TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO

Transcrição

1 Engenharia Elétrica Eletrônica Professor: Alvaro Cesar Otoni Lombardi Os Transistores Bipolares de Junção (TBJ ou BJT) São controlados pela variação da corrente de base (na maioria das aplicações) 1

2 Os Transistores Efeito de Campo (FET) Do inglês Field Effect Transistor São controlados pela variação da tensão Os Transistores Efeito de Campo (FET) FET JFET J Junction ou Junção MOSFET DEPEÇÃO NTENSFCAÇÃO MOS Metal Oxid Semiconductor Semicondutor de Metal Óxido

3 Os Transistores Efeito de Campo (FET) FET Canal N Contato ôhmico Dreno (D) Canal N Porta (G) Gate Região de Depleção Fonte (S) Source Os Transistores Efeito de Campo (FET) Funcionamento A região de Depleção não possui portadores livres, portanto não conduz. G = 0 DD + Não passa corrente do Gate para Dreno. GS = 0 e DS > 0 Se G ficar mais negativo, mais aumentará a região de depleção. 3

4 Os Transistores Efeito de Campo (FET) Funcionamento No diodo a polarização reversa faz aumentar a região de depleção. A corrente que passa através da Porta (Gate) G = 0 A. Característica relevante do FET. G D e G S proporcionam alta impedância de entrada. Os Transistores Efeito de Campo (FET) Funcionamento ariação dos potenciais reversos de polarização através da junção p - n de um JFET de canal N. 5 a 75% dos potenciais reversos do FET ficam na região de depleção 4

5 Os Transistores Efeito de Campo (FET) Funcionamento Mantendo o GS = 0 e Se aumentar DS, aumenta também a região de depleção. A corrente D subirá até um determinado nível: Limitado pela redução do canal; Causando aumento da resistência do canal Redução do Canal Aumento da Região de Depleção Aumento de DS Os Transistores Efeito de Campo (FET) Funcionamento A redução do canal levará a corrente a um nível de saturação. DSS Nível de Saturação para GS = 0 Aumento da Resistência devido ao Estreitamento do Canal Resistência do Canal P 5

6 Os Transistores Efeito de Campo (FET) Funcionamento Os dois parâmetros observados devido ao nível de saturação quando GS = 0 P DSS São parâmetros dos FETs que aparecem nos data sheets. Os Transistores Efeito de Campo (FET) Funcionamento DSS S (Saturation) P (Pinch-off) D = DSS Pinch-off ou Constrição 6

7 Os Transistores Efeito de Campo (FET) Funcionamento DSS é a máxima corrente de dreno para um JFET e É definida pela condição GS = 0 e DS > P O valor de GS para D = 0 ma é definido por GS = P GS = P Para o canal N P é Negativo Para o canal P P é Positivo Os Transistores Efeito de Campo (FET) Funcionamento Lugar Geométrico dos alores de Pinch-off Região ôhmica Lugar Geométrico dos alores de pinch-off Região de Saturação 7

8 Os Transistores Efeito de Campo (FET) Funcionamento Resistor controlado do tensão. ro Região ôhmica DS O d r d = 1 GS P r O = É a resistência apresentada por x DS DSS dss 1 d 1 = = = = r d = É a resistência apresentada na região d 1 = = r DS d P r r ôhmica para um determinado valor de GS Controle da resistência pela tensão pode ser empregado em controle automático de ganho. Os Transistores Efeito de Campo (FET) SMBOLOGA FET canal N FET canal P 8

9 Os Transistores Efeito de Campo (FET) Curva Característica de Transferência C = f ( B ) = β B No TJB é: ariável de Controle Constante D 1 = GS DSS P No FET é: ariável de Controle Constante Os Transistores Efeito de Campo (FET) Curva Característica de Transferência Quando D = DSS, GS = 0 D 1 = GS DSS P Quando GS = P, D = 0 ma 9

10 Os Transistores Efeito de Campo (FET) Ex.1: Dado P = 4 e DSS = 8 ma Calcule GS =? para D = 4,5 ma GS 4,5 = ,565 = GS + GS + 0,4375 = 0 16 GS GS D 1 = GS DSS P GS + 8 GS + 7 = 0 GS egs ' = 1e 7volts Só GS = 1volt é válido Os Transistores Efeito de Campo (FET) Ex.1: Dado P = 4 e DSS = 8 ma Calcule GS =? para D = 4,5 ma GS 4,5 = 81 4 D 1 = GS DSS P 0,565 = 1 + GS 4 GS 0,75 = 1+ 4 = 0,75 1 GS ( ) 4 GS = 0,5 4 = 1volt 10

11 Os Transistores Efeito de Campo (FET) Ex.: Dado P = 4 e DSS = 8 ma Calcule D =? para GS = D D = = 81 D 1 = GS DSS P 1 1 D = 8 = 8 = ma 4 Os Transistores Efeito de Campo (FET) Relações interessantes de GS D = 1 GS D DSS P D GS D DSS 0 Dss 0,3 P Dss / DSS / 0,5 P Dss /4 P 0 ma P 0,3 P 0,5 P DSS /4 GS 11

