Transistores Unipolares - JFET e MOSFET

Transistores Unipolares - JFET e MOSFET

Eletrônica Analógica II

Transistores Unipolares

JFET / MOSFET

Data da Entrega (Prevista): 02/05/2007

Curso: Engenharia Elétrica c/ Ênfase em Telecomunicações

Turma: 4º A

Componentes do Grupo

Nota

Clodoaldo Teixeira

Edgar de Oliveira Carmo

Corrigido pelo Professor:

Índice

1. Transistores Unipolares: JFET e MOSFET 3

1.1. JFET 3

1.1.1. Polarização de um JFET 4

1.1.1.1. Curva Característica de Dreno 5

1.1.1.2. Curva de Transcondutância 6

1.1.1.3. Autopolarização 6

1.1.1.4. Reta de Autopolarização 8

1.1.1.5. Seleção RS 9

1.1.2. Transcondutância 9

1.1.2.1. Transcondutância de um Transistor Bipolar 10

1.1.3. Amplificador de Fonte Comum 11

1.1.4. Amplificador com Realimentação Parcial 12

1.1.5. Amplificador Seguidor de Fonte 12

1.2. MOSFET 14

1.2.1. MOSFET de Modo Depleção 14

1.2.2. MOSFET de Modo Crescimento ou Intensificação 15

1.2.3. Tensão Porta-Fonte Máxima 18

2. Conclusão 19

3. Referências Bibliográficas 20

1.Transistores Unipolares: JFET e MOSFET

Os transistores bipolares, se baseiam em dois tipos de cargas: lacunas e elétrons, e são utilizados amplamente em circuitos lineares. No entanto existem aplicações nos quais os transistores unipolares com a sua alta impedância de entrada são uma alternativa melhor. Este tipo de transistor depende de um só tipo de carga, daí o nome unipolar.

Há dois tipos básicos: os transistores de efeito de campo de junção (JFET - Junction Field Effect transistor) e os transistores de efeito de campo de óxido metálico (MOSFET).

1.1.JFET

Na Figura abaixo, é mostrada a estrutura e símbolo de um transistor de efeito de campo de junção ou simplesmente JFET.

a condução se dá pela passagem de portadores de carga da fonte (S - Source) para o dreno (D), através do canal entre os elementos da porta (G - Gate). O transistor pode ser um dispositivo com canal n (condução por elétrons) ou com canal p (condução por lacunas). Tudo que for dito sobre o dispositivo com canal n se aplica ao com canal p com sinais opostos de tensão e corrente.

1.1.1.Polarização de um JFET

A Figura a seguir mostra a polarização convencional de um JFET com canal n. Uma alimentação positiva VDD é ligada entre o dreno e a fonte, estabelecendo um fluxo de corrente através do canal. Esta corrente também depende da largura do canal.

Uma ligação negativa VGG é ligada entre a porta e a fonte. Com isto a porta fica com uma polarização reversa, circulando apenas uma corrente de fuga e, portanto, uma alta impedância entre a porta e a fonte. A polarização reversa cria camadas de depleção em volta da regiões p e isto estreita o canal condutor (D-S). Quanto mais negativa a tensão VGG, mais estreito torna-se o canal.

Para um dado VGG , as camadas de depleção tocam-se e o canal condutor (D-S) desaparece. Neste caso, a corrente de dreno está cortada. A tensão VGG que produz o corte é simbolizada por VGS(Off) .

1.1.1.1.Curva Característica de Dreno

Para um valor constante de VGS, o JFET age como um dispositivo resistivo linear (na região ôhmica) até atingir a condição de pinçamento ou estrangulamento. Acima da condição de estrangulamento e antes da ruptura por avalanche, a corrente de dreno permanece aproximadamente constante.

