -VGS5 0 VP -VGS = VP 20

4. Regiões de Operação 21

Regiões de Operação Conforme os valores de vds e vgs, é possível estabelecer em que região de operação o JFET se encontra: I - Região Ôhmica: II - Região de Saturação: -VP vgs 0 e vds VP - vgs I II III - Região de Corte: Linha de estrangulamento (Lugar geométrico dos valores de pinch-off) -VP < vgs 0 e vds VP - vgs VGS = 0 V -VGS1 vgs -VP -VGS2 IV - Região de Ruptura: vds > VDSmax IV -VGS3 -VGS4 -VGS5 III 22

Regiões de Operação Características vds-ids de um JFET canal n Região Ôhmica (-VP < vgs 0 e vds VP - vgs) Também conhecida como Região de Triodo. A corrente de dreno nesta região pode ser expressa em função da corrente de saturação (IDSS) como sendo: i D= I DSS [ ] v GS 2 1 VP v DS v DS V P VP 2 (Eq. 6.5) Uma aproximação alternativa e mais simplificada pode ser definida com base na Eq. 6.1, como: i D= I DS v GS 1 VP (Eq. 6.6) 23

Regiões de Operação Na região de triodo o JFET comporta-se como um resistor controlado por tensão, cuja resistência é tanto maior quanto maior for vgs. Uma aproximação da resistência entre os terminais de dreno e fonte na região de triodo é dada por: r d= ro (Eq. 6.7) 2 1 v GS /V P Onde ro é a resistência do canal para vgs = 0, que, conforme visto anteriormente pode ser expresso por: [ W r o= 2 a q n N D L 1 ] (Eq. 6.8) 24

Regiões de Operação Região de Saturação (-VP vgs 0 e vds VP - vgs) Também conhecida como Região de Amplificação. A corrente de dreno nesta região pode ser expressa em função da corrente de saturação (IDSS) através da equação de Shockley: 2 i D= I DSS vgs 1 1 v DS VP (Eq. 6.9) Onde λ é o parâmetro de inclinação da curva da corrente de dreno na região de saturação, sendo definida como o inverso da Tensão Early (VA). Uma simplificação da Eq. 6.9 pode ser obtida desprezando-se o termo (1+λvDS), o que corresponde a assumir que o crescimento de ID após a saturação é desprezível. 25

Regiões de Operação Tensão de Early (VA): graficamente, corresponde ao ponto de interseção com o eixo VDS das projeções das curvas das correntes de dreno na região de saturação. -VA = -1/λ 26

Polarização do JFET Alternativamente, a resistência ro definida anteriormente pode ser calculada na região de saturação através da tensão de Early: V A r o= id (Eq. 6.10) É possível deduzir, a partir da simplificação da Eq. 6.9, a equação da tensão de gate em função da corrente de dreno: v GS =V P id 1 I DSS (Eq. 6.11) 27

Regiões de Operação Região de Corte (vgs -VP) Nesta região o JFET comporta-se como uma chave aberta para qualquer valor de vds, logo: i D=0 (Eq. 6.12) Região de Ruptura (vds > VDSmax): Esta não é propriamente uma região de operação desejável, pois pode causar a queima do componente. Nesta região a corrente de dreno é limitada unicamente pelo circuito externo ao transistor, logo não é possível estabelecer uma equação geral para ela. 28

5. Curva de Transferência 29

Curva de Transferência Curva de transferência: relaciona diretamente a corrente de dreno (ids) à tensão de controle do JFET (vgs). Pode ser obtida a partir da eq. de Shockley (Eq. 6.9) ou das curvas id-vds. 30

Curva de Transferência A curva de transferência evidencia dois importantes parâmetros do JFET: IDSS: interseção da curva com o eixo vertical (ID). V : interseção da curva com o eixo horizontal (v P GS). Além disso, ela também permite a determinação do ponto de operação do JFET em um circuito, pelo do método gráfico. Esboço da Curva de Transferência Pode ser feito com o auxílio da tabela abaixo obtida a partir da Eq. 6.9: ID vgs IDSS 0 IDSS/2 0,3 VP IDSS/4 0,5 VP 0 VP 31

