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Universidade Federal do PiauíCentro de TecnologiaCurso de Engenharia Elétrica

DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS

Prof. Marcos [email protected]/zurita

Teresina - 2012

Transistores de Efeito de Campo - Parte I - JFETs

mailto:[email protected]

2Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita

Sumário

1. Introdução 2. O Transistor JFET 3. Características do JFET 4. Regiões de Operação 5. Curva de Transferência 6. Polarização do JFET Bibliografia


1. Introdução


Introdução

Transistores de Efeito de Campo (FET) FET – Field Effect Transistor São dispositivos cuja corrente entre dois pinos

pode ser controlada através da tensão em um terceiro pino.

Os mais populares membrosda família de transistores FETsão os MOSFETs.

Outro tipo de FET é o JFET,que, por sua simplicidade,será abordado inicialmente.

FET

I

Terminal decontrole

V


Introdução

Transistores FET em diferentes encapsulamentos


2. O Transistor JFET


O Transistor JFET

JFET: Transistor de Efeito de Campo de Junção (do inglês, Junction Field Effect Transistor);

Formado pela associação entre SCs tipo p e n, sendo um deles fortemente dopado.

Basicamente composto por: um canal SC responsável pela

condução de corrente entre doisterminais (Fonte e Dreno);

um mecanismo de controle docanal, operado por um terceiroterminal (Porta).

Há dois tipos de JFETs: JFET canal n; • JFET canal p.

np+

Fonte / Source(S)

Dreno / Drain(D)

Porta / Gate(G)

Canal n

p+

Região de depleção


O Transistor JFET

Estrutura básica do JFET canal n e canal p

p+ e n+: regiões p e n fortemente dopadas (≥1018/cm3). Como o gate é muito mais fortemente dopado que o

canal, a região de depleção estende-se quase que totalmente no lado do canal (vide Eq. 2.12).

np+

Fonte / Source(S)

Dreno / Drain(D)

Porta / Gate(G)

Canal n

p+


pn+

Fonte / Source(S)

Dreno / Drain(D)

Porta / Gate(G)

Canal p

n+



O Transistor JFET

Embora o dispositivo seja simétrico é conveniente haver uma distinção entre os terminais conectados ao canal:

Terminal Fonte (S – Source): de onde partem os elétrons num JFET canal n (“fonte” de elétrons).

Terminal Dreno (D – Drain): destino doselétrons num JFET canal n. Comumenteconectado ao dissipador térmico emdispositivos que o possuem;

Simbologia:

Conectado ao Dreno (D)

JFET canal n

G

S

D

G

S

DJFET canal p

G

D

S

G

D

S


3. Características do JFET


Características do JFET

Admita um JFET canal n, polarizado por uma fonte de tensão vDS (entre D e S) e outra vGS (entre G e S).

Análise para vGS = 0V e vDS ≥ 0V Como vGS = 0V, a junção

entre o gate e o canal ficareversamente polarizadapara qualquer valor positivode vDS.

Ao aplicar vDS > 0V, umacorrente de elétrons fluirádo terminal fonte para odreno, através do canal,limitada por sua resistência.

np+

S

Gp+


D

VGS

VDS



Se a tensão vDS for suficientemente pequena, a região de depleção pode ser desprezada e a largura do canal assumida como a distância entre as regiões de gate (2a).

Nessas condições, a resistência do canal pode ser obtida a partir da Eq. 1.23 como sendo:

Logo, a corrente através docanal (iDS) será dada por:

ou seja:

r O = LA

= 1

LA

= 1q n N D

L2 a⋅W

I DS=vDS /r0L

W

2a

xz

yI DS=2a WL qn N D

vDS (Eq. 6.1)



Enquanto vDS permanecer suficientemente baixo, a corrente através do canal aumentará linearmente, conforme previsto pela lei de Ohm através da Eq. 6.1.

Entretanto, à medida que vDS se aproxima de um dado valor (VP), o tamanho da região de depleção torna-se cada vez mais significativa.