12 Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET Depleção) O corte; A saturação e tipo DSS Do JFET é semelhante ao MOSFET tipo Depleção; A diferença está nas curvas características: Se estendem até a polaridade oposta para GS. Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Depleção) Funcionamento Espessa camada de Material tipo P O terminal SS pode ser conectado ao terminal FONTE ou não. Quando o terminal SS não é conectado ao terminal FONTE o dispositivo é fabricado com 4 terminais FONTE e DRENO são conectados através de contatos metálicos à regiões n dopadas do tipo n As regiões n dopadas do tipo n são interligadas entre si por um canal n. 1

13 Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Depleção) Funcionamento A PORTA (GATE) permanece isolada do canal n por uma fina película de Óxido de Silício SiO. SiO é um dielétrico pois estabelece campos elétricos opostos quando submetidos a um campo externo aplicado. Não há ligação elétrica entre o gate e o canal n. Se não há ligação elétrica entre o gate e o canal n, então não existe corrente. A impedância de entrada é exageradamente alta. Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Depleção) Funcionamento Para GS = 0, não existe campo elétrico Elétrons percorrem da FONTE DRENO. para o O sentido convencional da Corrente é de DRENO para a FONTE. 13

14 Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Depleção) Funcionamento GS negativo = modo depleção GS positivo = modo intensificação Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Depleção) Funcionamento O que acontece com o Canal n quando o GS é positivo? 14

15 Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Depleção) Simbologia Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo ntensificação) Não existe a parte de Depleção. Por onde passará a corrente entre o Dreno e a Fonte D? O SiO é isolante e portanto o Gate é isolado do Substrato que é isolado da Região tipo n 15

16 Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo ntensificação) Símbolo Substrato desligado da Fonte (S) MOSFET Canal n D = 0A Substrato ligado à Fonte (S) Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET ntensificação) Características tipo O controle de corrente para esse dispositivo de canal n é realizado por uma tensão GS positiva. MOSFET depleção possui canal MOSFET intensificação não possui canal (nexistência de Canal). 16

17 Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo ntensificação) Características Para DS positivo, GS = 0 e SS ligado à Fonte (Source), equivale a: duas junções p-n reversamente polarizadas entre as regiões dopadas tipo n e os substratos p que se opõem a qualquer fluxo significativo entre o dreno e a fonte. D = 0A Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo ntensificação) Funcionamento Alimentação de DS e GS positiva em relação à Source Corrente de Gate é 0A e independe do valor de GS 17

18 Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo ntensificação) Funcionamento GS pressiona as lacunas (cargas iguais se repelem) para o substrato p por toda a extensão da camada de SiO O potencial positivo do Gate repele as lacunas. Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo ntensificação) Funcionamento Limite de esvaziamento da região de portadores tipo p Atração dos elétrons para a porta devido ao potencial positivo. O resultado é uma região de depleção próxima à camada isolante de SiO livre de lacunas 18

19 Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo ntensificação) Funcionamento Com o aumento de GS é intensificado a concentração de elétrons próximo à superfície O negativo é a fonte de elétrons Região de Depleção É intensificado até um nível que a região induzida tipo n possa suportar o fluxo entre o Dreno e a Fonte Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo ntensificação) Funcionamento O nível de GS que produz um aumento significativo da corrente de dreno é chamado de tensão de limiar. A tensão de limiar é representado por T ou GS(Th) nício de Pinch-off Th Threshold = limiar 19

20 Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET ntensificação) Tem o MOSFET que tem o canal e o que não tem o canal tipo Ambos são de intensificação, porém o nome de intensificação foi dado ao último pois é o único modo de operação. Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo ntensificação) Quando GS aumenta após o limiar, aumenta a corrente de dreno ( D ). Se GS for mantida e aumentar DS ; D atinge um nível de saturação por constrição. DG = DS GS DG D G S DS 0

21 Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo ntensificação) DG = DS GS Se GS = 8 e DS for aumentado de para 5; Então DG cairá de 6 para 3 ; DG = 8 = 6; DG = 5 8 = 3; Se DS aumenta, DG fica menos positivo; Reduz as forças atrativas para os elétrons provocando a redução da largura do canal; DG O canal é reduzido até a condição de saturação (PNCH-OFF) G DG S D DS Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo ntensificação) DG sat = DS T G Para valores de GS < T, D(MOSFET intensificação) = 0 ma T = Nível de Limiar Lugar Geométrico de DS sat DG S D DS DG GS = T = 1

22 Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo ntensificação) Curvas características de Dreno de um MOSFET T = e k = 0, A/ Lugar Geométrico de DS sat GS = T = Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo ntensificação) Constante k (A/ ) É dado pelos valores de GS (Ligado) e D (Ligado) São valores fornecidos pelo fabricante T

23 Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo ntensificação) De posse do valor de GS (Ligado) e de D (Ligado) Encontra-se k pela fórmula k = D (Ligado) k ( GS T ) D = ( GS (Ligado) T ) Para qualquer valor dado de GS, pode-se encontrar D desde que k seja conhecido. Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo ntensificação) Curva característica de transferência 3

24 Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo ntensificação) Manuseio Alta impedância de gate; associada à fina camada do isolante SiO, Eletricidade estática acumulada: no corpo humano ou qualquer outro material isolante Pode romper a camada de isolante e danificar o componente. Maiores detalhes de manuseio, consultar manual do fabricante ou livro pag 196. Os Transistores Efeito de Campo (MOS tipo ntensificação) Compensa a baixa potência limitante do MOSFET; do MOS é devido à estrutura vertical de crescimento do canal; Maiores velocidades de chaveamento. Leitura complementar opcional livro pag