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Eletrônica Básica 1
Aula 17: Transistor Efeito de Campo - Principio de Funcionamento  - Polarização
Referencias
MALVINO, Albert. Eletronica V1
ALBUQUERQUE, R.O. ; PINTO, L.  F. Eletronica Analogica. V2.  São Paulo: Fundação Pe. Anchieta
SEDRA,
A. Microeletronica
1. Transistores  Efeito de Campo
     O principio de funcionamento de um transistor  efeito de campo está baseado na modulação da largura de um canal por uma tensão, 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.

1.1. 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, 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. Considere que  inicialmente VDS=0 e é aplicada uma tensão VGS 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 (ID=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), VP,  sendo uma quantidade negativa no caso de canal N e positiva para o canal P. A tensão de pinçamento muitas vezes é representada por  VGS(off) ou  VTO (Threshold Voltage).
           Agora considere que  VGS=0 e apliquemos  uma tensão entre dreno e fonte com a polaridade indicada na figura 3a. O que  acontece com a corrente quando VDS varia?
            Inicialmente com o VDS pequeno o  canal praticamente não se altera e dentro de certos limites o dispositivo se  comporta como uma resistência de valor aproximadamente constante. 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 VA e entre o ponto B e a fonte uma  tensão VB estando claro que VA>VB. 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,i sto 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  (VP)


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 IDSS, isto  é, o dispositivo passa a se comportar como uma fonte de corrente constante. Na  pratica existe um pequeno aumento em ID quando VDS aumenta  alem de VP.


Figura 4 -   Aspecto do canal quando a tensão de dreno aumenta alem de VP


             A figura 5 mostra graficamente o comportamento  do JFET quando VGS=0 e a tensão de dreno varia,  para um JFET canal N  com VP=-2 V. Inicialmente com VDS=0 a corrente de dreno ID 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. À medida que a tensão de dreno se aproxima  da tensão de pinçamento e o canal se aproxima do estreitamento máximo, a curva  começa a se inclinar. Se a tensão aumentar alem desse valor a variação da  corrente de dreno é praticamente inexistente. Dizemos que o dispositivo entrou  na região de saturação ou região de amplificação. Cuidado que o significado de  saturação no FET é oposto ao do transistor bipolar. Observe o valor da tensão de  dreno para a qual ocorre o pinçamento maximo,



Figura 5 - Curva  característica de dreno para VGS=0V para JFET com VP=-2V

                   Se agora for aplicada uma tensão de porta de  digamos VGS=-1V e for repetido o mesmo procedimento adotado  anteriormente, isto é, variado a  tensão de dreno, será obtida uma curva  semelhante à da figura 5 porem  com um valor de corrente na saturação menor  que  IDSS.
O conjunto de curvas para os vários valores de VGS é chamado de curvas características de dreno, figura  6. Observe que as curvas  não são eqüidistantes, o que se traduz em uma não linearidade e consequentemente  em distorção.


Figura 6 - Curva  característica de dreno para diversos valores de VGS


Curva característica de transferência (IDxVGS)
        É o grafico que relaciona a corrente de dreno, ID, com a tensão entre a porta e a fonte, VGS, para um determinado valor de VDC.  Considere o gráfico da figura 7a e um valor de VDS por exemplo 4 V. Associado a cada valor de VGS existe um valor de ID. Esses valores são:0,3mA,2,6mA, 4,6mA etc.
        Se desenharmos o gráfico de IDxVGS  obteremos um gráfico  chamado de curva característica de transferência, pois transfere os valores de  entrada, VGS,  para a saída, ID. A figura 7a mostra de onde obter na curva característica  de dreno  os dados para desenhar o gráfico da figura 7b.

                                                              ( a )
                                         ( b )
Figura 7 - ( a ) curva característica  de dreno ( b ) curva característica de transferência

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


onde IDSS é a corrente de dreno na  saturação para VGS=0 e VP a tensão de pinçamento

Parâmetros do JFET
       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.  

Transcondutância
Esse é um importante  parâmetro de um FET, sendo definido por:
Esse parâmetro é numericamente igual à  inclinação (derivada) em um determinado ponto da curva de transferência.   A figura  8 mostra o significado da transcondutância. Observe que o valor da transcondutancia depende do ponto de operação, sendo aproximadamente constante se a variação do sinal ao redor do ponto de operação for pequena.

Figura 8 -  Obtendo a transcondutância a partir da curva característica de transferência

Resistência de Saída
A resistência   de saída é  definida como sendo:
que representa fisicamente a inclinação da curva  na região de saturação, Figura 9.  Idealmente o valor de rO 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 são  paralelas ao eixo horizontal.

Figura 9 - Obtendo a resistencia de saida a partir das curvas caracteristicas de dreno



 
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