A largura da região de depleção dependerá da ddp entre o gate (0V, neste caso) e o canal, que, conforme a teoria de semicondutores (Eq. 2.45), é dada por:

onde, W deplecao= 2

q N AN D

N A N D V 0−V juncao (Eq. 6.2)

V juncao=vGS−V canal x , y (Eq. 6.3)



Entretanto, essa ddp (Eq. 6.3) não é constante ao longo do canal, visto que vDS está distribuída entre o terminal fonte e o dreno.

Isto provocará uma distorção daregião de depleção, cuja larguracrescerá ao longo do canal com-forme a distância até o dreno(onde a ddp é maior) diminui.

Naturalmente, esse aumentoda região de depleção reduziráa área do canal (2aW), aumen-tando a sua resistência.



A partir vDS = VP a região de depleção aumenta a ponto de “estrangular” o canal e corrente através dele praticamente não cresce mais com o aumento de vDS.

Corrente Máxima de Dreno (IDSS) - ou corrente vDS de saturação: é a corrente iDS do JFET obtida quando vGS = 0V e vDS = VP.

A corrente iDS de saturação (IDSS) de um JFET pode ser calculada a partir da Eq. 6.1, fazendo vDS = VP, ou seja:

(Eq. 6.4)I DSS=2 a WL q N D

n V P



Tensão de Pinch-off (VP) – ou tensão de estrangula-mento: mínima tesão entre o dreno e o fonte capaz de provocar o estrangulamento do canal de um JFET.

Para vDS > VP a corrente através do canal virtualmente não cresce mais, pois fluxo de portadores atinge seu valor máximo (satura) em vDS = VP.

Para valores de vDS suficientemente elevados acima de VP, ocorre um aumento abrupto na corrente iDS.

Tensão de Ruptura (VDSmax ou BVDSS) – tensão vDS a partir da qual ocorre a ruptura do canal do JFET.

Na ruptura, iDS é limitada unicamente pelo circuito externo ao JFET, podendo ocasionar sua queima.



Curva iD-vDS do JFET para vGS = 0

IDSS

VP VDSmax0

Resistência do canal n

Aumento da resistência devidoao estreitamento do canal

Nível de saturação

pinch-offRuptura



Análise para vGS < 0V e vDS > 0V Ao se aplicar uma tensão negativa em vGS, a região de

depleção crescerá de maneira semelhante a análise anterior (com vGS = 0V), porém,para valores menores de vDS.

De fato, mesmo se vDS fossefixado em um valor positivo,seria possível modular alargura do canal unicamenteatravés de vGS.

Dessa forma, quanto maisnegativo for vGS, mais estreito será o canal e menor será sua capacidade de condução de corrente.

p+

S

D

VGS = 0V

G

n

p+ G

VGS = -4V

VGS = -1VVGS = -2V

VDS = 10V



Consequentemente, a saturação será atingida para valores tanto menores de vDS quanto mais negativa for a tensão de gate.

Se vGS tornar-se negativo o bastante o canal será completamente estrangulado, levando o valor da corrente de saturação a zero para qualquer valor de vDS.

Tensão de Corte (VGS(desligado) ou VGS(off)): é o valor de vGS para o qual o canal torna-se completamente estrangulado. Corresponde, em módulo, a VP.

Na condição de corte (|vGS| = VP), o JFET comporta-se de forma semelhante a uma chave aberta (ou desligada).



Curvas ID-VDS do JFET para VGS ≥ 0

IDSS

VP0

VGS = 0 V

-VGS1

-VGS2-VGS3

-VGS4-VGS5

-VGS = VP


4. Regiões de Operação


Regiões de Operação

Conforme os valores de vDS e vGS, é possível estabele-cer em que região de operação o JFET se encontra:

I - Região Ôhmica: -VP < vGS ≤ 0 e vDS ≤ VP - vGS

II - Região de Saturação: -VP ≤ vGS ≤ 0 e vDS ≥ VP - vGS

III - Região de Corte: vGS ≤ -VP

IV - Região de Ruptura: vDS > VDSmax

VGS = 0 V

-VGS1

-VGS2

-VGS3

-VGS4

-VGS5

Linha de estrangulamento(Lugar geométrico dos valores de pinch-off)

