Transistores Unipolares - JFET e MOSFET

JFET / MOSFET

Sete Lagoas/MG Fevereiro de 2009.

2 Eletrônica Analógica I • Transistores Unipolares: FET, JFET e MOSFET

FUNDAMENTOS DA ELETRÔNICA (EA1)

Transistores Unipolares FET/JFET/MOSFET


ÍndiceAnalítico INTRODUÇÃO

04

1 – FET (Field Effect Transistor) – Transistor de Efeito de Campo - JFET 1.1 – História 1.2 – Funcionamento do FET 1.3 – Compreensão 1.4 – Características mais Importantes do JFET 1.5 – Princípio de Funcionamento 1.6 – Polarização e Reta de Carga 1.7 – Considerações Gerais 1.8 – Trancondutância gm 1.9 – Considerações Gerais 1.10 – Curva de Transcondutância 1.11 – Aplicações

05 05 06 07 07 08 09 11 11 12 13

2 - MOSFET 2.1 – Constituição Interna e Funcionamento 2.2 – MOSFET – Tipo Deplexão 2.3 – Características Importantes 2.4 – MOSFET – Tipo Intensificação (Enhancement) 2.5 – VMOS-FET (MOSFET de Construção Vertical) 2.6 – Particularidades dos Transistores MOSFET 2.7 – Exemplo de Aplicações em Circuitos de Telecomunicações

16 19 19 21 21 22 22

CONCLUSÃO

23

BIBLIOGRAFIA

23


Introdução

A

invenção do transistor foi um marco para a engenharia elétrica e eletrônica, assim

como para toda humanidade. Com o desenvolvimento dos transistores foi possível a construção de equipamentos eletrônicos verdadeiramente portáteis funcionando apenas com pilhas ou baterias. Além disso, o reduzido volume destes componentes a possibilidade de associação para implementar funções analógicas ou digitais, das mais diversas, proporcionou um desenvolvimento sem igual na indústria de equipamentos eletroeletrônicos. Por tudo isso, o contato com estes dispositivos é essencial para o estudante de engenharia, além do que, a grande maioria dos circuitos eletrônicos emprega um ou milhares destes componentes. Os transistores bipolares se baseiam em dois tipos de cargas: lacunas e elétrons, e são utilizados amplamente em circuitos lineares. No entanto existem aplicações nos quais os transistores unipolares com a sua alta impedância de entrada são uma alternativa melhor. Este tipo de transistor depende de um só tipo de carga, daí o nome unipolar. Há dois tipos básicos: os transistores de efeito de campo de junção (JFET - Junction Field Effect transistor) e os transistores de efeito de campo de óxido metálico (MOSFET).


1 – FET (Field Effect Transistor) - Transistor de Efeito de Campo 1.1 – História Primeira referência: patente feita em 1930, por Julius Edgar Lilienfeld, um pesquisador ucraniano nascido em 1882 e que imigrou para os EUA n a década de 20 do século passado. Sua idéia era controlar a condutividade de um material, por um campo elétrico transversal; mas o sistema proposto por Lilenfeld não funcionaria na prática.

O domínio de semicondutores e da física necessária para a construção dos FETs só aparece no início dos anos cinqüenta do século passado. O FET é um desenvolvimento tecnológico posterior ao transistor de junção; mas é o elemento dominante, por suas características, em sistemas lógicos modernos. 1.2 – Funcionamento do FET Por utilizar para transporte de corrente somente portadores majoritários, o FET é denominado unipolar .


Existem, grosso modo, duas classes de FETs: O FET de junção, chamado de JFET O FET de contato (MOSFET, MESFET, MISFET)

1.3 – Compreensão O FET é conhecido como transistor unipolar porque a condução de corrente acontece por apenas um tipo de portador (elétron ou lacuna), dependendo do tipo do FET, de canal n ou de canal p. O nome “efeito de campo” decorre do fato que o mecanismo de controle do componente é baseado no campo elétrico estabelecido pela tensão aplicada no terminal de controle. O Transistor JFET recebe este nome porque é um transistor FET de Junção.

