TRANSISTOR FET By: edsontadeu Date: 23 Out 2009, 22:50
Transistores de Efeito de Campo (npn)
dispositivo de 3 terminais
corrente e- de canal da fonte
para dreno controlada pelo
campo elétrico gerado pelo
porta
impedância de entrada
extremamente alta para base
corrente e- de emissor para coletor
controlada pela corrente injetada na
base
6.071 Transistores de Efeito de Campo 1
Há muitos tipos de transistores além do transistor de junção bipolar (BJT) que discutimos até agora. Uma
importante classe de transistores de 3 terminais são os dispositivos de efeito de campo. Para estes, o
parâmetro de controle é o campo elétrico através da junção, em oposição à corrente do BJT. Já que um
campo elétrico está associado a uma tensão, a vantagem importante dos dispositivos de efeito de campo é
que não precisa haver uma corrente no elemento de controle (a porta). Isso resulta em uma impedância de
entrada bastante elevada, e uma corrente de fuga bastante baixa.
Os mais fáceis de entender são os transistores de efeito de campo de junção (JFETs), que iremos discutir
primeiro e com um certo detalhe. Os FETs semicondutores de óxido de metal (MOSFETs) são muito
importantes para implementações de lógica digital.
dreno
fonte
porta
coletor
emissor
base
FET BJE
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Tipos de FETs
Além do tipo portador (canal N ou P), existem diferenças em como o
elemento de controle é construído (Junção vs Isolado), e esses
dispositivos devem ser usados de formas diferentes
npn
FETs de junção de modo de depleção (JFET)
pnp
npn
FET de semicondutor de óxido de metal (MOSFET)
pnp
- modo de depleção/ crescimento
- modo de crescimento
(FETs e IGFETs de porta isolado são a mesma coisa que MOSFETs)
6.071 Transistores de Efeito de Campo 2
Assim como ocorre com os BJTs, há sempre dois tipos de transistores, npn e pnp. A diferença está no
portador majoritário (elétrons ou lacunas).
Já que os FETs são controlados por variações no campo elétrico através da junção, é possível construir
um capacitor no elemento de controle a, dessa forma, reduzir ainda mais a corrente de fuga. O óxido de
metal de um MOSFET forma o capacitor na entrada do elemento de controle (a porta).
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Operação FET básica Nº 1
O exemplo mais simples de um JFET começa com Si dopado por N.
fonte – terminal no qual a corrente de portador é injetada
(tipo n \ portadores e-)
Nesse nível, o dispositivo é simplesmente um resistor. Portanto, a
corrente flui através do canal em proporção à tensão do dreno/fonte.
6.071 Transistores de Efeito de Campo 3
Começaremos descrevendo a operação e controle de um JFET. A ação básica de um JFET pode ser
compreendida considerando-se um canal de condução.
Comece com silício dopado por n e adicione dois terminais em cada extremidade. O dispositivo agora é
um resistor, cuja resistência é fornecida pelo nível de dopagem.
Os três terminais do JFET são denominados fonte, dreno e porta. A fonte é análoga ao emissor do BJT. A
fonte é a fonte dos portadores majoritários. Portanto, em um material de tipo n, os portadores são elétrons,
e a fonte é, assim, a fonte de elétrons.
O dreno é análogo ao coletor do BJT e, portanto, a corrente dos portadores majoritários flui a partir da
fonte para o dreno. Mais uma vez, em materiais do tipo n, os portadores são elétrons e a corrente
convencional flui na direção oposta.
fonte dreno
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Operação FET básica Nº 2
Adicione uma estrutura de porta para formar um canal.
As duas regiões da porta são, na verdade, conectadas para definir um
canal para a corrente do portador.
O controle da corrente do FET (resistência) é atingido mudando-se o
tamanho das zonas de depleção que circundam as portas.
6.071 Transistores de Efeito de Campo 4
As portas são duas regiões de um material do tipo p que são dispostas para criar um canal para condução
da fonte para o dreno. As duas regiões de porta são, quase sempre, conectadas para que o usuário veja
apenas a conexão da porta.