Os índices IDSS referem-se a corrente do dreno para a fonte com a porta em curto (VGS=0V). IDSS é a corrente de dreno máxima que um JFET pode produzir. Na Figura 7-3, é mostrado um exemplo de curva para um JFET. Quando o JFET está saturado (na região ôhmica), VDS situa-se entre 0 e 4V, dependendo da reta de carga. A tensão de saturação mais alta (4V) é igual à intensidade da tensão de corte da portafonte (VGS(Off) = -4V). Esta é uma propriedade inerente a todos os JFET’s.

Para polarizar um transistor JFET é necessário saber a função do estágio, isto é, se o mesmo irá trabalhar como amplificador ou como resistor controlado por tensão. Como amplificador, a região de trabalho é o trecho da curva, na <colocar figura>, após a condição de pinçamento e à esquerda da região de tensão VDS de ruptura. Se for como resistor controlado por tensão a região de trabalho é entre VDS igual a zero e antes de atingir a condição de pinçamento.

1.1.1.2.Curva de Transcondutância

A curva de transcondutância de um JFET é um gráfico da corrente de saída versus a tensão de entrada, ID em função de VGS. A sua equação é:

1.1.1.3.Autopolarização

A polarização de um transistor JFET se faz de maneira semelhante à polarização de transistor bipolar comum. Em outras palavras, usa-se o transistor JFET como se fosse um transistor bipolar.

Para um JFET funcionar corretamente devemos lembrar que, primeiramente, o mesmo deve estar reversamente polarizado entre porta e fonte. Na Figura 7-5 vemos um JFET polarizado, ou seja, com resistores ligados ao terminais para limitar tensões e correntes convenientemente, como visto na polarização de transistores bipolares.

Esse é o tipo de polarização mais comum e se chama autopolarização por derivação de corrente, pois o VGS aparece devido à corrente de dreno sobre RS, o que resulta em VRS.

Essa tensão, distribui-se entre RG e a junção reversa, que, como tal, possui uma alta resistência. Assim aparecem VRG e VGS que somadas perfazem VRS.

o diodo porta-fonte está reversamente polarizado e a corrente IG é uma pequena corrente de fuga aproximadamente igual a zero.

unindo estas duas equações, temos:

A corrente de fonte é a soma da corrente de dreno e de porta. Naturalmente a corrente de dreno é muito maior que a de porta. Então:

Análise da malha do lado direito do circuito:

1.1.1.4.Reta de Autopolarização

Para a polarização do JFET, uma alternativa é o uso da curva de transcondutância para encontrar o ponto Q de operação. Seja a curva ID x VGS a base para encontrar o ponto Q. A corrente de dreno máxima é de 13,5mA, e a tensão de corte da porta-fonte é de -4V. Isso significa que a tensão da porta tem de estar entre 0 e -4V. Para descobrir este valor, pode-se fazer o gráfico da Figura abaixo e ver onde ela intercepta a curva de transcondutância.

Exemplo : Se o resistor da fonte de um circuito de autopolarização for de 300Ω. Qual o ponto Q. Usar o gráfico ID x VGS que apresentamos anteriormente.

SOL.: A equação de VGS é:

para traçar a reta basta considerar ID = 0 e ID = IDSS. Para ID nulo, VGS=0 e para o outro valor de ID, VGS= 13,5m*300=-4V. Aplicando na curva, o ponto Q é:

1.1.1.5.Seleção RS

O ponto Q varia conforme o valor de RS. O ideal é escolher um RS em que o ponto Q fique no na região central, como o do exemplo. O método mais simples para escolher um valor para RS é:

Este valor de RS não produz um ponto Q exatamente no centro da curva, mas é aceitável para a maioria dos circuitos.

1.1.2.Transcondutância

Grandeza designada por gm e é dada por:

gm é a inclinação da curva de transcondutância para cada pequena variação de VGS. Ou em outras palavras, é uma medida de como a tensão de entrada controla efetivamente a corrente de saída. A unidade é o mho, (razão entre a corrente e a tensão - 1/Ohm). O equivalente formal é o Siemens.

