JFET-TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO DE JUNÇÃO Felipe

UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
JFET-TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO DE JUNÇÃO
Felipe Gregório Ribeiro dos Santos
Gustavo da Cunha Fonseca
Ícaro Henrique Thomazella
Leonardo Travalini
Rodrigo Cardoso Lopes
Bauru, 2008
FELIPE GREGÓRIO RIBEIRO DOS SANTOS RA:710806
GUSTAVO DA CUNHA FONSECA RA:711012
ÍCARO HENRIQUE THOMAZELLA RA: 710709
LEONARDO TRAVALINI RA:711081
RODRIGO CARDOSO LOPES RA: 711071
JFET-TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO DE JUNÇÃO
Trabalho acadêmico da disciplina de
Eletrônica I do departamento de
Engenharia Elétrica da Universidade
Estadual Paulista, ministrado pelo
professor Alceu Ferreira Alves, com o
objetivo de apresentar os conceitos do
transistor JFET e suas características.
Bauru
2008
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO.....................................................................................................3
CURVAS DE DRENO..........................................................................................5
CORRENTE MÁXIMA DE DRENO.....................................................................6
REGIÃO ÔHMICA...............................................................................................6
TENSÃO NA PORTA (GATE).......................................................................................7
Tensão de corte
CURVA DE TRANSCONDUTÂNCIA..................................................................8
POLARIZAÇÃO NA REGIÃO ÔHMICA..............................................................9
POLARIZAÇÃO DA PORTA ............................................................................10
SATURAÇÃO FORTE.......................................................................................10
BIBLIOGRAFIA.................................................................................................12
3
INTRODUÇÃO
O transistor de efeito de campo de junção, JFET, é um dispositivo de
três terminais utilizado em várias aplicações, como: pré-amplificador de vídeo
para câmeras de TV, estágios amplificadores de RF para receptores de
comunicações, instrumentos de medição, etc. e que realiza muitas das funções
do transistor bipolar de junção (BJT), embora que haja diferenças importantes
entre os dois dispositivos.
A principal diferença entre os dois tipos de transistores é o fato de que o
BJT é um dispositivo controlado por corrente, enquanto que o JFET é um
dispositivo controlado por tensão. Em outras palavras, a corrente IC do BJT
depende diretamente de IB, e para o JFET a corrente ID depende diretamente
da tensão VGS aplicada ao circuito de entrada. Em ambos os casos a corrente
de saída está sendo controlada por algum parâmetro de circuito de entrada, em
um caso, o nível de corrente, e no outro, a tensão aplicada.
Assim como nos transistores bipolar de junção, existem transistores de
efeito de campo de canal n e canal p. Entretanto, é importante observar que o
BJT é um dispositivo bipolar, enquanto que o JFET é um dispositivo unipolar,
ou seja, depende somente da condução realizada por elétrons (canal n) ou
lacunas (canal p).
Uma das características mais importantes do JFET é a alta impedância
de entrada. Esta característica é muito relevante no projeto de amplificadores.
Por outro lado o BJT apresenta maior sensibilidade às variações do sinal
aplicado. Assim, as variações de corrente de saída são tipicamente maiores
para os BJTs do que para os FETs, para uma mesma variação do sinal de
entrada, por isso que os ganhos de tensão dos amplificadores adquiridos com
a utilização dos BJTs são superiores que aos ganhos de tensão adquiridos com
a utilização de amplificadores com FETs. Em geral os FETs são mais estáveis
com relação a temperatura do que os BJTs.
4
O JFET
A construção de um JFET na prática é bastante complicada, pois é necessária
uma tecnologia de dopagem nos dois lados de um substrato de semicondutor tipo P ou
tipo N.
Figura 1 – JFET
O JFET é formado por um estreito canal semicondutor tipo P ou N em cujas
extremidades são feitos contatos denominados de Dreno(D), de onde as cargas
elétricas saem, e Fonte(S), por onde as cargas elétricas entram. O terminal Gate(G) é
que faz o controle da passagem das cargas.
A polarização do JFET é diferente do BJT. Num transistor bipolar polarizamos
diretamente o diodo base-emissor, porém, em um JFET, sempre polarizamos
reversamente o diodo porta-fonte. Essa polarização reversa na porta faz com que
aumente a região de depleção, diminuindo a largura do canal e dificultando assim a
passagem de corrente entre dreno e fonte. Quanto mais negativa for à tensão da
porta, mais apertado é o canal, portanto a tensão da porta controla a corrente.
Figura 2 – Polarização do JFET
5
CURVAS DE DRENO
As características das curvas de dreno de JFET tipo n são semelhantes as
características de um transistor BJT, apresentando as regiões de saturação, ruptura e
região ativa.