Curva de Transferência Ex: Esboce a curva de transferência para JFET de canal n, com IDSS = 12mA e VP = -6V. Sol: P/ ID = IDSS vgs = 0 ID = 12mA vgs = 0V P/ ID = IDSS/2 vgs = 0,3VP ID = 6mA vgs = -1,8V P/ ID = IDSS/4 vgs = 0,5VP ID = 3mA vgs = -3V P/ ID = 0 vgs = VP ID = 0mA vgs = -6V 32

Curva de Transferência Ex: Esboce a curva de transferência para JFET de canal p, com IDSS = 4mA e VP = 3V. Sol: P/ ID = IDSS vgs = 0 ID = 4mA vgs = 0V P/ ID = IDSS/2 vgs = 0,3VP ID = 2mA vgs = 0,9V P/ ID = IDSS/4 vgs = 0,5VP ID = 1mA vgs = 1,5V P/ ID = 0 vgs = VP ID = 0mA vgs = 3V 33

6. Polarização do JFET 34

Polarização do JFET O projeto e a análise de circuitos envolvendo JFETs parte da determinação dos parâmetros de operação do componente. Tais parâmetros dependem do circuito a sua volta e da polarização por ele imposta. Podemos definir 5 tipos básicos de polarização do JFET: Polarização Fixa; Autopolarização; Polarização por Divisor de Tensão; Polarização por Fonte de Corrente; Polarização por Duas Fontes. Os três primeiros tipos (mais elementares) serão abordados neste capítulo. 35

Polarização do JFET Algorítimo de Determinação da Polarização De maneira geral, a solução de qualquer uma das configurações de polarização parte da determinação da equação da tensão de controle do JFET, isto é, vgs. Conhecida a equação de vgs, o passo seguinte é a escolha de um dos dois métodos básicos de resolução: Método matemático: consiste em aplicar a equação de vgs na equação de Shockley e soluciona-la. Para algumas configurações pode não haver resolução analítica. Método gráfico: consiste em traçar a curva característica do circuito de polarização diretamente sobre a curva de transferência do JFET. O ponto de operação é então determinado pela interseção entre as curvas. 36

Polarização do JFET Polarização Fixa Caracteriza-se pela presença de uma fonte DC fixa dedicada a polarização do gate. É tipo mais simples de polarização do JFET. Pode ser solucionada tanto pelo método matemático quanto pelo método gráfico (curva de transferência). 37 36

Polarização do JFET Uma vez que os capacitores são 'circuitos abertos' em análise DC, podemos eliminá-los do circuito para determinar a polarização. A determinação da eq. de vgs, pode ser feita através da análise de malha: V G G RG i G v GS =0 mas ig = 0, logo: V G G v GS =0 ou seja: v GS = V G G (Eq. 6.13) 38

Polarização do JFET A Eq. 6.13 sugere que, para a análise da polarização, o circuito dado equivale a um onde a fonte VGG é diretamente conectada ao gate. A solução matemática pode ser encontrada simplesmente aplicando a Eq. 6.13 à Eq. de Shockley, que, desprezando λ torna-se: i D= I DSS vg G 1 VP 2 (Eq. 6.14) 39

Polarização do JFET A solução gráfica parte da determinação da curva de transferência do JFET em questão, que pode ser esboçada através do método exposto na página 31. Com a curva de transferência traçada basta traçar sobre ela Reta a curva de vgs (Eq. 6.13), que, VGS = -VGG neste caso é simplesmente uma reta vertical em vgs = -VGG. Ponto Q A interseção entre as curvas idq determina o ponto de operação do JFET, também chamado de ponto quiescente (Q). A partir do ponto Q encontra -VGG -se o valor de idq. 40

Polarização do JFET Ex.: Determine idq, vgsq e vd para o circuito abaixo. 41

Polarização do JFET Sol.: v GSQ= V G G = 2V Ponto Q 42

Polarização do JFET Autopolarização Elimina a necessidade de uma fonte dedicada à polarização do gate. Polarização através da tensão sobre o resistor RS. vgs torna-se uma função da corrente de saída id, e da resistência RS. 43 42

Polarização do JFET Assim como na análise anterior, podemos eliminar os capacitores do circuito para determinar a polarização. A determinação da eq. de vgs, pode ser feita através da análise de malha: RG i G vgs R S i S =0 mas ig=0 e is =id, logo: v GS = RS i D (Eq. 6.15) 44

