Transistor de Efeito de Campo de Junção

Transistor de Efeito de Campo
de Junção - JFET
Prof. Dr. Ulisses Chemin Netto ([email protected])
ET74C – Eletrônica 1
11 de Novembro de 2015
Objetivo da Aula
 Conhecer a estrutura e operação do Transistor
de efeito de campo de junção.
ET74C – Eletrônica 1
2
Conteúdo Programático
 Estrutura do JFET;
 Funcionamento;
 Curva Característica de saída.
ET74C – Eletrônica 1
3
Construção de Conhecimento
esperado
 Familiarizar-se com as características estruturais
e operacionais do transistor de efeito de campo
de junção (JFET).
ET74C – Eletrônica 1
4
Divisão dos Transistores
NPN
Tipo de portador
majoritário
Bipolar
PNP
Transistor
Canal N
Unipolar
JFET
Canal P
Junction Field-Effect Transistor
ET74C – Eletrônica 1
5
Principal Diferença entre
Transistores
Bipolar
Unipolar
ET74C – Eletrônica 1
• Dois tipos de portadores envolvidos
no processo de condução de
corrente;
• Elétrons e Lacunas.
• Um único tipo de portador envolvido
no processo de condução de
corrente;
• Elétrons para o JFET de canal n;
• Lacunas para o JFET de canal p.
6
Principal Diferença entre
Transistores
O TBJ é controlado por corrente (IB);
IC=f(IB);
O JFET é controlado por tensão (VGS);
ID=F(VGS).
ET74C – Eletrônica 1
7
Principal Diferença entre
Transistores
A corrente de saída depende de um parâmetro da entrada
ET74C – Eletrônica 1
8
Principal Diferença entre
Transistores
 O JFET possui uma impedância de entrada elevada;
– Valor típico com ordem de grandeza de M;
 O ganho de tensão CA é menor do que aquele obtido
com o TBJ;
– Variação da corrente de saída é maior no TBJ.
• Em função da impedância de entrada elevada.
 Menos suscetível a variações de temperatura do que o
TBJ;
 Menores dimensões em relação ao TBJ → mais
adequado para construção de Circuitos Integrados.
ET74C – Eletrônica 1
9
Sugestão de Aplicação
 Usa-se TBJ para grandes ganhos de tensão;
 Usa-se JFETS para altas impedâncias de entrada;
 Desenvolvimento de amplificadores de múltiplos
estágios combinando os dois tipos de transistores.
– JFET no primeiro estágio → alta impedância de entrada;
– TBJ, como Emissor-Comum, no segundo estágio → alto
ganho de tensão.
ET74C – Eletrônica 1
10
Similaridades entre transistores
 Elemento com três terminais;
– Regiões análogas (emissor, base e coletor com fonte,
porta e dreno).
 Aplicado para amplificação de sinais;
 Construído com materiais do tipo n e p;
 Aplicado como chave.
ET74C – Eletrônica 1
11
Similaridades entre transistores
 Analogia entre os Terminais do TBJ e do JFET
TBJ
JFET
E
B
C
IE
IB
IC
S
G
D
IS
IG
ID
O conhecimento construído para o TBJ será aplicado ao JFET.
ET74C – Eletrônica 1
12
Construção do JFET
 Características iniciais
– Há dois tipos de JFETS:
• de canal n;
• de canal p.
– JFETs têm três terminais:
• O Dreno – Drain – (D) e a Fonte – Source – (S) são
conectados pelo canal n;
• A porta – gate – (G) é conectada ao material do tipo p.
ET74C – Eletrônica 1
13
Construção do JFET
 Ideia inicial
• Pedaço de material tipo n;
• Extermidade superior: Dreno (Drain);
• Extermidade inferior: Fonte (Source);
• A tensão VDD força os elétrons a
fluírem da Fonte para o Dreno através
do canal de material do tipo n.
Não se trata de um JFET ainda e sim do primeiro passo para
construção de um.
ET74C – Eletrônica 1
14
Construção do JFET
 JFET canal n
• A maior parte do material é do tipo n;
• O material do tipo n forma o canal
entre os materiais do tipo p e possui
dopagem inferior ao material do tipo
p;
• Os materiais do tipo p estão
conectados entre si e ao terminal
Porta (G);
• Na ausência de potencial aplicado, o
JFET possui duas junções p-n não
polarizadas  duas regiões de
depleção similares àquela do diodo.
ET74C – Eletrônica 1
15
Construção do JFET
 JFET canal p
Porta (Gain)
Dreno
n
p
n
Fonte (Source)
ET74C – Eletrônica 1
16
Construção do JFET
 Tensões importantes:
– VDS
• Tensão entre dreno e fonte;
– VGS
• Tensão aplicada entre a porta e a fonte.
