Transistor de Efeito de Campo de Junção - JFET Prof. Dr. Ulisses Chemin Netto (ucnetto@utfpr.edu.br) 11 de Novembro de 2015
Objetivo da Aula Conhecer a estrutura e operação do Transistor de efeito de campo de junção. 2
Conteúdo Programático Estrutura do JFET; Funcionamento; Curva Característica de saída. 3
Construção de Conhecimento esperado Familiarizar-se com as características estruturais e operacionais do transistor de efeito de campo de junção (JFET). 4
Divisão dos Transistores Transistor Bipolar Unipolar NPN PNP JFET Tipo de portador majoritário Canal N Canal P Junction Field-Effect Transistor 5
Principal Diferença entre Transistores Bipolar Dois tipos de portadores envolvidos no processo de condução de corrente; Elétrons e Lacunas. Unipolar Um único tipo de portador envolvido no processo de condução de corrente; Elétrons para o JFET de canal n; Lacunas para o JFET de canal p. 6
Principal Diferença entre Transistores O TBJ é controlado por corrente (I B ); I C =f(i B ); O JFET é controlado por tensão (V GS ); I D =F(V GS ). 7
Principal Diferença entre Transistores A corrente de saída depende de um parâmetro da entrada 8
Principal Diferença entre Transistores O JFET possui uma impedância de entrada elevada; Valor típico com ordem de grandeza de M ; O ganho de tensão CA é menor do que aquele obtido com o TBJ; Variação da corrente de saída é maior no TBJ. Em função da impedância de entrada elevada. Menos suscetível a variações de temperatura do que o TBJ; Menores dimensões em relação ao TBJ mais adequado para construção de Circuitos Integrados. 9
Sugestão de Aplicação Usa-se TBJ para grandes ganhos de tensão; Usa-se JFETS para altas impedâncias de entrada; Desenvolvimento de amplificadores de múltiplos estágios combinando os dois tipos de transistores. JFET no primeiro estágio alta impedância de entrada; TBJ, como Emissor-Comum, no segundo estágio alto ganho de tensão. 10
Similaridades entre transistores Elemento com três terminais; Regiões análogas (emissor, base e coletor com fonte, porta e dreno). Aplicado para amplificação de sinais; Construído com materiais do tipo n e p; Aplicado como chave. 11
Similaridades entre transistores Analogia entre os Terminais do TBJ e do JFET TBJ E B C I E I B I C JFET S G D I S I G I D O conhecimento construído para o TBJ será aplicado ao JFET. 12
Construção do JFET Características iniciais Há dois tipos de JFETS: de canal n; de canal p. JFETs têm três terminais: O Dreno Drain (D) e a Fonte Source (S) são conectados pelo canal n; A porta gate (G) é conectada ao material do tipo p. 13
Construção do JFET Ideia inicial Pedaço de material tipo n; Extermidade superior: Dreno (Drain); Extermidade inferior: Fonte (Source); A tensão V DD força os elétrons a fluírem da Fonte para o Dreno através do canal de material do tipo n. Não se trata de um JFET ainda e sim do primeiro passo para construção de um. 14
Construção do JFET JFET canal n A maior parte do material é do tipo n; O material do tipo n forma o canal entre os materiais do tipo p e possui dopagem inferior ao material do tipo p; Os materiais do tipo p estão conectados entre si e ao terminal Porta (G); Na ausência de potencial aplicado, o JFET possui duas junções p-n não polarizadas duas regiões de depleção similares àquela do diodo. 15
Construção do JFET JFET canal p Dreno Porta (Gain) n p n Fonte (Source) 16
Construção do JFET Tensões importantes: V DS Tensão entre dreno e fonte; V GS Tensão aplicada entre a porta e a fonte. 17
Construção do JFET Dreno - terminal a partir do qual os portadores majoritários saem. A corrente no sentido convencional que entra é designada por I D. A tensão V DS é positiva se o potencial em D é mais positivo que S. 18
Construção do JFET Porta - Em ambos os lados do canal N, (no caso do JFET canal N), são dispostas duas regiões fortemente dopadas por impurezas aceitadoras (material tipo P). É aplicada uma tensão V GS para polarizar reversamente a junção pn entre as regiões de porta e fonte. Controle da corrente I D 19
Construção do JFET Fonte - terminal em que a corrente devida aos portadores majoritários (elétrons) penetra no canal. Designada por I S. 20
Construção do JFET Analogia para o mecanismo de controle do JFET: Fonte: Pressão d água comparada a tensão aplicada entre o dreno e a fonte (V DS ); Fluxo de água = fluxo de elétrons a partir da fonte em direção ao dreno; Porta controla o fluxo de elétrons por meio de um sinal de controle (V GS ) para o dreno. 21
Efeito de Campo Significado: O caminho de circulação de corrente I D é controlado pela tensão V GS ; Essa tensão modifica a largura do canal n; O campo elétrico estabelecido entre a junção do material p e n; 22
Construção do JFET Símbolo: Canal n Canal p 23
Análise do JFET Considerando V GS = 0V e V DS > 0 p n p 24
Análise do JFET Considerando V GS = 0V e V DS > 0 Fluxo de elétrons (portadores majoritários) induzidos por V DS da fonte para o dreno; Dreno i D Alteração forçada da zona de depleção; p n p Estabelece o sentido convencional de corrente; I D =I S. Fonte S i S 25
Análise do JFET Considerando V GS = 0V e V DS > 0 i D Dreno Aumentando V DS, aumenta-se a zona de depleção. A região de depleção é mais larga na parte superior do material p; p n p Por qual razão a zona de depleção se modifica? Fonte S i S 26