Figura 1 – O Transistor JFET A figura 01 apresenta um JFET de canal n (existe também o JFET de canal p). Seu diagrama construtivo simplificado representa uma “barra” de silício semicondutor tipo n (semicondutor dopado com impurezas doadoras) e contendo incrustadas duas regiões tipo p. O JFET da figura 01 tem as seguintes partes constituintes:

FONTE: (source) fornece os elétrons livres, DRENO: (drain) drena os elétrons, PORTA: (gate) controla a largura do canal, controlando o fluxo dos elétrons entre a fonte e o dreno. As regiões p da porta são interligadas eletricamente. Ainda observando a figura 01, a seta apontando para dentro representa uma junção pn de um diodo. O JFET de canal p tem as mesmas partes constituintes de um JFET de canal n, porém seu símbolo apresenta a seta em sentido contrário, e as correntes e tensões são consideradas invertidas em relação ao JFET de canal n.


1.4 – Características mais Importantes do JFET Controle por Tensão: a corrente entre o dreno e a fonte é controlada pela tensão aplicada na porta, em contraste com o transistor BJT, cuja corrente de coletor é controlada pela corrente de base.

Alta Impedância de Entrada: para que seja possível o controle de corrente do canal n é necessário que se produza uma polarização reversa das junções da porta, provocando desta forma um aumento na região de depleção destas junções e em decorrência disto um estreitamento do canal; com isto, tem-se baixas correntes de porta, e conseqüentemente, alta impedância. Curvas Características: o comportamento do JFET pode ser sumarizado por suas curvas de dreno e de transcondutânica. Outras Características: os transistores JFET apresentam menores ganhos em relação aos transistores BJT e em decorrência disto têm maior estabilidade térmica; geometricamente, os JFET têm dimensões menores quando comparados com os transistores BJT. 1.5 – Princípio de Funcionamento – Polarização - Curva Características (Considerações) Podemos então identificar dois tipos de comportamento do transistor: a) O transistor se comportando como uma resistência variável controlada por tensão. O JFET opera deste modo na região A da fig. 02 abaixo. Notamos que I D varia diretamente proporcional a VDS, como se fosse uma resistência. Entretanto, essa variação, ou resistência, será maior ou menor, dependendo do valor de V GS, daí a denominação de “Resistência Variável Controlada por tensão”, que é a tensão V GS. R D = VD / ID ... (resistência dinâmica), para VGS = cte. RD = VD / ID ... (resistência estática - no ponto), para VGS = cte. b) Na região B da fig. 02, a corrente I D não aumenta mais, apesar do aumento de V DS.

Região A VP

Região B

Figura 2

VGS


1.6 – Polarização e Reta de Carga Para um JFET funcionar corretamente devemos ter uma polarização reversa entre PORTA e FONTE. Na fig. 03 temos um JFET canal N polarizado, ou seja, com resistores ligados aos terminais para limitar tensões e correntes adequadamente, como vimos na polarização dos transistores Bipolares (NPN e PNP).

ID

VDS

IS

Figura 3 Na fig. 03 temos o tipo de polarização chamada de “autopolarização”, pois, a tensão VGS aparece devido à corrente ID sobre RS, o que resulta em V RS. Esta tensão se distribui entre RG e a junção reversa, que, como tal, possui uma alta resistência. Logo, temos V RG e V GS que somadas perfazem VRS. Como a junção da porta está reversamente polarizada, tem-se que IG é muito pequena (da ordem de nA ou pA). Portanto, V RS é de valor desprezível em relação à VGS. Logo: VRS = VGS e, portanto:

(V) VGS = RS.ID

A fim de polarizarmos um JFET devemos saber a função do estágio, isto é, se o mesmo irá funcionar como um “resistor controlado por tensão” ou como um amplificador. Como amplificador irmos trabalhar na região B da fig. 07, ou seja, à direita da linha de V P e à esquerda da região de VDS de ruptura. Exemplo: VDD = 12V