ID
Parábola
Id=kV
2
VGS = 0
Idss= 10mA
Vp
VGS = -1
5.62mA
VGS = -2
2.5mA
VGS = -4
VGS = -3
0.625mA
4
15
30
V DS
Figura 3 – Curva de Dreno JFET tipo n
Para um valor constante de V , o JFET age como um dispositivo resistivo
linear (na região ôhmica) até atingir a condição de pinçamento ou estrangulamento.
Acima da condição de estrangulamento e antes da ruptura por avalanche, a corrente
de dreno permanece aproximadamente constante.
Os índices I
referem-se à corrente do dreno para a fonte com a porta em
curto (V =0V). I
é a corrente de dreno máxima que um JFET pode produzir. Na
Figura 3, é mostrado um exemplo de curva para um JFET. Quando o JFET está
saturado (na região ôhmica), V situa-se entre 0 e 4V, dependendo da reta de carga.
Para polarizar um transistor JFET é necessário saber a função do estágio, isto
é, se o mesmo irá trabalhar como amplificador ou como resistor controlado por tensão.
Como amplificador, a região de trabalho é o trecho da curva após a condição de
pinçamento, e à esquerda da região de tensão V de ruptura. Se for como resistor
controlado por tensão a região de trabalho é entre V igual a zero e antes de atingir a
condição de pinçamento.
6
CORRENTE MÁXIMA DE DRENO
A corrente de dreno para VGS = 0, no seu ponto máximo, é denominada
corrente de curto-circuito dreno e fonte ou DRAIN-SOURCE SHORTED CURRENT
(I ). É a corrente de dreno quando VGS for igual à zero (0) volts e corresponde a
corrente de dreno máxima que o JFET pode conduzir. Podemos observar esta
característica do JFET na figura abaixo.
VGS = 0
(Vpo)
Figura 4 – Corrente Máxima de dreno, quando a tensão VGS for igual a zero.
REGIÃO ÔHMICA
Para um valor constante de VGS, o JFET age como um dispositivo resistivo
linear (na região ôhmica) até atingir a condição de pinçamento ou estrangulamento.
Acima da condição de estrangulamento e antes da ruptura por avalanche, a corrente
de dreno permanece aproximadamente constante. Podemos observar na figura abaixo
a região ôhmica destacada de amarelo.
Região Ôhmica
Figura 5 – Região Ôhmica do transistor JFET.
7
TENSÃO NA PORTA (GATE)
Quando os elétrons circulam da fonte para o dreno, eles têm de passar através
do estreito canal entre duas camadas de depleção. Quanto mais negativa for a tensão
da porta, mais apertado o canal se trona, ou seja, a tensão da porta pode controlar a
corrente através do canal. Quanto mais negativa a tensão da porta, menor a corrente
entre a fonte e o dreno.
O JFET é um dispositivo controlado por tensão porque é reversamente
polarizado. Alterações em V determinam o quanto de corrente pode fluir da fonte
para o dreno, portanto V é a grandeza na entrada de controle.
Um JFET é menos sensível às variações na tensão de entrada do que um
transistor bipolar. Ex: em um JFET a variação de 0,1v na tensão da porta produz uma
variação da corrente de dreno menor que 10 mA e em um transistor bipolar a mesma
variação em base-emissor produz uma variação na corrente de saída muito maior que
10mA.
O JFET funciona como uma fonte de corrente quando está operando ao longo
da parte quase horizontal da curva de dreno. Essa parte está entre a tensão mínima
e a tensão máxima
(
) . A tensão mínima é chamada de tensão de constrição ou
estrangulamento (Pinchoff) e a máxima de tensão de ruptura.
Obs: Pela Figura 3 quando têm-se a corrente máxima de dreno,
= 0, portanto
sabe-se que a tensão mínima ou estrangulamento ou mesmo constrição é
=4V e a
tensão máxima ou tensão de ruptura é
=30V.
Nota-se que quando se têm uma
(
menor será a tensão fonte-dreno (
ruptura.
(
)
)<
á
) para constrição e levemente maior para
Deve-se notar também que quando
= −4 , a corrente de dreno é reduzida a
praticamente zero. Essa tensão aplicada
é chamada de tensão de corte portafonte(
).
( )
Com isso, vemos que a tensão mínima ou constrição
têm módulos iguais:
(
)
=−
e a tensão de corte
(
)
(1)
8
CURVA DE TRANSCONDUTÂNCIA
A curva de transcondutância de um JFET é dada através de um gráfico
de forma corrente de dreno ( ) versus a tensão porta-fonte ( ). Lendo os
valores de
e de
obtidos na curva de dreno, podemos traçar a curva de
transcondutância. A curva de transcondutância de qualquer JFET seguirá a se
apresentar da seguinte forma:
Figura 6 – Curva de transcondutância do JFET
Esse gráfico é característico de todos os JFETs, mudando apenas os
valores para cada um em específico, que variam entre si devido ao tamanho da
região dopada, nível de dopagem e outros fatores, assim esse gráfico segue a
seguinte expressão:
=
(1 −
)²
(2)
Essa equação é utilizada para se descobrir o valor da corrente de dreno,
a corrente de dreno máxima, a tensão da porta e a tensão de corte porta-fonte.
