Baixe Transistores Efeito de Campo e outras Notas de estudo em PDF para Informática, somente na Docsity!
Transistores Efeito de Campo
O principio de funcionamento de um transistor efeito de campo está baseado na modulação da largura de um canal, portanto sua capacidade de corrente, por uma tensão aplicada. Desta forma transistores efeito de campo são dispositivos controlados por tensão ao contrario do transistor tradicional (transistor bipolar ou BJT – Bipolar Junction Transistor ) que são controlados por corrente.
Existem basicamente dois tipos de transistor efeito de campo: MOSFET (Metal-Oxide- Semicondutor FET) também chamados de IGMOS (Insulated Gate MOS – Transistor MOS e o JFET (Junction FET) sendo que os primeiros são mais usados, principalmente em circuitos integrados e ultimamente como dispositivos de potencia. Cada tipo pode ser encontrado com duas polaridades: canal N e canal P. Existem muitas diferenças entre os transistores efeito de campo e o tradicional, sendo que as três principais são:
- Tipo de controle da corrente: no FET é por tensão no tradicional por corrente.
- A impedância de entrada: no FET é muito alta (>1M) e no tradicional é baixa (devido à junção PN polarizada diretamente).
- O tipo de portador: No FET é um tipo (elétron livre ou lacuna) no tradicional são elétron e lacuna.
- Ganho de tensão: No FET é menor do que no BJT.
Transistor Efeito de Campo de Junção
A figura 1a mostra, de forma simplificada, a estrutura física de um transistor efeito de campo de junção canal N, a figura 1b a simbologia para canal N e a figura 1c para canal P. O dispositivo tem três terminais: O dreno (D) a fonte (S – Source em inglês ) e a porta (G – Gate em inglês). A
dopagem da região da porta é muito maior do que a do canal, desta forma a região de depleção (região de carga espacial) será muito maior do lado do canal.
( a ) ( b ) ( c ) Figura 1: ( a ) Estrutura física JFET canal N ( b ) simbologia JFET canal N ( c ) simbologia JFET canal P
Observar na simbologia que a seta no meio, ou mesmo a estrutura, pode sugerir que possamos trocar o dreno pela fonte, o que é verdade em alguns dispositivos, mas não em todos,
( a ) ( b ) Figura 2: ( a ) polarizando a porta com tensão negativa ( b ) fechando totalmente o canal
A tensão de porta que provoca o fechamento total do canal é chamada de tensão de pinçamento ( pinch-off em inglês), V P, sendo uma quantidade negativa no caso de canal N e positiva para o canal P.
Agora consideremos VGS=0 e apliquemos uma tensão entre dreno e fonte com a polaridade indicada na figura 8.3. O que acontece com a corrente quando V (^) DS varia?
Inicialmente com o VDS pequeno o canal praticamente não se altera e dentro de certos limites o dispositivo se comporta como uma resistência. À medida que VDS aumenta, a corrente de dreno aumenta provocando uma queda de tensão ao longo do canal que faz com que o estreitamento não seja uniforme.
Na figura 3b a corrente de dreno provoca entre o ponto A e a fonte uma tensão V (^) A e entre o ponto B e a fonte uma tensão V (^) B estando claro que V (^) A>V (^) B. Estas tensões são aplicadas na junção de forma reversa e no ponto onde a tensão reversa é maior a região de carga espacial avança mais no canal,isto é, o estreitamento é maior próximo do dreno.
Figura 4: Aspecto do canal quando a tensão de dreno aumenta alem de VP
Se a tensão de dreno aumentar mais ainda, eventualmente será atingida uma tensão que provocará a ruptura da junção, destruindo o dispositivo. Esta tensão é designada por BVDSS
Veja este vídeo sobre JFET (em inglês): http://www.allaboutcircuits.com/videos/66.html
Curvas Características de Dreno
Se a tensão de porta for fixada, digamos em V (^) GS=0V, e a tensão de dreno for variada, o gráfico da corrente de dreno em função da tensão de dreno é obtido, I (^) D xVDS , tendo VGScomo parâmetro. A Figura 5a mostra o circuito para obter as curvas características de dreno. O gráfico da figura 5b mostra a curva de dreno do JFET quando VGS =0 e a tensão de dreno varia, para um JFET (2N4393) canal N com V (^) P=-2,81V. Inicialmente com V (^) DS=0 a corrente de dreno I (^) D também é zero. Com VDS aumentando e inicialmente bem menor do que VP o comportamento é de uma resistência, isto é, se a tensão de dreno dobrar de valor a corrente de dreno também dobra de valor. Dizemos que a região de operação é chamada de região ôhmica (o JFET se comporta como uma resistência controlada por VGS).