VDS = 5V

VGS = -0,5V RS + RD = 3,7 K

De (IV) tiramos: ID = (VDD - VDS)/(RS + RD)) = (12 - 5)/3,3 = 1,89mA

ID = 1,9mA

De (V) tiramos: RS = VGS /ID = 0,5/1,9 = 263 Teremos para RD:

R S = 270


RD + RS = 3,7K

RD = 3700 - 263 = 3437

R D = 3,3 K

Utilizando o método da “reta de carga”, teríamos: Fazendo ID

= 0 na equação (IV),

teremos:

VDS = VDD Este 1 ponto está sobre o eixo de V DS e vale VDD. O 2 ponto está sobre o eixo de ID e para achá-lo faremos VDS = 0, portanto: ID = VDD /(RS + RD) = 12/3.700 = 3,2mA

ID = 3,030mA

Sendo que: VDS BVDSS e ID IDS Colocando estes dois pontos na curva característica teremos a reta de carga da fig. 04 abaixo:

Figura 4 Observamos que se tomarmos o valor de 5V para V DS e “subirmos” verticalmente até a reta e depois horizontalmente até o eixo I D, obtermos ID = 1,9mA. Assim, os valores de R S é RD serão: RS = VGS /ID = 0,5/1,9x10-3 = 263

RD = 3700 - 263 = 3437

Vemos que são os mesmos resultados obtidos anteriormente, pelo método analítico.

1.7 – Considerações Gerais Seja a fig. 05 abaixo:


Figura 5 – Curvas de Dreno do JFET Vemos um conjunto de curvas de V DS = f(VDS) de um dado JFET. Há uma região de saturação, uma região ativa e uma região de corte. Como vimos anteriormente, com V GS = 0V (Porta e Fonte em curto), a corrente de Dreno aumenta rapidamente até que V DS atinja 4V. Além deste valor de VDS, a corrente ID é praticamente horizontal. Entre 4V e 30V, a corrente ID é praticamente constante e JFET se comporta como uma fonte de corrente de aproximadamente 10mA. Quando V DS ultrapassa os 30V, o JFET rompe-se. Logo, a região ativa se situa entre 4V e 30V. A denominação de ID como sendo IDSS se refere à corrente ID com VGS = 0V e representa o valor máximo de I D como visto anteriormente. Na Fig. 05 temos IDSS = 10mA para VDS = 15V. Sendo as curvas de dreno do JFET praticamente horizontais, IDSS é de aproximadamente 10mA na região ativa. Fazendo s tensão V GS mais negativa, iremos reduzir a corrente ID . Portanto teremos: VGS = - 1V

ID = 5,62mA. VGS = - 2V

ID = 2,5mA

VGS = - 3V

ID = 0,625mA V GS = - 4V

ID 0mA

A curva inferior representa a região de corte, portanto: VGS(Desligado) = VGS(OFF) = - 4V Observando-se a região de saturação vê-se que quando o JFET está saturado, V DS se encontra entre 0V e 4V, dependendo da reta de carga. Notemos que a tensão de saturação mais alta é de 4V, igual (em módulo) à tensão VGS de corte, isto é, VGS(Desligado) = - 4V. Esta é uma propriedade de todos os JFETs; ela nos permite usar V GS(OFF) como uma estimativa da tensão máxima de saturação. Assim sendo, se um dado JFET tem um V GS(OFF) = - 3V, podemos afirmar que o valor de VDS máximo na região de saturação será de aproximadamente de 3V. Por exemplo, um 2N5457 tem um VGS(Desligado) = -2V. Portanto o V DS máximo na região de saturação é de aproximadamente 2V.


1.8 – Trancondutância g m A transcondutância é representada por g m e é dada por: gm =

ID /

VGS

VDS = Cte.