Observe que o dispositivo acima é um JFET npn, já que a fonte é do tipo n, a porta é do tipo p e o dreno é
do tipo n. Não olhe para baixo a partir da porta, canal e porta e chame-o de junção pnp.
porta
fonte
porta
dreno
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Operação FET básica Nº 3
Ao redor de cada porta há uma zona de depleção, como em qualquer
junção PN.
A zona de depleção reduz o tamanho efetivo do canal dopado por N e,
dessa forma aumenta a resistência aparente do canal. Modulando-se o
dreno para potencial de porta, o campo elétrico na zona de depleção entre
a porta e o dreno varia e, conseqüentemente, o tamanho da zona de
depleção varia.
6.071 Transistores de Efeito de Campo 5
Assim como ocorre com todas as junções PN, há uma zona de depleção ao redor da porta. Essa zona de
depleção obviamente reduz a área transversal do canal do tipo n que está disponível para condução
elétrica.
A ação do JFET é regida varia ndo-se a porta para potencial de dreno e, dessa forma, modificando-se o
tamanho da zona de depleção.
zona de depleção
dreno
zona de depleção
fonte
porta
porta
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Operação FET básica Nº 4
Aqui, a tensão de dreno para fonte, VDS, é igual à tensão dreno para
porta. À medida que VDS aumenta, as zonas de depleção se movem
juntas; e a resistência de fonte aumenta.
6.071 Transistores de Efeito de Campo 6
Um exemplo simples é conectar à terra a tensão do porta para a fonte, de forma que a tensão do dreno
para a porta seja igual à tensão do dreno para a fonte. À medida que a tensão do dreno para a porta
aumenta, a zona de depleção aumenta e, dessa forma, a condução do canal diminui.
Para pequenas tensões, a resistência aumenta com a tensão, e isso é descrito como a região ôhmica.
Acima da tensão obstruída o canal é saturado, e a resistência se torna constante. A tensão obstruída pode
ser descrita como a tensão na qual as zonas de depleção das duas portas se encontram.
zona de depleção
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Operação FET básica Nº 5
Defina uma resistência aparente através do FET, a resistência de
canal RC.
6.071 Transistores de Efeito de Campo 7
Iremos caracterizar o dispositivo pela resistência efetiva da junção. Agora, obviamente, a medida típica
para caracterizar um transistor é medir a corrente de dreno como uma função da tensão dreno-fonte para
um conjunto de correntes (ou tensões) aplicadas à porta.
Lembre-se de que é exatamente assim que executamos os testes com o BJT.
Depois que medirmos a corrente de dreno como uma função da tensão dreno-fonte, temos as informações
para calcular uma resistência CC efetiva para esse ponto de operação.
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Resistência de Canal de FET
· À medida que VDS aumenta, a zona de depleção cresce, e a
resistência efetiva diminui lentamente.
· À medida que VDS = VP (a tensão obstruída), as duas zonas de
depleção se encontram, nenhuma corrente adicional pode fluir, e a
resistência aumenta rapidamente com VDS.
· Em VBR, há uma "avalanche dreno-para-porta", que iremos
descrever mais adiante.
6.071 Transistores de Efeito de Campo 1
À esquerda encontra-se a corrente de dreno vs a tensão de dreno para fonte para um porta ligado à terra.
A região de tensão zero para a tensão obstruída é a região ôhmica, a região plana é a área de saturação e,
em tensões mais altas, há uma região de ruptura, onde a condução do canal aumenta rapidamente. Muitos
dispositivos serão destruídos se operados nessa região de ruptura, embora (assim como com os diodos
zeners) existam dispositivos que são projetados para funcionar nessa região de avalanche.
O gráfico à direita mostra a resistência correspondente. Na região ôhmica, a resistência aumenta apenas
lentamente e, em seguida, na região de saturação, a resistência aumenta mais rapidamente.
É importante observar que a corrente de dreno do JFET é independente da tensão dreno-fonte na região de
saturação. Como iremos ver brevemente, nessa região a corrente de dreno permanece muito sensível ao
potencial dreno-porta.
Portanto, se quisermos obter controle via porta, normalmente iremos projetar o dispositivo para operar na
região de saturação. Se, contudo, estivermos buscando controle baseado na tensão do dreno, então o
dispositivo será posicionado na região ôhmica.