I II

III

IV



Características vDS-iDS de um JFET canal n Região Ôhmica (-VP < vGS ≤ 0 e vDS ≤ VP - vGS)

Também conhecida como “Região de Triodo”. A corrente de dreno nesta região pode ser expressa em

função da corrente de saturação (IDSS) como sendo:

Uma aproximação alternativa e mais simplificada pode ser definida com base na Eq. 6.1, como:

(Eq. 6.5)iD= I DSS[21−vGS

V P vDS

−V P − vDS

V P 2]

(Eq. 6.6)iD= I DS1− vGS

V P



Na região de triodo o JFET comporta-se como um resistor controlado por tensão, cuja resistência é tanto maior quanto maior for vGS.

Uma aproximação da resistência entre os terminais de dreno e fonte na região de triodo é dada por:

Onde ro é a resistência do canal para vGS = 0, que, conforme visto anteriormente pode ser expresso por:

(Eq. 6.7)r d=r o

1−vGS /V P 2

r o=[2 aWL q n N D

]−1

(Eq. 6.8)



Região de Saturação (-VP ≤ vGS ≤ 0 e vDS ≥ VP - vGS) Também conhecida como “Região de Amplificação”. A corrente de dreno nesta região pode ser expressa em

função da corrente de saturação (IDSS) através da equação de Shockley:

Onde λ é o parâmetro de inclinação da curva da corrente de dreno na região de saturação, sendo definida como o inverso da Tensão Early (VA).

Uma simplificação da Eq. 6.9 pode ser obtida desprezan-do-se o termo (1+λvDS), o que corresponde a assumir que o crescimento de ID após a saturação é desprezível.

(Eq. 6.9)iD= I DSS1−vGS

V P 2

1 vDS



Tensão de Early (VA): graficamente, corresponde ao ponto de interseção com o eixo VDS das projeções das curvas das correntes de dreno na região de saturação.

-VA = -1/λ


Polarização do JFET

Alternativamente, a resistência ro definida anteriormente pode ser calculada na região de saturação através da tensão de Early:

É possível deduzir, a partir da simplificação da Eq. 6.9, a equação da tensão de gate em função da corrente de dreno:

(Eq. 6.10)r o=∣V A∣iD

(Eq. 6.11)vGS=V P1− iD

I DSS



Região de Corte (vGS ≤ -VP) Nesta região o JFET comporta-se como uma chave

aberta para qualquer valor de vDS, logo:

Região de Ruptura (vDS > VDSmax): Esta não é propriamente uma região de operação

desejável, pois pode causar a queima do componente. Nesta região a corrente de dreno é limitada unicamente

pelo circuito externo ao transistor, logo não é possível estabelecer uma equação geral para ela.

(Eq. 6.12)iD=0


5. Curva de Transferência


Curva de Transferência

Curva de transferência: relaciona diretamente a corren-te de dreno (iDS) à tensão de controle do JFET (vGS).

Pode ser obtida a partir da eq. de Shockley (Eq. 6.9) ou das curvas iD-vDS.



A curva de transferência evidencia dois importantes parâmetros do JFET:

IDSS: interseção da curva com o eixo vertical (ID). VP: interseção da curva com o eixo horizontal (vGS).

Além disso, ela também permite a determinação do ponto de operação do JFET em um circuito, pelo do método gráfico.

Esboço da Curva de Transferência Pode ser feito com o auxílio da tabela abaixo obtida a partir

da Eq. 6.9:ID vGS

IDSS 0

IDSS/2 0,3 VP

IDSS/4 0,5 VP

0 VP



Ex: Esboce a curva de transferência para JFET de canal n, com IDSS = 12mA e VP = -6V.

Sol: P/ ID = IDSS → vGS = 0 ID = 12mA → vGS = 0V P/ ID = IDSS/2 → vGS = 0,3VP

ID = 6mA → vGS = -1,8V P/ ID = IDSS/4 → vGS = 0,5VP

ID = 3mA → vGS = -3V P/ ID = 0 → vGS = VP

ID = 0mA → vGS = -6V32



Ex: Esboce a curva de transferência para JFET de canal p, com IDSS = 4mA e VP = 3V.