Unidade : Siemens, símbolo S - O valor da condutância é máximo quando VGS = 0V e é denominada de gmo , gfso nas folhas de dados. gm = gmo(1 - VGS /VGS(OFF) OBS.: O valor de V GS(OFF) é muito difícil de ser medido na prática. Já I DSS e gmo são fáceis de serem determinados com grande precisão. Assim sendo, usamos a fórmula abaixo para calcular VGS(OFF). VGS(OFF) = - 2IDSS /gmo

1.9 – Considerações Gerais

Figura 6 – Polarização do JFET A figura 6 apresenta o circuito de polarização de um transistor JFET de canal n. Observa-se que para que seja possível o controle da corrente de dreno são necessárias as seguintes condições: VDD > 0

ou

VGG < 0

O fluxo de elétrons da fonte para o dreno depende da largura do canal, isto é, polarização reversa na porta causa aumento das regiões de depleção, diminuindo a largura do canal e dificultando desta forma a passagem da corrente entre o dreno e a fonte (é uma região de íons, formada pela difusão pela junção). Desta forma temos as seguintes condições: a) LARGURA DO CANAL: depende da tensão V GG, isto é, quanto mais negativa, maior será a região de depleção e portanto, mais estreito o canal. b) TENSÃO DE CORTE (V GS): é a tensão suficiente para desaparecer o canal (VGScorte) também conhecida como Tensão de Deslocamente ( pinch-off ).


c) CORRENTE DE FUGA DA PORTA: Como a junção da porta opera em polarização reversa, tem-se uma corrente baixa; desta forma, a CORRENTE DE DRENO é igual à CORRENTE DA FONTE (I D). Esta é a causa da alta impedância de entrada dos JFET. OBS: Como a polarização reversa entre a porta e a fonte (V GS) não consome corrente e a largura do canal depende de V GS, o controle de I D é efetivamente feito pela tensão da porta.

1.10 – Curva de Transcondutância A curva de transcondutância relaciona a corrente de saída com a tensão de entrada de um JFET. Através da Equação de Schokley relaciona-se a corrente ID com a tensão VGS, segundo uma relação quadrática: I

D

I

DSS1

V GS

2

V GS ( corte)

Como o JFET apresenta uma relação quadrática entre a corrente de dreno-fonte e a tensão de controle VGS, diz-se que este dispositivo é um dispositivo de Lei Quadrática. I D

I Dss

arco de parábola

V GS

V GS(corte)

Figura 7 – Curva de Transcondutância Na região ôhmica, o JFET apresenta a seguinte relação para a sua resistência de canal: r o

r D 1

V GS V p

Idmax = KV2, onde K é uma constante especificada pelo fabricante. O FET tem dois modos principais de operação: 1. Baixas tensões Vds, onde Vds/Ids é constante e denominado Rds. Neste modo, usa-se o FET como um atenuador, ou como um resistor variável.


2. Altas tensões Vds, começando em Vp (também chamado de Vgs(off)), onde Id permanece quase constante enquando Vds é aumentado. Neste modo, usa-se o FET como amplificador ou como fonte de corrente.

1.11 – Aplicações 1) Fonte de Corrente: + VDD RS

ID RL

O valor de RS e a curva do JFET determinam a corrente ID. O circuito opera o JFET fica na região ativa, ou seja, Vds> Vgscorte, isso impõe limite ao valor de RL. O circuito é usado em polarização, sendo freqüência dentro dos amplificadores operacionais e outros CI's analógicos. 2) Amplif icadores: Na operação como amplificadores, usamos o conceito da Transcondutância, que define o ganho dos FET's.

gm = =

ID VGS

A Transcondutância, gm ou  é a relação entre a variação na corrente Id e a variação em

Vgs que a provoca. Nos FET, a Transcondutância é maior para tensão Vgs de polarização menor e corrente ID maior. Assim, o ganho é determinado pela polarização como nos bipolares e válvulas), e o tipo de FET. a) Polarização: A corrente de dreno de JFET segue a relação quadrática.