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Controle de Porta do FET
· O tamanho da zona de deple ção pode ser aumentado por
polarização reversa da junção PN na porta, portanto a
polarização da porta controla ID, e, já que a porta tem polarização
reversa, essencialmente não há corrente da porta.
6.071 Transistores de Efeito de Campo 1
Aqui, mostramos a variação da curva IV como uma função da tensão da porta. Lembre-se de que, na
obstrução, as zonas de depleção das duas portas se encontraram, e, portanto, à medida que a tensão da
porta muda, esse de operação, se move. É mais comum polarizar a porta de forma reversa (como
mostrado no circuito), aumentando assim o campo ao longo da função PN e, de forma correspondente,
aumentando o tamanho da zona de depleção para uma tensão constante de dreno-fonte. Observe que, à
medida que a porta sofre polarização reversa, [FALTA TEXTO!]
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Especificação JFET
região ôhmica – JFET atua como um
resistor variável.
região de saturação – JFET é independente
da tensão de fonte-dreno, mas
fortemente dependente da tensão
da porta.
VOFF,GS = tensão de corte, tensão portafonte,
onde JFET atua como um
circuito aberto.
BVDS = tensão dreno-fonte, que leva a uma
ruptura de corrente do canal JFET.
IDS = corrente de dreno para polarização de
porta zero.
6.071 T ransistores de Efeito de Campo 1
região
ôhmica
região de
saturação ruptura
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Desempenho do JFET
Alguns valores típicos:
6.071 Transistores de Efeito de Campo 11
O projeto de circuitos JFET normalmente é realizado com equações relativamente simples para a corrente
de dreno em termos de parâmetros de dispositivos e condições operacionais. Estes, é claro, dependem se o
ponto de operação está na região ôhmica ou de saturação.
Já que o desempenho do dispositivo não deve depender criticamente dos parâmetros de circuito, alguns
atalhos simplificadores normalmente são adotados e, no final, o circuito é avaliado com um pacote de
simulação. Ajuda muito ser capaz de romper um projeto em suas partes funcionais e, então ver como cada
uma deve operar. Isso, é claro, exige prática, e irá conduzir você através do processo.
região
ôhmica
região de
saturação
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Transcondutância
taxa de mudança da corrente de dreno com uma
mudança da polarização da porta
A transcondutância é útil para o modo de um JFET como um resistor
controlado por tensão, e tem unidades de (1/resistência), mhos.
transcondutância de uma porta com
curto-circuito.
6.071 Transistores de Efeito de Campo 12
Uma característica importante, mas que não é fácil de entender, de um dispositivo de três parâmetros é a
transcondutância, gm. Lembre-se de que estamos modelando o FET como um resistor controlado por
tensão e, portanto, a corrente de dreno é uma função da tensão da porta para a fonte. Isso, é claro, é
observado nos gráficos IV do FET para a região de saturação. A transcondutância é a razão da corrente de
dreno com uma mudança na tensão a uma tensão dreno-fonte constante.
As unidades de transcondutância são ohms inversos (mhos).
Geralmente, as folhas de dados reportam as duas transcondutâncias para uma porta com curto-circuito.
Normalmente, na análise de circuitos FET, as propriedades de circuito podem ser reduzidas para uma
função da transcondutância.
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Exemplo de JFET
Encontre ID
IDSS = 8mA, VGS,OFF = -4V
Já que VDS parece ser maior que alguns volts e menos
que a tensão de ruptura, assumiremos que o JFET é a
região de saturação.
Observe que a tensão da porta é zero e, portanto, a tensão porta-fonte é
menos a tensão da fonte.
6.071 Transistores de Efeito de Campo 1
Aqui, exploramos um exemplo simples de uma fonte de corrente derivada JFET. A porta sofre curtocircuito
para ser ligado à terra (observe que não sofre curto-circuito para a fonte). O resistor de fonte
introduz uma tensão de fonte e, dessa forma, há uma tensão porta-fonte negativa.
Encontremos a corrente de dreno como uma função de resistor de fonte.