Análise do JFET Considerando V GS = 0V e V DS > 0 Considerar a resistência do canal n uniforme; A corrente I D estabelece quedas de tensão ao longo do canal Distribuição de tensões ao longo do canal; A região de depleção varia de acordo com a tensão reversa aplicada (maior tensão aumento da região de depleção); 27
Análise do JFET Considerando V GS = 0V e V DS > 0 Como a junção pn porta-fonte está reversamente polarizada, a corrente de porta é igual a zero (I G =0); 28
Análise do JFET Considerando V GS = 0V e V DS > 0 Se V GS = 0 V e V DS aumenta continuamente para uma tensão mais positiva, um ponto é alcançado onde a região de depleção fica tão grande que estrangula o canal. Isso sugere que a corrente no canal (I D ) cai para 0 A, mas isso não acontece: à medida que a V DS aumenta, a I D também aumenta. Entretanto, uma vez que o pinch-off ocorre, aumentos subsequentes na V DS não fazem com que a I D aumente. 29
Análise do JFET Considerando V GS = 0V e V DS > 0 No ponto do pinch-off: o Qualquer aumento adicional da V DS não produz nenhum aumento na I D. No pinch-off, a V DS recebe o nome de V p. o A I D está em saturação ou em seu valor máximo, e é referida como I DSS.. Corrente máxima de dreno quando V GS = 0V e V DS > V P 30
Análise do JFET Considerando V GS = 0V e V DS > 0 Ou seja, para V DS > V P o JFET se comporta como uma fonte de corrente; I D =I DSS V DS é determinada pela carga. 31
Análise do JFET Considerando V GS < 0V e V DS > 0 À medida que a V GS se torna mais negativa, a região de depleção aumenta. 32
Análise do JFET Considerando V GS < 0V e V DS > 0 33
Análise do JFET Considerando V GS < 0V e V DS > 0 A medida que V GS se torna mais negativa o JFET irá saturar para valores menores de V DS ; O valor de I DSS irá diminuir conforme V GS se torne mais negativa; O valor de pinch-off diminui e passa a descrever uma parábola conforme V GS se torne mais negativa; Quando V GS = V P a saturação será, basicamente, I D = I DSS = 0mA JFET desligado. 34
Análise do JFET Considerando V GS < 0V e V DS > 0 Em resumo: O valor de V GS que resulta em I D = 0mA é definido por V GS =V P, sendo V P uma tensão negativa para dispositivos de canal n e uma tensão positiva para JFETS de canal p. 35
Análise do JFET Considerando V GS < 0V e V DS > 0 Região ôhmica: Nessa região o JFET se comporta como um resistor variável controlado pela tensão V GS ; A inclinação de cada curva e portanto a resistência do dispositivo entre dreno e fonte para V DS < V P é função de V GS ; Conforme V GS se torna mais negativa, a inclinação da curva se torna mais horizontal, correspondendo a um aumento de resistência. 36
Análise do JFET 37
Análise do JFET JFET de canal p O JFET de canal p se comporta da mesma forma que o JFET de canal n. A diferenças são que as polaridadades de tensão e as direções das correntes são reversas. 38
Análise do JFET JFET de canal p À medida que a V GS se torna mais positiva: A região de depleção aumenta, e a I D diminui (I D < I DSS ). A I D cai, por fim, a 0 A (quando V GS = V GSoff ) Observe também que a altos níveis de V DS o JFET atinge uma situação de ruptura: a I D aumenta incontrolavelmente se V DS > V DSmáx. 39
Análise do JFET Resumo para o JFET de canal n: A corrente máxima é definida por I DSS e ocorre quando V GS =0V e V DS V P ; Para tensões V GS menores do que o valor de pinchoff, a corrente de dreno I D = 0A; Para todos os valores de V GS entre 0V e o valor de pinch-off, a corrente I D irá variar entre I DSS e 0A. 40
Análise do JFET As características de transferência de entrada a saída do JFET não são tão simples quanto as do TBJ (I C = I B ). TBJ: indica a relação entre I B (entrada) e I C (saída). JFET: a relação entre V GS (entrada) e I D (saída) é um pouco mais complicada: I D I V DSS 1 V GS P 2 Equação de Shockley 41
Análise do JFET Este gráfico mostra o valor de I D para um dado valor de V GS. A partir de I D xv DS é possível obter I D xv GS 42
Folha de Dados para o JFET Os valores máximos de interesse são: A tensão entre dreno e fonte V DS ; A tensão entre dreno e porta V DG ; A tensão entre porta e fonte V GS ; A máxima corrente de porta I G ; A máxima potência dissipada P D ; O valor da corrente de saturação I DSS ; O valor da tensão de pinch-off V P ; 43
Folha de Dados para o JFET Exemplo de folha de dados: Tipo de encapsulamento 44
Folha de Dados para o JFET Exemplo de folha de dados: 45
Folha de Dados para o JFET Região de Operação: Região para Amplificação Linear 46
Relações importantes As principais relações para análise do JFET e sua comparação com o TBJ são apresentadas: JFET TBJ 47
Relações importantes As principais relações para análise do JFET e sua comparação com o TBJ são apresentadas: 48
Referências Utilizadas BOYLESTAD, Robert L.; NASHELSKY, Louis. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 11. ed. São Paulo: Pearson education do Brasil, 2013. SEDRA, Adel S.; SMITH, Kenneth C.. Microeletrônica. 5ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2007. MALVINO, Albert Paul. Eletrônica. 4. ed. São Paulo: Makron, c1997. 2v. 49
Obrigado pela Atenção! Prof. Dr. Ulisses Chemin Netto ucnetto@utfpr.edu.br Departamento Acadêmico de Eletrotécnica DAELT (41)3310-4626 Av. Sete de Setembro, 3165 - Bloco D Rebouças - CEP 80230-901 Curitiba - PR - Brasil