ID = IDSS

(

1 -

(

VGS VGS corte


Os valores de IDSS e Vgscorte variam conforme o tipo e o exemplar, dentro de limites amplos. Uma polarização somente pode ser feita através de ajuste de trimpot, ou através de uma fonte de corrente com bipolar. O tipo mais comum é a autopolarização. RS

RG

+ VDD

RS

Obs.: Nos amplificadores dreno comum Rd não é usado. Ele não altera a corrente de dreno. A corrente circula em Rs, surgindo uma queda de tensão nele. A porta está aterrada através de Rg, e então a tensão em Rs aparece entre S e G, polarizando o JFET com uma tensão reversa, que se opõe à corrente de dreno (Suplidouro), regulando-a através de realimentação negativa. A corrente então fica dada pelas características do FET e o valor de Rs. Também se usa polarização por divisão de tensão, semelhante à usada com transistor bipolar, mas menos exata (pouco melhor que a autopolarização). b) Supridouro comum: É a mais usada, pois oferece ganho de tensão. O sinal de entrada é aplicado entre a porta e o Suplidouro, e a saída colhida no dreno. A fase é invertida. A impedância de entrada é muito grande, já que a junção porta-suplidouro está polarizada reversamente, circulando apenas uma desprezível corrente de fuga. Na prática, a impedância é dada pelo resistor RE de polarização. Já a de saída é um pouco menor que RD. O ganho de tensão é dado por:

G= - Gm RD Seu valor na prática fica entre 3 e 30 vezes, em geral (bem menor que no bipolar).


É comum na entrada de instrumentos de medição, e dentro de C.I. analógicos, pela alta impedância. + VDD RS SAÍDA

C ent. ENTRADA RG

RS

Obs: Cent. pode ser omitido, em algumas aplicações. Nos amplificadores com acoplamento direto, todos os capacitores são dispensados, mas o ganho diminui.

2 – MOSFET O transistor MOSFET (acrônimo de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) ou transistor de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico. A palavra "metal" no nome é um anacronismo vindo dos primeiros chips, onde as comportas (gates) eram de metal. Os chips modernos usam comportas de polisilício, mas ainda são chamados de MOSFETs. Um MOSFET é composto de um canal de material semicondutor de tipo N ou de tipo P e é chamado respectivamente de NMOSFET ou PMOSFET. Geralmente o semicondutor escolhido é o silício, mas alguns fabricantes, principalmente a IBM, começaram a usar uma mistura de silício e germânio (SiGe) nos canais dos MOSFETs. Infelizmente muitos semicondutores com melhores propriedades elétricas do que o silício, tais como o arsenieto de gálio, não formam bons óxidos nas comportas e portanto não são adequados para os MOSFETs. O IGFET é um termo relacionado que significa Insulated-Gate Field Effect Transistor, e é quase sinônimo de MOSFET, embora ele possa se referir a um FET com comporta isolada por um isolante não óxido.

Corte transversal de um MOSFET tipo N (NMOS). O terminal de comporta é uma camada de polisilício (silício policristalino) colocada sobre o canal, mas separada do canal por uma fina camada de dióxido de silício isolante. Quando uma tensão é aplicada entre os terminais comporta (gate) e fonte (source), o campo elétrico gerado penetra através do óxido e cria uma espécie de "canal invertido" no canal original abaixo dele. O canal invertido é do mesmo tipo P ou tipo N, como o da fonte ou do


dreno, assim, ele cria um condutor através do qual a corrente elétrica possa passar. Variandose a tensão entre a comporta e a fonte se modula a condutividade dessa camada e torna possível se controlar o fluxo de corrente entre o dreno e a fonte. Ele funciona de forma semelhante ao JFET, porém não necessitando das junções entre porta (G) e canal para conduzir a corrente. A porta (G) é apenas um contato metálico isolado do semicondutor, proporcionando uma maior impedância de entrada em relação ao JFET . MOSFET METAL OXIDE SEMICONDUCTOR FIELD EFECT TRANSISTOR.

