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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
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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
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)
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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).
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.
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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
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
Operação FET básica Nº 5
Defina uma resistência aparente através do FET, a resistência de canal RC.
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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.
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.
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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.
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 porta- fonte, 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.
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região ôhmica
região de saturação ruptura
Desempenho do JFET
Alguns valores típicos:
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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
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.
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Aqui, exploramos um exemplo simples de uma fonte de corrente derivada JFET. A porta sofre curto- circuito 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.
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 = 8kΩ VDS = 16V
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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.
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
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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.
Amplificador Seguidor de Fonte
ganho RB configura a polarização do JFET
Os capacitores são usados para filtragem.
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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.
Quando Usar JFETs
- O JFET possui impedâncias de entrada muito mais altas e correntes de entrada muito mais baixas que o BJT.
- Os BJTs são mais lineares que os JFETs.
- O ganho de um BJT é muito mais alto que o de um JFET.
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Em geral, os JFETs são usados apenas nos casos em que um BJT não iria funcionar 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 FETs tem sido importante, já que eles podem ser muito mais rápidos e dissipar menos potência. A maioria dessas aplicações, contudo, usa MOSFETs, que possuem impedâncias de entrada ainda maiores que os JFETs.
JFET, Resistor Controlado por Tensão
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Ocasionalmente, é mais conveniente operar na região ôhmica que na região de saturação. A análise não muda de forma alguma, mas as equações ficam um pouco mais complicadas. Aqui, calculamos o comportamento de um JFET usado como um resistor controlado por tensão. Conforme o esperado, terminamos com uma função quadrática novamente.
