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Trabalho de pesquisa
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
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Não perca as partes importantes!
Matrícula: 0809048- 3
U N I V E R S I D A D E F E D E R A L D E S Ã O J O Ã O D E L R E I
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 FETs só apareceria no início dos anos cinqüenta do século passado. O FET é um desenvolvimento tecnológico posterior ao transistor de junção; mas é o elemento dominante, por suas características, em sistemas lógicos modernos. Da teoria dos dispositivos semicondutores que identifica lacunas, portadores minoritários e majoritários podemos entender o funcionamento do Transistor de Efeito de Campo. Existem a grosso modo, duas classes de FETs: FET de junção, chamado de JFET FET de contato, chamado de MOS-FET. 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.
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 é baseado no campo elétrico estabelecido pela tensão aplicada no terminal de controle. O Transistor JFET recebe este nome porque é um transistor FET de Junção.
A figura 01 apresenta um JFET de canal n (existe também o JFET de canal p ). Seu diagrama construtivo simplificado representa uma “barra” de silício semicondutor tipo n (semicondutor dopado com impurezas doadoras) e contendo incrustadas duas regiões tipo p. O JFET da figura 01 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. As regiões p da porta são interligadas eletricamente. Ainda observando a figura 01, 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.
Controle por Tensão: a corrente entre o dreno e a fonte é controlada pela tensão aplicada na porta, em contraste com o transistor BJT, cuja corrente de coletor é controlada pela corrente de base.
Nesse nível, o dispositivo é simplesmente um resistor. Portanto, a corrente flui através do canal em proporção à tensão do dreno/fonte. 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.
Passo 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. 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.
Passo 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. 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 variando- se a porta para potencial de dreno e, dessa forma, modificando-se o tamanho da zona de depleção.
Passo 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.
Um exemplo simples é conectar à terra a tensão da 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 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.
À esquerda encontra-se a corrente de dreno Vs a tensão de dreno para fonte para uma porta ligada a 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.
O tamanho da zona de depleção 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.
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. Podemos então identificar dois tipos de comportamento do transistor:
a) O transistor se comportando como uma resistência variável controlada por tensão. O JFET opera deste modo na região A da figura 2, a seguir.
O FET apresenta uma região inicial de polarização das junções, seguida de um patamar estável ou de saturação e a região de ruptura. Parâmetros importantes na modelagem de um FET observados sob essas condições:
Polarização básica
ID aumenta até que VDS=VP resistência do canal varia muito pouco, dado que a região de depleção é pouco extensa para produzir um efeito significativo: zona ôhmica Nesta região VDS e ID estão relacionadas pela lei de Ohm:
Idss
Vp Rds
No intervalo em que ID é praticamente constante, a zona de depleção alarga-se, aumentado a resistência, o que anula o efeito do aumento de VDS.
A exemplo dos transistores bipolares, são três as configurações básicas para os transistores unipolares, como mostra a figura abaixo:
As equivalências são as seguintes: Fonte comum = emissor comum Porta comum = base comum Dreno comum = coletor comum A configuração dreno comum também é denominada seguidor de fonte.
POLARIZAÇÃO CONVENCIONAL: A figura abaixo mostra um FET de canal n polarizado de forma convencional. É importante verificar a polaridade das baterias VGG e VDD. Quando o FET é de canal n a tensão de dreno é positiva.
O FET também pode ser usado como amplificador de sinal, desde que adequadamente polarizado. A grande vantagem na utilização do mesmo está na sua impedância muito elevada de entrada e sua quase total imunidade a ruídos. O FET possui uma impedância de entrada extremamente alta, da ordem de 100M ou mais. Por ser praticamente imune a ruídos é muito utilizado para estágios de entrada de
Como a junção da porta está reversamente polarizada, tem-se que IG é muito pequena (da ordem de nA ou pA). Portanto, VRS é de valor desprezível em relação à VRS. Logo: VRS = VGS e, portanto: VGS = RS.ID. A fim de polarizarmos um JFET devemos saber a função do estágio, isto é, se o mesmo irá funcionar como um “resistor controlado por tensão” ou como um amplificador. Como amplificador irmos trabalhar na região B da fig. 02, ou seja, à direita da linha de VP e à esquerda da região de VDS de ruptura. A figura 6, a seguir, apresenta o circuito de polarização de um transistor JFET de canal n. Observa-se que para que seja possível o controle da corrente de dreno são necessárias as seguintes condições: VDD > 0 ou VGG < 0
O fluxo de elétrons da fonte para o dreno depende da largura do canal, isto é, polarização reversa na porta causa aumento das regiões de depleção, diminuindo a largura do canal e dificultando desta forma a passagem da corrente entre o dreno e a
fonte (é uma região de íons, formada pela difusão pela junção). Desta forma temos as seguintes condições: a) LARGURA DO CANAL: depende da tensão VGG, isto é, quanto mais negativa, maior será a região de depleção e portanto, mais estreito o canal. b) TENSÃO DE CORTE (VGS): é a tensão suficiente para desaparecer o canal (VGScorte) também conhecida como Tensão de Deslocamente ( pinch-off ). c) CORRENTE DE FUGA DA PORTA: Como a junção da porta opera em polarização reversa, tem-se uma corrente baixa; desta forma, a CORRENTE DE DRENO é igual à CORRENTE DA FONTE (ID). Esta é a causa da alta impedância de entrada dos JFET. OBS: Como a polarização reversa entre a porta e a fonte (VGS) não consome corrente e a largura do canal depende de VGS, o controle de ID é efetivamente feito pela tensão da porta.
A curva de transcondutância relaciona a corrente de saída com a tensão de entrada de um JFET. Através da Equação de Schokley relaciona-se a corrente ID com a tensão VGS, segundo uma relação quadrática:
Como o JFET apresenta uma relação quadrática entre a corrente de dreno- fonte e a tensão de controle VGS, diz-se que este dispositivo é um dispositivo de Lei Quadrática. VGS.
Normalmente o FET é polarizado para operar após o estrangulamento na região de saturação da corrente, onde nesta região o dispositivo tem sua operação definida mais facilmente pela equação de Schockley.
A curva do Dreno é análoga à característica de coletor do transistor bipolar, e semelhante à característica de placa e uma válvula pentodo. Descreve o comportamento nas três regiões de operação, para diversos valores de Vgs.
A curva abaixo mostra que aumentando VGS (mais negativa para um FET de canal n ), a corrente de saturação será menor, e desta forma, o gate atua como controle.
Nestas condições, ID diminui a medida que VGS fica mais negativa (observe o ponto de saturação com -2V). Tornando VGS mais negativa, haverá um momento em que não haverá mais ID, independentemente do valor de VDS. Essa tensão denomina-se tensão de estrangulamento gate-source representada por VGS(OFF) ou Vp. A figura abaixo mostra a curva para um FET de canal p. A única diferença é a polaridade de VGS que neste caso é positiva.
Na região ativa, a corrente de dreno é controlada pela tensão Vgs, e quase não varia com tensão Vds (compartimento de fonte de corrente controlada). Nesta o JFET pode funcionar como multiplicador de fonte-de-corrente. O JFET está nesta região quando Vds > Vescorte nas curvas características é a parte horizontal da curva para uma certa Vgs (toda a área fora de saturação, hachurada, e entre as curvas Vgs1 e Vgs6). A saturação ocorre quando Vds < Vgscorte. Aqui a corrente ID depende tanto de Vgs como Vds (comportamento de resistor controlado). Nas curvas características de dreno, é a reta inclinada que une cada curva a origem do gráfico. Repare que as inclinação,