A Figura a seguir mostra o circuito equivalente ca simples para um JFET válida para baixas freqüências. Há uma resistência RGS muito alta entre a porta e a fonte. Esse valor está na faixa de centenas de MΩ. O dreno do JFET funciona como uma fonte de corrente com um valor de gm VGS.

A equação abaixo mostra como obter VGS(Off) a partir da corrente máxima de dreno e da transcondutância para VGS= 0V (gmo).

o valor de gm para um dado VGS.

1.1.2.1.Transcondutância de um Transistor Bipolar

O conceito de transcondutância pode ser usado em transistores bipolares. Ela é definida como para os JFET’s.

como r’e = vbe/ie

esta relação ajuda no momento de comparar circuitos bipolares com JFET’s.

1.1.3.Amplificador de Fonte Comum

Na Figura abaixo temos um amplificador fonte comum. Ele é similar a um amplificador emissor comum. As regras aplicadas para a análise são as mesmas

O equivalente ca para a análise do ganho.

o resistor de carga está em paralelo com a resistência de dreno. Simplificando:

Quando a corrente de saída gm vent flui através de rd ela produz uma tensão de saída

dividindo ambos os lados por vent.

finalmente o ganho de tensão ca para fonte comum

notar a semelhança com a do amplificador em emissor comum

1.1.4.Amplificador com Realimentação Parcial

Abaixo temos um amplificador com realimentação parcial

o ganho por analogia com o transistor bipolar, considerando r’e = 1/ gm, é:

1.1.5.Amplificador Seguidor de Fonte

A Figura a seguir mostra um seguidor de fonte

Novamente por analogia:

1.2.MOSFET

O FET de óxido de semicondutor e metal , MOSFET, tem uma fonte, uma porta e um dreno. A diferença básica para o JFET é porta isolada eletricamente do canal. Por isso, a corrente de porta é extremamente pequena, para qualquer tensão positiva ou negativa.

1.2.1.MOSFET de Modo Depleção

As figuras abaixo mostram um MOSFET de modo depleção canal n e o seu símbolo. O substrato em geral é conectado a fonte (pelo fabricante), Em algumas aplicações usa-se o substrato para controlar também a corrente de dreno. Neste caso o encapsulamento tem quatro terminais.

Os elétrons livres podem fluir da fonte para o dreno através do material n. A região p é chamada de substrato, e ela cria um estreitamento para a passagem dos elétrons livres da fonte ao dreno.

A fina camada de dióxido de Silício (S1O2), que é isolante, impede a passagem de corrente da porta para o material n.

A Figura acima mostra o MOSFET de modo depleção com uma tensão de porta negativa. A tensão VDD força os elétrons livres a fluir através do material n. Como no JFET a tensão de porta controla a largura do canal. Quanto mais negativa a tensão, menor a corrente de dreno. Até um momento que a camada de depleção fecha o canal e impede fluxo dos elétrons livres. Com VGS negativo o funcionamento é similar ao JFET.

Como a porta está isolada eletricamente do canal, pode-se aplicar uma tensão positiva na porta (inversão de polaridade bateria VGG do circuito). A tensão positiva na porta aumenta o número de elétrons livres que fluem através do canal. Quanto maior a tensão, maior a corrente de dreno. Isto é que a diferencia de um JFET.

1.2.2.MOSFET de Modo Crescimento ou Intensificação

O MOSFET de modo crescimento ou intensificação é uma evolução do MOSFET de modo depleção e de uso generalizado na industria eletrônica em especial nos circuitos digitais.

Acima temos um MOSFET de canal n do tipo crescimento e o seu símbolo. O substrato estende-se por todo caminho até o dióxido de silício. Não existe mais um canal n ligando a fonte e o dreno.

Quando a tensão da porta é zero, a alimentação VDD força a ida dos elétrons livres da fonte para o dreno, mas substrato p tem apenas uns poucos elétrons livres produzidos termicamente. Assim, quando a tensão da porta é zero, o MOSFET fica no estado desligado (Off). Isto é totalmente diferente dos dispositivos JFET e MOSFET de modo depleção.