ET74C – Eletrônica 1
17
Construção do JFET
 Dreno - terminal a partir do qual os portadores
majoritários saem. A corrente no sentido
convencional que entra é designada por ID. A
tensão VDS é positiva se o potencial em D é mais
positivo que S.
ET74C – Eletrônica 1
18
Construção do JFET
 Porta - Em ambos os lados do canal N, (no caso
do JFET canal N), são dispostas duas regiões
fortemente dopadas por impurezas aceitadoras
(material tipo P). É aplicada uma tensão VGS
para polarizar reversamente a junção pn entre
as regiões de porta e fonte.
Controle da
corrente ID
ET74C – Eletrônica 1
19
Construção do JFET
 Fonte - terminal em que a corrente devida aos
portadores majoritários (elétrons) penetra no
canal. Designada por IS.
ET74C – Eletrônica 1
20
Construção do JFET
 Analogia para o mecanismo de controle do JFET:
– Fonte: Pressão d’água comparada a tensão aplicada
entre o dreno e a fonte (VDS);
– Fluxo de água = fluxo de elétrons a partir da fonte em
direção ao dreno;
– Porta – controla o fluxo de elétrons por meio de um
sinal de controle (VGS) para o dreno.
ET74C – Eletrônica 1
21
Efeito de Campo
 Significado:
– O caminho de circulação de corrente ID é controlado
pela tensão VGS;
• Essa tensão modifica a largura do canal n;
• O campo elétrico estabelecido entre a junção do material
p e n;
ET74C – Eletrônica 1
22
Construção do JFET
 Símbolo:
Canal n
ET74C – Eletrônica 1
Canal p
23
Análise do JFET
 Considerando VGS = 0V e VDS > 0
p
ET74C – Eletrônica 1
n
p
24
Análise do JFET
 Considerando VGS = 0V e VDS > 0
Dreno
iD
• Fluxo
de
elétrons
(portadores
majoritários)
induzidos por VDS da fonte
para o dreno;
• Alteração forçada da zona
de depleção;
p
n
p
• Estabelece
o
sentido
convencional de corrente;
• ID=IS.
Fonte S
ET74C – Eletrônica 1
iS
25
Análise do JFET
 Considerando VGS = 0V e VDS > 0
iD
Dreno
• Aumentando
aumenta-se
depleção.
a
VDS,
zona
de
• A região de depleção é mais
larga na parte superior do
material p;
p
n
p
• Por qual razão a zona de
depleção se modifica?
Fonte S
ET74C – Eletrônica 1
iS
26
Análise do JFET
 Considerando VGS = 0V e VDS > 0
– Considerar a resistência do canal n uniforme;
– A corrente ID estabelece quedas de tensão ao longo
do canal – Distribuição de tensões ao longo do
canal;
– A região de depleção varia de acordo com a tensão
reversa aplicada (maior tensão – aumento da região
de depleção);
ET74C – Eletrônica 1
27
Análise do JFET
 Considerando VGS = 0V e VDS > 0
– Como a junção pn porta-fonte está reversamente
polarizada, a corrente de porta é igual a zero (IG=0);
ET74C – Eletrônica 1
28
Análise do JFET
 Considerando VGS = 0V e VDS > 0
• Se VGS = 0 V e VDS aumenta continuamente
para uma tensão mais positiva, um ponto é
alcançado onde a região de depleção fica tão
grande que “estrangula” o canal.
• Isso sugere que a corrente no canal (ID) cai
para 0 A, mas isso não acontece: à medida que
a VDS aumenta, a ID também aumenta.
Entretanto, uma vez que o pinch-off ocorre,
aumentos subsequentes na VDS não fazem com
que a ID aumente.
ET74C – Eletrônica 1
29
Análise do JFET
 Considerando VGS = 0V e VDS > 0
No ponto do pinch-off:
o Qualquer aumento adicional da
VDS não produz nenhum aumento na
ID. No pinch-off, a VDS recebe o
nome de Vp.
o A ID está em saturação ou em seu
valor máximo, e é referida como
IDSS..
Corrente máxima de dreno quando VGS = 0V e VDS > |VP|
ET74C – Eletrônica 1
30
Análise do JFET
 Considerando VGS = 0V e VDS > 0
• Ou seja, para VDS > VP o JFET se comporta como uma fonte de
corrente;
• ID=IDSS
• VDS é determinada pela carga.
ET74C – Eletrônica 1
31
Análise do JFET
 Considerando VGS < 0V e VDS > 0
• À medida que a VGS se torna mais
negativa, a região de depleção
aumenta.
ET74C – Eletrônica 1
32
Análise do JFET
 Considerando VGS < 0V e VDS > 0
ET74C – Eletrônica 1
33
Análise do JFET
 Considerando VGS < 0V e VDS > 0
– A medida que VGS se torna mais negativa o JFET irá
saturar para valores menores de VDS;
– O valor de IDSS irá diminuir conforme VGS se torne mais
negativa;
– O valor de pinch-off diminui e passa a descrever uma
parábola conforme VGS se torne mais negativa;
– Quando VGS= –VP a saturação será, basicamente, ID= IDSS
= 0mA  JFET desligado.