A tensão de dreno é grande o suficiente para que possamos assumir que o dispositivo está funcionando na
região de saturação. Portanto, podemos anotar imediatamente a corrente de dreno como uma função da
tensão porta-fonte.
A tensão porta-fonte é simplesmente subtraída da tensão de fonte, e a tensão de fonte é a queda de tensão
da corrente de dreno através do resistor de fonte.
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Exemplo de JFET (cont.)
Então, substituindo na equação acima:
Essa equação tem soluções de VGS = -2V e –8V.
Observe que VGS,OFF = -4V \a única gama válida de VGS é 0 ® -4V
Se VGS = -2V, então ID = 2 mA
VS = 2V, RJFET = 16V/2mA = 8kW
VDS = 16V
6.071 Transistores de Efeito de Campo 14
Configuramos as duas equações de forma igual e terminamos com uma equação quadrática para a
corrente de dreno.
Já que o JFET desliga a –4V, a solução de –8V não é física, e escolhemos a solução de –2V, fornecendo
uma corrente de dreno de 2mA.
A partir disso, podemos calcular também a resistência dreno-fonte do dispositivo e a queda de tensão
através do FET.
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Circuito controlador da intensidade de luz(dimmer)
6.071 Transistores de Efeito de Campo 15
Um segundo exemplo de uma aplicação JFET é um resistor controlado por tensão. Aqui, vemos a
variação da queda de tensão através do FET para controlar o brilho da lâmpada (o brilho é uma função
não-linear da corrente através da lâmpada). Quando a porta sofre curto-circuito para a fonte, a corrente de
dreno é alta, e a lâmpada se acende. À medida que a porta é negativamente polarizada, então a corrente de
dreno é reduzida, e a lâmpada fica mais fraca. Isso continua até que ela esteja essencialmente desligada.
Você deve combinar esse circuito com o circuito anterior para fazer um reostato de lâmpada que funcione
via um resistor variável, mas, em geral, é conveniente ter um dispositivo que seja controlado por tensão.
lâmpada desligada
reostato lâmpada ligada
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Seguidor de Fonte
Análogo ao amplificador de seguidor de emissor bipolar.
Não fornece nenhum ganho de tensão, mas fornece uma
mudança de impedância, fornecendo portanto um ganho
de corrente.
Onde RS<RCARGA, então VS » RSID
Observe que VSAÍDA = VS, o ganho é
6.071 Transistores de Efeito de Campo 16
O seguidor de fonte JFET é, do ponto de vista funcional, semelhante ao emissor de seguidor de BJT. Ele
também não oferece ganho de tensão, mas fornece uma mudança de impedância e, dessa forma, um ganho
de corrente (e potência).
Ainda usamos boas práticas de projeto, então, considerando o seguidor de fonte como uma fonte de
tensão, vemos que o resistor de fonte é muito menor que o resistor de carga e, dessa forma, podemos
ignorar a carga em nossa análise.
A queda de tensão através do resistor de fonte e, assim, a resistência de fonte vezes a corrente de dreno.
Podemos relacionar a corrente de dreno para a tensão porta-fonte via transcondutância. E vemos que a
tensão de fonte também é a tensão de saída.
Observe que, normalmente, a transcondutância corresponde a um resistor menor (de cerca de 200 ohms)
que o resistor de fonte e, assim, o ganho é cerca de 1.
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Amplificador Seguidor de Fonte
ganho RB configura a polarização do JFET
Os capacitores são usados para filtragem.
6.071 Transistores de Efeito de Campo 17
Uma configuração comum de amplificador seguidor de fonte. Se nos ativermos ao essencial, os
capacitores servem para remover CC, o resistor da porta serve para polarização, e o resistor de carga pode
ser ignorado em função da resistência de fonte. Portanto, observamos o mesmo ganho.
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Amplificador Fonte Comum
6.071 Transistores de Efeito de Campo 18
Um amplificador com ganho é a configuração de fonte comum; aqui, a tensão é dividida ao longo de um
resistor de dreno, do FET e de um resistor de fonte. O resistor de fonte configura apenas o ponto de
operação CC, observe que ele é desviado por um capacitor e, portanto, para altas freqüências, o resistor de
fonte não está no circuito.