Sol: P/ ID = IDSS → vGS = 0 ID = 4mA → vGS = 0V P/ ID = IDSS/2 → vGS = 0,3VP

ID = 2mA → vGS = 0,9V P/ ID = IDSS/4 → vGS = 0,5VP

ID = 1mA → vGS = 1,5V P/ ID = 0 → vGS = VP

ID = 0mA → vGS = 3V


6. Polarização do JFET



O projeto e a análise de circuitos envolvendo JFETs parte da determinação dos parâmetros de operação do componente.

Tais parâmetros dependem do circuito a sua volta e da polarização por ele imposta.

Podemos definir 5 tipos básicos de polarização do JFET: Polarização Fixa; Autopolarização; Polarização por Divisor de Tensão; Polarização por Fonte de Corrente; Polarização por Duas Fontes.

Os três primeiros tipos (mais elementares) serão abordados neste capítulo.



Algorítimo de Determinação da Polarização De maneira geral, a solução de qualquer uma das

configurações de polarização parte da determinação da equação da tensão de controle do JFET, isto é, vGS.

Conhecida a equação de vGS, o passo seguinte é a escolha de um dos dois métodos básicos de resolução:

Método matemático: consiste em aplicar a equação de vGS na equação de Shockley e soluciona-la. Para algumas configurações pode não haver resolução analítica.

Método gráfico: consiste em traçar a curva característica do circuito de polarização diretamente sobre a curva de transferência do JFET. O ponto de operação é então determinado pela interseção entre as curvas.



Polarização Fixa Caracteriza-se pela presença de uma fonte DC fixa

dedicada a polarização do gate. É tipo mais simples de

polarização do JFET. Pode ser solucionada

tanto pelo método ma-temático quanto pelométodo gráfico (curvade transferência).

36



−V GGRG iG−vGS=0

−V GG−vGS=0

Uma vez que os capacitores são 'circuitos abertos' em análise DC, podemos eliminá-los do circuito para deter-minar a polarização.

A determinação da eq.de vGS, pode ser feitaatravés da análise demalha:

mas iG = 0, logo:

ou seja:vGS=−V GG (Eq. 6.13)



A Eq. 6.13 sugere que, para a análise da polarização, o circuito dado equivale a um onde a fonte VGG é direta-mente conectada ao gate.

A solução matemática pode ser encontrada simplesmente aplicando a Eq. 6.13 à Eq. de Shockley, que, desprezando λ torna-se:

iD= I DSS1vG G

V P 2

(Eq. 6.14)



A solução gráfica parte da determinação da curva de transferência do JFET em questão, que pode ser esboçada através do método exposto na página 31.

Com a curva de transferênciatraçada basta traçar sobre elaa curva de vGS (Eq. 6.13), que,neste caso é simplesmenteuma reta vertical em vGS = -VGG.

A interseção entre as curvasdetermina o ponto de operaçãodo JFET, também chamado deponto quiescente (Q).

A partir do ponto Q encontra-se o valor de iDQ.

RetaVGS = -VGG

-VGG

Ponto QiDQ



Ex.: Determine iDQ, vGSQ e vD para o circuito abaixo.



Sol.:

Ponto Q

vGSQ=−V GG=−2V



42

Autopolarização Elimina a necessidade de uma fonte dedicada à polari-

zação do gate. Polarização através da tensão

sobre o resistor RS. vGS torna-se uma função da

corrente de saída iD, e daresistência RS.



Assim como na análise anterior, podemos eliminar os capacitores do circuito para determinar a polarização.

A determinação da eq.de vGS, pode ser feitaatravés da análise demalha:

mas iG=0 e iS =iD, logo:RG iG−vGS−RS i S=0

vGS=−RS iD (Eq. 6.15)



Conforme a Eq. 6.15, a análise da polarização nesta configuração pode ser feita assumindo um circuito equivalente cujo gate é diretamente ligado ao terra.