Figura 8 – Curva de Transcondutância

2.1 – Constituição Interna e Funcionamento O transistor MOSFET é formado de um cristal semicondutor pouco dopado, chamado SUBSTRATO. Na parte superior do mesmo são difundidas impurezas (dopagem) formando outro tipo de cristal semicondutor diferente do SUBSTRATO, porém bem mais dopado. Este cristal formará as regiões da FONTE (S) e do DRENO(D). O dreno D e a fonte S podem ser separados como no MOSFET tipo enriquecido (Enhancement - ou tipo Indução), ou interligados, como no MOSFET tipo Depleção. O MOSFET é constituído então de três materiais diferentes, a saber: As camadas de Alumínio (AL) que formam os contatos metálicos; uma camada de óxido de silício (SiO2) , que isola os contatos metálicos entre si e o corpo do transistor, feito de material semicondutor. Observando a fig. 08, notamos que o contato da porta (G), está isolado em relação ao restante do transistor, o que leva este transistor a ser denominado de IGFET - ISOLATED GATE FIELD EFECT TRANSISTOR ( Transistor de Efeito de Campo de Porta Isolada Como vimos, tanto o dreno como a fonte, são feitos de um mesmo tipo de cristal, diferente do cristal do substrato. Seja um MOSFET com substrato de cristal tipo P. Vimos que o JFET, para que houvesse circulação de corrente entre dreno e fonte, era necessário colocar uma alimentação com o terminal positivo no dreno e o terminal negativo na fonte. Se fizermos o mesmo com um MOSFET tipo enriquecimento, veremos que não vai existir corrente fluindo entre dreno e fonte.


Notamos que a junção dreno substrato opera como se fosse um diodo polarizado reversamente devido a VDS. Mesmo que invertêssemos VDS, não haveria corrente entre dreno e fonte, pois a junção fonte-substrato, neste caso, é que estaria se comportando como um diodo reversamente polarizado. O fato é que , se tivéssemos um canal de mesmo cristal entre dreno e fonte, no caso N, interligando a fonte ao dreno, assim como tínhamos no JFET, a corrente ID entre dreno e fonte poderia circular. Usamos, então um recurso com o qual podemos criar um canal e assim sendo, controlar a corrente ID. Usamos, então um recurso com o qual podemos criar um canal e assim sendo, controlar a corrente ID. Quando ligamos um capacitor a uma fonte de tensão contínua, as carga positivas se fixam na placa que está ligada ao polo positivo da fonte, e as cargas negativas, na outra placa que está ligada ao polo negativo da fonte, criando-se então um campo elétrico entre as placas. O número de elétrons numa placa é igual ao número de cargas positivas na outra. Baseandonos nestes princípios aplicamos uma tensão entre porta (G) e fonte (S), tensão V GS. O material isolante (Óxido de Silício - SiO2) e o dielétrico e, o cristal tipo P do substrato entre a fonte e o dreno com a placa 2 da fig. 15. Se aumentarmos V GS gradualmente, iremos colocando cargas positivas na porta (G), como se a mesma fosse a placa 1 do capacitor. Este acúmulo de cargas positivas na porta cria um campo elétrico que começa a repelir as lacunas do substrato, e a atrair os elétrons. Em que o número de lacunas existentes na região compreendida entre fonte e dreno, torna-se igual ao número de elétrons atraídos pelas cargas positivas. Nesta condição temos um equilíbrio momentâneo entre elétrons e lacunas. Quando ultrapassamos este valor particular de VDS, chamado VT (Tensão de Limiar Threshold), o número de elétrons superará o número de lacunas. A partir deste ponto forma-se um verdadeiro canal entre dreno e fonte, devido à presença destes elétrons (fig. 18):

Figura 8 A partir deste instante temos um canal tipo N interligando o contato metálico da fonte com o dreno. Assim teremos um canal para a corrente ID circular, saindo do terminal positivo de VDS , atravessando o canal N que foi formado, chegando ao terminal negativo de V DS (sentido convencional).


Observando a fig. 09 abaixo, vemos que I D começa a circular apenas a partir do instante que VGS atinge o valor de Limiar chamado V T ou VGS(Limiar). A partir deste ponto forma-se o canal e ID passa a aumentar exponencialmente com o aumento de V GS.

