Aula16: Transistor Efeito de Campo

Eletrônica Básica
Aula16: Transistor Efeito de Campo - Princípios de Funcionamento
Bibliografia: Microeletrônica - Vol.1 Sedra e Smith e Eletrônica Vol 1 - Malvino

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:

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, por isso mesmo a simbologia onde a seta está mais próxima da fonte. Na literatura sobre o tema é possível encontrar as duas. O sentido da seta mostra o sentido de condução como em um diodo comum da junção gate (P)-canal (N).

Para explicar o funcionamento consideraremos o JFET canal N, para o outro se invertem os sentidos da corrente e das tensões.

Consideremos inicialmente V_DS=0 e apliquemos uma tensão V_GS com a polaridade indicada na figura 2a e que polariza reversamente a junção PN. Inicialmente o canal estará todo aberto e entre e dreno e fonte existira um canal com uma determinada resistência. Como a tensão aplicada na resistência é zero a corrente resultante será zero (I_D=0). Se a tensão de porta for aumentada, aumenta a polarização reversa o que faz a região de carga espacial avançar mais no canal até fechá-lo totalmente, figura 2b. Observe que a região de depleção avança mais no canal do que no lado da porta, isso porque a dopagem da porta é maior.


( 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 V_GS=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 V_DS pequeno o canal praticamente não se altera e dentro de certos limites o dispositivo se comporta como uma resistência. À medida que V_DS 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.


( a )	( b )
Figura 3: ( a ) Polarizando o dreno com uma tensão pequena (0,1V)( b ) o pinçamento é atingido (V_P)

O estreitamento é maximo quando a tensão de dreno for igual à tensão de pinçamento em modulo.Se a tensão de dreno aumentar mais ainda, as regiões de carga espacial não se tocam, ao invés disso o estreitamento aumenta ao longo do canal conforme figura 4 e a corrente de dreno se mantem aproximadamente constante em I_DSS, isto é, o dispositivo passa a se comportar como uma fonte de corrente constante. Na pratica existe um pequeno aumento em I_D quando V_DS aumenta alem de V_P.

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 BV_DSS

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_DxV_DS, tendo V_GS como 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 V_GS=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 V_DS aumentando e inicialmente bem menor do que V_P 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 V_GS).

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 V_DS=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 I_DSS=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.

( a )

( b )

Figura 5: Curva característica de dreno para V_GS=0V para JFET com V_P=-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 I_DSS. O valor de V_DS que provocará o pinçamento será menor, neste caso aproximadamente 1,8V. De uma forma geral o valor de V_DS que provoca o pinçamento é dado por:

O conjunto de curvas para os diferentes valores de V_GS é chamado de curvas características de dreno, Figura 6.

Figura 6: Curva característica de dreno para diversos valores de V_GS obtendo as curvas de dreno (getting drain curves)

As curvas características de transferência relacionam a saída, corrente de dreno (I_D), com a entrada, tensão de porta (V_GS). Essas curvas são obtidas para um valor de V_DS, por exemplo V_DS=5V, Figura 7a. O gráfico de I_DxV_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

A equação que relaciona corrente de dreno com tensão de porta é dada aproximadamente por:

onde I_DSS é a corrente de dreno na saturação para V_GS=0 e V_P a tensão de pinçamento.

Todo semicondutor é caracterizado por parâmetros os quais determinarão limites de operação e valores de ganho, esses parâmetros também são usados para modelar o componente.

Esse parâmetro é numericamente igual à inclinação (derivada) em um determinado ponto da curva de transferência. A figura 8 mostra o significado da transcondutância.

O valor da transcondutância também pode ser obtido diretamente da curva de transferência se o ponto Q é conhecido.

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 dreno a variação da corrente de dreno seria zero e portanto na saturação as curvas seriam paralelas ao eixo horizontal. Na pratica existe uma pequena inclinação indicando que a corrente tem um pequeno acréscimo de valor quando a tensão de dreno aumenta.

Figura 9: Obtendo a resistência de saída a partir da curva característica de dreno

Experiência 22: Curvas Características - Dreno (IDxVDS) e Transferência (IDxVGS)

1) 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)

VDS(V)	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
VGS=0 ID(mA)
VGS=1,5V ID(mA)

2) 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.

3) 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.

VDS=6V	VGS(V)	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
VDS=6V	ID(mA)

4) 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.