ET74C – Eletrônica 1
34
Análise do JFET
 Considerando VGS < 0V e VDS > 0
– Em resumo:
“O valor de VGS que resulta em ID = 0mA é definido por
VGS=VP , sendo VP uma tensão negativa para
dispositivos de canal n e uma tensão positiva para
JFETS de canal p.”
ET74C – Eletrônica 1
35
Análise do JFET
 Considerando VGS < 0V e VDS > 0
– Região ôhmica:
• Nessa região o JFET se comporta como um resistor
variável controlado pela tensão VGS;
• A inclinação de cada curva e portanto a resistência do
dispositivo entre dreno e fonte para VDS < VP é função de
VGS;
• Conforme VGS se torna mais negativa, a inclinação da
curva se torna mais horizontal, correspondendo a um
aumento de resistência.
ET74C – Eletrônica 1
36
Análise do JFET
ET74C – Eletrônica 1
37
Análise do JFET
 JFET de canal p
• O JFET de canal p se comporta da
mesma forma que o JFET de canal n.
A diferenças são que as polaridadades
de tensão e as direções das correntes
são reversas.
ET74C – Eletrônica 1
38
Análise do JFET
 JFET de canal p
• À medida que a VGS se torna mais positiva:
• A região de depleção aumenta, e
a ID diminui (ID < IDSS).
• A ID cai, por fim, a 0 A (quando
VGS = VGSoff)
• Observe também que a altos níveis de VDS o JFET atinge uma situação de
ruptura: a ID aumenta incontrolavelmente se VDS > VDSmáx.
ET74C – Eletrônica 1
39
Análise do JFET
 Resumo para o JFET de canal n:
– A corrente máxima é definida por IDSS e ocorre
quando VGS=0V e VDS≥|VP|;
– Para tensões VGS menores do que o valor de pinchoff, a corrente de dreno ID = 0A;
– Para todos os valores de VGS entre 0V e o valor de
pinch-off, a corrente ID irá variar entre IDSS e 0A.
ET74C – Eletrônica 1
40
Análise do JFET
• As características de transferência de entrada a saída do JFET não
são tão simples quanto as do TBJ (IC=IB).
• TBJ:  indica a relação entre IB (entrada) e IC (saída).
• JFET: a relação entre VGS (entrada) e ID (saída) é um pouco mais
complicada:
ID  I
 V 
 1 GS 
DSS  V 
P 

2
Equação de Shockley
ET74C – Eletrônica 1
41
Análise do JFET
• Este gráfico mostra o valor de ID para um dado valor de VGS.
ET74C – Eletrônica 1
A partir de IDxVDS é possível obter IDxVGS
42
Folha de Dados para o JFET
 Os valores máximos de interesse são:
– A tensão entre dreno e fonte – VDS;
– A tensão entre dreno e porta – VDG;
– A tensão entre porta e fonte – VGS;
– A máxima corrente de porta – IG;
– A máxima potência dissipada – PD;
– O valor da corrente de saturação – IDSS;
– O valor da tensão de pinch-off – VP;
ET74C – Eletrônica 1
43
Folha de Dados para o JFET
 Exemplo de folha de dados:
Tipo de encapsulamento
ET74C – Eletrônica 1
44
Folha de Dados para o JFET
 Exemplo de folha de dados:
ET74C – Eletrônica 1
45
Folha de Dados para o JFET
 Região de Operação:
Região para
Amplificação Linear
ET74C – Eletrônica 1
46
Relações importantes
 As principais relações para análise do JFET e sua
comparação com o TBJ são apresentadas:
JFET
ET74C – Eletrônica 1
TBJ
47
Relações importantes
 As principais relações para análise do JFET e sua
comparação com o TBJ são apresentadas:
ET74C – Eletrônica 1
48
Referências Utilizadas
 BOYLESTAD, Robert L.; NASHELSKY, Louis.
Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 11.
ed. São Paulo: Pearson education do Brasil, 2013.
 SEDRA,
Adel
S.;
SMITH,
Kenneth
C..
Microeletrônica. 5ed. São Paulo: Pearson Prentice
Hall, 2007.
 MALVINO, Albert Paul. Eletrônica. 4. ed. São Paulo:
Makron, c1997. 2v.
ET74C – Eletrônica 1
49
Obrigado pela Atenção!
Prof. Dr. Ulisses Chemin Netto – [email protected]
Departamento Acadêmico de Eletrotécnica – DAELT – (41)3310-4626
Av. Sete de Setembro, 3165 - Bloco D – Rebouças - CEP 80230-901
Curitiba - PR - Brasil
ET74C – Eletrônica 1