Mas em algumas especificações de transistores trazem o gráfico da figura 6,
com os valores específicos, assim têm-se os valores de modo direto, sem a
necessidade da parte algébrica. E ainda essa equação é de modo quadrático,
pois o gráfico é uma parte de uma parábola. Esse fator ainda estabelece uma
vantagem de um JFET em relação ao bipolar quando se trata da sua aplicação
em circuitos para equipamentos de comunicação.
Exemplo: Suponha que um JFET tenha
a corrente de dreno para
= - 2 V.
= 9 mA e
= - 5 V. Calcule
9
Resolução: Podemos calcular a corrente de dreno através da equação,
= 9
1−
= 3,24
.Podemos ainda calcular a corrente de dreno pelo
gráfico,figura 7, o qual nos dá o valor direto da corrente de dreno.
Figura 7-gráfico de ID X VGS
POLARIZAÇÃO NA REGIÃO ÔHMICA
A região ôhmica de um JFET é a região na qual ele funciona como se
pequeno resistor. Têm-se que numa análise gráfica do JFET, a região ôhmica é
aquela na qual a curva de dreno é praticamente vertical, sendo ela equivalente
à região de saturação de transistor bipolar. Essa parte do gráfico inicia-se com
e iguais a zero e vai até a tensão de constrição ( ), que é a tensão onde
a curva de dreno se torna quase horizontal e é onde separa-se as duas regiões
de operação do JFET. A resistência nessa região é dada através de:
=
(3)
E para que o JFET atue na região ôhmica é necessário que se tenha
uma tensão baixa em
, sendo que podemos ter qualquer polarização tanto
em
como em
, contanto que estas estejam com os valores adequados
para que o transistor esteja atuando na sua região ôhmica, os quais variam de
transistor para transistor. Podemos ver melhor as duas regiões no gráfico:
Figura 8 – Regiões do JFET
O importante a notar-se neste gráfico é que tem-se uma curva linear da
origem até
sendo que o gráfico é de IxV, ou seja, dessa relação explica-se o
10
nome ôhmica, pois nessa região de atuação do JFET ele funciona como um
resistor ôhmico.
POLARIZAÇÃO DA PORTA
Polarização reversa para funcionamento normal, ou seja, tensão portafonte (VGS) é sempre negativa.
Algebricamente: V
≤0
Dessa forma, quanto mais negativa VGS, maior será a camada de
depleção e mais estreito será o canal. Isso diminui o número de portadores,
fazendo com que a corrente de dreno (ID) máxima diminua.
SATURAÇÃO FORTE
Assumindo-se a região de saturação como a região em que não há
portadores livres, em tal região o transistor atua com comportamento próximo a
uma fonte de corrente (região praticamente plana da curva de dreno).
A figura 9 apresenta as curvas de dreno de um JFET mostrando a região
ôhmica e de saturação.
Figura 9 – Região ôhmica e região de saturação nas curvas de dreno
A saturação forte ocorre quando o ponto de operação tende à região de
ruptura na curva de dreno.
A figura 10 (a) apresenta as curvas de dreno juntamente com a reta de
carga do circuito dado como exemplo (b).
11
Figura 10- Curvas de dreno com reta de carga (a) do circuito dado como exemplo (b)
12
BIBLIOGRAFIA
 Site acessados entre os dias 29 de outubro e 02 de novembro de 2008:











http://www.josematias.pt/Alunos/TextoTransistorJFET.pdf
http://pasta.ebah.com.br/download/transistores-unipolares-jfet-mosfet-doc-2054
http://www.radiopoint.com.br/fet.htm
http://www.almhpg.com/public/apostilas/tr_fet/fet.htm
http://www.dee.feb.unesp.br/~alceu/Apostila%20EletrDig%20Parte%202.pdf
http://www.getec.cefetmt.br/~luizcarlos/Tele/Receptor%20AM%20FM/Eletr%F4
nica%20Digital%203.doc
http://www.universia.com.br/mit/6/6071/PDF/f02-lec17_val.pdf
http://paginas.fe.up.pt/~fff/Homepage/Ficheiros/E1_Cap5.pdf
http://www.dee.ufcg.edu.br/~gutemb/Apostila%20Eletronica.pdf
http://www.josematias.pt/Alunos/TextoTransistorJFET.pdf
http://www.dee.feb.unesp.br/~alceu/Apostila%20EletrDig%20Parte%202.
pdf
 MALVINO, Albert Paul. Eletrônica Vol. I, 4º ed. São Paulo, Makron
Books, 1997.