À medida que a tensão de dreno se aproxima da tensão de pinçamento (V (^) P ) e o canal se aproxima do estreitamento máximo, a curva começa a se inclinar (resistência do dreno aumenta). A corrente de dreno para VDS=V (^) P é denominada de I (^) DSS, corrente na saturação. Se a tensão de dreno aumentar alem desse valor a variação da corrente de dreno fica constante em I (^) DSS. Por exemplo para o transistor 2N4393 IDSS =30mA. Dizemos que o dispositivo entrou na região de saturação, região de amplificação ou patamar. Se a tensão de dreno aumentar mais ainda, eventualmente será atingida uma tensão, BV (^) DSS para a qual a junção PN sofrerá ruptura.
( b ) Figura 5: Curva característica de dreno para VGS=0V para JFET com VP =-2V
Se agora for aplicada uma tensão, de porta de digamos V (^) GS=-1V, e o procedimento é repetido, isto é, a tensão de dreno é variada a partir de zero, será obtida uma curva semelhante à da Figura 5b porem com um valor de corrente na saturação menor que IDSS. O valor de V^ DS que provocará o pinçamento será menor, neste caso aproximadamente 1,8V. De uma forma geral o valor de VDS que provoca o pinçamento é dado por:
O conjunto de curvas para os diferentes valores de VGS é chamado de curvas características de dreno, Figura 6.
As curvas características de transferência relacionam a saída, corrente de dreno (I (^) D ), com a entrada, tensão de porta (VGS). Essas curvas são obtidas para um valor de V (^) DS, por exemplo VDS =5V, Figura 7a. O gráfico de ID xV (^) GS é chamado de curva característica de transferência, pois transfere os valores de entrada para a saída, Figura 7b.
( a )
( b ) Figura 7: ( a ) curva característica de dreno ( b ) curva característica de transferência
Obtendo a curva de transferência
A equação que relaciona corrente de dreno com tensão de porta é dada aproximadamente por:
obtem-se a expressão da transcondurancia (gm) em função de ID e VGS.
Esse parâmetro é numericamente igual à inclinação (derivada) em um determinado ponto da curva de transferência. A figura 8 mostra o significado da transcondutância.
[]
Figura 8: Obtendo a transcondutância a partir da curva característica de transferência Obtendo a transcondutância a partir da curva de transferencia
Exemplo: Qual o valor da transcondutância em VGSQ=-1V?
O valor da transcondutância também pode ser obtido diretamente da curva de transferência se o ponto Q é conhecido.
Se o ponto Q é V GSQ=-1V a
ao redor do ponto Q resulta em uma variação
portanto o valor estimado da transcondutância será:
Resistência de Saída
A resistência de saída é definida como sendo:
com VGS =constante
que representa fisicamente a inclinação da curva na região de saturação, Figura 9. Idealmente o valor de r (^) O deveria ser infinito, isto é, na região de saturação para uma variação de tensão de
- Abra o arquivo EXP22.CIR e identifique o circuito da Figura 10. Execute uma analise Dynamic DC e preencha a tabela 1, levantando os gráficos de IDxVDS para dois valores de VGS (0V e 1,5V)
Figura 10: Circuito para obter IDxVDS
Tabela 1: Obtendo a Curva característica de dreno
VDS(V) 0, 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 1 2 3 4 5 6 7 8 9
VGS=
ID(mA) VGS=1,5V ID(mA)
Use uma planilha (Excel por exemplo) para obter os dois gráficos. No arquivo EXP22 execute uma analise DC e obtenha as curvas de dreno, compare com as curvas obtidas no Excel.
Abra o arquivo EXP23.CIR^ e^ identifique^ o^ circuito^ da^ Figura^ 10.^ Execute^ uma analise Dynamic DC e para VDS=6V preencha a tabela 2.
Tabela 2: Curva característica de transferência
VDS= V
VGS(
V)
ID(m A)
Use uma planilha (Excel por exemplo) para obter o gráfico de IDxVGS a partir dos dados da tabela 2. No arquivo EXP23 execute uma analise DC e obtenha a curva de transferência, compare com as curvas obtidas com o Excel.
Escreva as suas conclusões baseado nas medidas e observações.
Eletrônica Básica Aula17: Transistor Efeito de Campo - Polarização e Amplificadores Bibliografia: Microeletrônica - Vol.1 Sedra e Smith e Eletrônica Vol 1 - Malvino
Amplificadores com JFETS
Para compreender o conceito de amplificação, considere que no circuito da figura 1, amplificador fonte comum, o JFET é o 2N4393 cujas curvas características são conhecidas. Na entrada, a tensão da bateria VGG polariza a porta em -1V (VGSQ = -1V). Os outros valores