Polarização do JFET Conforme a Eq. 6.15, a análise da polarização nesta configuração pode ser feita assumindo um circuito equivalente cujo gate é diretamente ligado ao terra. A solução matemática pode ser encontrada substituindo a Eq. 6.15 na equação de Shockley, resultando em: i D= I DSS RS i D 1 VP 2 (Eq. 6.16) A manipulação algébrica desta equação resulta em: 2 i D K 1 i D K 2=0 (Eq. 6.17) 45

Polarização do JFET onde os termos K1 e K2 são dados por: K 1 =V P 2 I DSS RS V P I DSS R 2 S 2 VP K 2= RS (Eq. 6.18) (Eq. 6.19) Naturalmente, a resolução da Eq. 4.17 resulta em duas raízes possíveis para id. A solução válida (idq) é sempre a raiz de menor magnitude. Uma vez determinada a corrente de dreno quiescente (idq) basta inseri-la na Eq. 6.15 para determinar a tensão de gate quiescente (vgsq). 46

Polarização do JFET A resolução pelo método gráfico, consiste simplesmente em traçar a curva de vgs sobre a curva de transferência do JFET, previamente esboçada. A eq. de vgs neste caso é uma reta (Eq. 6.15), cuja inclinação é dada por RS. Reta Para traça-la basta a VGS = -RSiD determinação de 2 idq pontos: Ponto Q i D = 0 vgs = 0 i D = iarbitrário vgs = RS.iarbitrário vgsq 47

Polarização do JFET Ex.: Determine idq, vgsq e vd para o circuito abaixo. 48

Polarização do JFET Sol.: Arbitrando id = 8 ma e aplicando-se o valor de RS = 1 kω na Eq. 6.15 encontra-se vgs = -8 V e a reta de autopolarização pode então ser traçada: Reta vgs = 1 103iD 49

Polarização do JFET A determinação do ponto quiescente pode então ser feita pela interseção da reta de autopolarização com a reta de carga do JFET: v GSQ= 2,6V i DQ=2,6 ma v D=V DD R D i DQ v D=20V 3,3 103 2,6 10 3 v D=11,42 V 50

Polarização do JFET Polarização por Divisor de Tensão Caracteriza-se por fixar a polarização do gate sem a necessidade de uma fonte dedicada e de forma mais independente dos parâmetros de saída do JFET. Através dessa configuração é possível ajustar o ponto de operação do JFET sem variar a resistência RS, como ocorre na autopolarização. 51

Polarização do JFET Eliminando os capacitores para a análise de polarização, pode-se determinar vg diretamente através do divisor de tensão formado por R1 e R2, ou seja: v G =V DD R2 R1 R2 (Eq. 6.20) Por outro lado, vgs é dado por: v GS =vg v S logo: v GS =vg R S i D (Eq. 6.21) 52

Polarização do JFET O procedimento para determinar o ponto de operação deste tipo de circuito de polarização é muito semelhante ao da autopolarização, com a diferença que neste caso a reta de polarização (Eq. 6.21) não parte mais da origem dos eixos e sim do ponto id = 0, vgs = vg. Outro ponto notável da reta descrita pela Eq. 6.21 pode ser obtido fazendo-se vgs = 0, o que resulta em id = vg /RS. 53

Polarização do JFET A corrente de dreno pode ser reduzida ou aumentada conforme se aumenta ou diminui os valores de RS. Aumentando os valores de RS 54

Polarização do JFET Ex.: Determine ID, VGSQ e VD para o circuito abaixo. 55

Polarização do JFET Sol.: Resolução pelo método gráfico. 56

Polarização do JFET Tipo de Polarização Configuração Principais Equações Solução Gráfica Fixa v GS = V G G Autopolarização v GS =R S i D Divisor de Tensão v GS =vg R S i D v G =V DD R2 R1 R2 57

Bibliografia Adel S. Sedra, Kenneth C. Smith, Microeletrônica, 5ª Edição, Pearson, 2007. Behzad Razavi, Fundamentos de Microeletrônica, 1º Edição, LTC, 2010. Robert L. Boylestad, Louis Nashelsky, Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos, 8º Edição, Prentice Hall, 2004. David Comer, Donald Comer, Fundamentos de Projeto de Circuitos Eletrônicos, LTC, 2005. Jimmie J. Cathey, Dispositivos e Circuitos Eletrônicos, 2ª Ed., Coleção Schaum, Bookman, 2003. 58