A solução matemática pode ser encontrada substituindo a Eq. 6.15 na equação de Shockley, resultando em:

A manipulação algébrica desta equa-ção resulta em:

iD= I DSS1RS iD

V P 2

(Eq. 6.16)

iD2 K1iDK 2=0 (Eq. 6.17)



onde os termos K1 e K2 são dados por:

Naturalmente, a resolução da Eq. 4.17 resulta em duas raízes possíveis para iD. A solução válida (iDQ) é sempre a raiz de menor magnitude.

Uma vez determinada a corrente de dreno quiescente (iDQ) basta inseri-la na Eq. 6.15 para determinar a tensão de gate quiescente (vGSQ).

K1=V P 2 I DSS RS−V P

I DSS RS2 (Eq. 6.18)

K 2=V P

RS 2

(Eq. 6.19)



A resolução pelo método gráfico, consiste simplesmente em traçar a curva de vGS sobre a curva de transferência do JFET, previamente esboçada.

A eq. de vGS neste caso é umareta (Eq. 6.15), cuja incli-nação é dada por RS.

Para traça-la basta adeterminação de 2pontos:

iD = 0 → vGS = 0 iD = iarbitrário

→ vGS = RS.iarbitrário

47

RetaVGS = -RSiD

iDQ

vGSQ

Ponto Q



Ex.: Determine iDQ, vGSQ e vD para o circuito abaixo.



Sol.: Arbitrando iD = 8 mA e aplicando-se o valor de RS = 1 kΩ na Eq. 6.15 encontra-se vGS = -8 V e a reta de autopolarização pode então ser traçada:

Reta vGS = 1×103iD



A determinação do ponto quiescente pode então ser feita pela interseção da reta de autopolarização com a reta de carga do JFET:

vGSQ=−2,6ViDQ=2,6 mA

v D=V DD−RD iDQ

v D=20V−3,3×103⋅2,6×10−3

v D=11,42 V



Polarização por Divisor de Tensão Caracteriza-se por fixar a polarização do gate sem a

necessidade de uma fonte dedicada e de forma mais independente dos parâmetros de saída do JFET.

Através dessa configuraçãoé possível ajustar o pontode operação do JFETsem variar a resistênciaRS, como ocorre naautopolarização.



Eliminando os capacitores para a análise de polarização, pode-se determinar vG diretamente através do divisor de tensão formado por R1 e R2, ou seja:

Por outro lado, vGS édado por:

logo:

vG=V DD R2

R1R2 (Eq. 6.20)

vGS=vG−vS

vGS=vG−RS i D (Eq. 6.21)



O procedimento para determinar o ponto de operação deste tipo de circuito de polarização é muito semelhante ao da autopolarização, com a diferença que neste caso a reta de polarização (Eq. 6.21) não parte mais da origem dos eixos e sim do ponto iD = 0, vGS = vG.

Outro ponto notável dareta descrita pela Eq.6.21 pode ser obtidofazendo-se vGS = 0, oque resulta emiD = vG /RS.



A corrente de dreno pode ser reduzida ou aumentada conforme se aumenta ou diminui os valores de RS.

Aumentando osvalores de RS



Ex.: Determine ID, VGSQ e VD para o circuito abaixo.



Sol.: Resolução pelo método gráfico.


Polarização do JFETTipo de Polarização Configuração Principais Equações Solução Gráfica

Fixa

Autopolarização

Divisor de Tensão

vGS=RS iD

vGS=−V GG

vGS=vG−RS i D

vG=V DD R2

R1R2


Bibliografia

Adel S. Sedra, Kenneth C. Smith, “Microeletrônica”, 5ª Edição, Pearson, 2007.

Behzad Razavi, “Fundamentos de Microeletrônica”, 1º Edição, LTC, 2010.

Robert L. Boylestad, Louis Nashelsky, “Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos”, 8º Edição, Prentice Hall, 2004.

David Comer, Donald Comer, “Fundamentos de Projeto de Circuitos Eletrônicos”, LTC, 2005.

Jimmie J. Cathey, “Dispositivos e Circuitos Eletrônicos”, 2ª Ed., Coleção Schaum, Bookman, 2003.

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