Quando a porta é positiva, ela atrai elétrons livres na região p. Os elétrons livres recombinam-se com as lacunas na região próxima ao dióxido de silício. Quando a tensão é suficientemente positiva, todas as lacunas encostadas a dióxido de silício são preenchidas e elétrons livres começam a fluir da fonte para o dreno. O efeito é o mesmo que a criação de uma fina camada de material tipo n próximo ao dióxido de silício. Essa camada é chamada de camada de inversão tipo n. Quando ela existe o dispositivo, normalmente aberto, de repente conduz e os elétrons livres fluem facilmente da fonte para o dreno.

O VGS mínimo que cria a camada de inversão tipo n é chamado tensão de limiar, simbolizado por VGS(th). Quando VGS é menor que VGS(th), a corrente de dreno é zero. Mas quando VGS é maior VGS(th), uma camada de inversão tipo n conecta a fonte ao dreno e a corrente de dreno é alta. VGS(th) pode variar de menos de 1V até mais de 5V dependendo do MOSFET.

Vamos montar as curvas ID x VDS e ID x VGS do MOSFET de modo intensificação e reta de carga típica. No gráfico ID x VDS, a curva mais baixa é para VGS(th). Quando VGS maior que VGS(th), a corrente de dreno é controlada pela tensão da porta. Neste estágio o MOSFET pode trabalhar tanto quanto um resistor (região ôhmica) quanto uma fonte de corrente. A curva ID x VGS, é a curva de transcondutância e é uma curva quadrática. O início da parábola está em VGS(th). Ela é:

onde k é uma constante que depende do MOSFET em particular.

O fabricante fornece os valores de ID(On) e VGS(On). Então reescrevendo a fórmula:

Onde:

1.2.3.Tensão Porta-Fonte Máxima

Os MOSFET têm uma fina camada de dióxido de silício, um isolante que impede a circulação de corrente de porta tanto para tensões positivas como negativas. Essa camada isolante é mantida tão fina quanto possível para dar a porta um melhor controle sobre a corrente de dreno. Como a camada é muito fina, é fácil destruí-la com uma tensão porta fonte excessiva. Além da aplicação direta de tensão excessiva entre a porta fonte, pode-se destruir a camada isolante devido a transientes de tensão causados por retirada/colocação do componente com o sistema ligado. O simples ato de tocar um MOSFET pode depositar cargas estáticas suficiente que exceda a especificação de VGS máximo. Alguns MOSFET são protegidos por diodos zener internos em paralelo com a porta e a fonte. Mas eles tem como inconveniente, diminuir a impedância de entrada.

2.Conclusão

Verificamos as características dos transistores JFET e MOSFET. Comparando com os transistores BJT que estudamos até aqui, os FET’s apresentam:

  • Alta impedância de entrada, bem mais alta que os BJT

  • As correntes de entrada são muito mais baixas que os BJT

  • O ganho é bem menor que um BJT

Os JFET’s são usados nos casos em que um BJT não funciona de forma conveniente, como quando a corrente de fuga para a base de um BJT é muito alta.

Para aplicações de lógica digital, o uso de FET’s é importante, já que eles podem ser muito mais rápidos e dissipam menos potência. A maioria dessas aplicações, contudo, usa MOSFET’s, que possuem impedâncias de entrada ainda maiores que os JFET’s.

3.Referências Bibliográficas

  • CATHEY, Jimmie J. Dispositivos e Circuitos Eletrônicos, 1ª ed. São Paulo, Makron Books, 1994. (Coleção Schaum).

  • MALVINO, Albert Paul. Eletrônica Vol. I, 4º ed. São Paulo, Makron Books, 1997.

  • MELLO, Hilton Andrade de; INTRATOR, Edmond. Dispositivos Semicondutores, 3ª ed. Rio de Janeiro, Livros Técnicos e Científicos, 1978.

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