ID = K[(VGS - VGS(Limiar) ]2

Figura 9 Se, agora, interligarmos o contato da fonte com o contato do substrato, como normalmente é feito na prática, iremos melhorar o funcionamento do transistor. Podemos notar que com este procedimento estaremos atraindo as lacunas para o lado do substrato (SB) e, simultaneamente, repelindo os elétrons do substrato para longe do contato SB do substrato. Assim sendo os elétrons irão mais facilmente para o canal e as lacunas sairão mais facilmente do canal. Desse modo não será preciso aumentar tanto a tensão VDS para se atingir a tensão de limiar VT. Transistores idênticos aos que estamos estudando, cujos cristal da fonte e dreno são do tipo N, são chamados de “MOSFET canal N”, evidentemente teremos os “ MOSFETs c anal P ”. A equação de I D é uma parábola com o vértice em V GS(Limiar) : ID = K[(VGS - VGS(Limiar) ]2

(A)

K = Constante que depende do MOSFET. As curvas fornecidas nos manuais nos traz os valores de I D(Ligado) , VGS(Limiar) e VGS(Ligado) , como indica a fig. 20b. Substituindo estes valores na equação (A), encontramos o valor de K. Exemplo: ID(Ligado) = 8mA

VGS(Limiar) = 3V

Logo teremos :

0,008 = K(5 - 3) 2 = 4K

VGS(Ligado) = 5V K = 0,002

Portanto, a equação deste transistor MOSFET será : ID = 0,002((VGS - 3) 2 (B)


2.2 – MOSFET – Tipo Deplexão A figura 10 apresenta o diagrama construtivo de um MOSFET tipo Depleção de canal n e o símbolo elétrico correspondente. CONSTRUÇÃO

SÍMBOLO SiO2 n

D

n +

D

substrato _ p G

SS

G

p

Contatos Metálicos

(substrato)

n

S

n

S

n +

p

Canal

n

Figura – 10 - O Transistor MOSFET (canal n) tipo DEPLEÇÃO Quanto aos aspectos construtivos destacados na figura 10, observa-se que o dispositivo é construído sobre material semicondutor (silício) fracamente dopado (baixa concentração de impurezas), chamado substrato (SS) e que tem com função principal a sustentação mecânica do componente; na maioria dos dispositivos MOSFET o substrato é eletricamente conectado ao terminal S (fonte); a porta (gate) é isolada do canal através de uma fina camada de Dióxido de Silício (SIO2), material isolante que é um tipo de vidro e funciona como dielétrico. A isolação promovida pelo óxido é a responsável pela altíssima impedância de entrada deste tipo de dispositivo. A região n (canal) tem dopagem em níveis convencionais” e as regiões n+ são fortemente dopadas (alta concentração de impurezas). Os contatos elétricos S e D têm por função a conexão elétrica da pastilha ao meio externo, enquanto o terminal G também tem finalidade funcional, ao constituir a porta do dispositivo. O símbolo apresentado na figura 1 representa a porta como um terminal isolado, os terminais de dreno e fonte com acesso externo, o substrato ligado ao terminal de fonte, e o sentido da seta simbolizando o sentido do fluxo de portadores em um MOSFET de canal n.

2.3 – Características Importantes Controlado por Tensão: A corrente entre o dreno e a fonte é controlada pela tensão aplicada na porta, em contraste com o transistor BJT, cuja corrente de coletor é controlada pela corrente de base. Alta impedância de entrada: Para que seja possível o controle de corrente do canal tipo n é necessário que se produza uma polarização no canal através da porta, com o transporte de portadores da região do canal, provocando desta forma um aumento ou diminuição de portadores nesta região; em decorrência disto obtém-se uma variação da resistência do canal.


Como a porta é isolada do canal através da película de óxido de silício há uma altíssima impedância de entrada (da porta) para estes dispositivos. a) VGS=0: Com uma polarização nula na porta, não há alteração do canal (fisicamente ou eletricamente) e a corrente que flui pelo canal é devida aos elétrons livres, da mesma forma que ocorre nos transistores JFET. b) VGS<0: Aplicando-se uma tensão negativa na porta estabelece-se um campo elétrico no material dielétrico de modo que os elétrons do canal são repelidos em direção do substrato e as lacunas do substrato são atraídas, ocorrendo recombinação de portadores e causando uma diminuição do número de elétrons livres no canal. Quanto mais negativa for a tensão V GS, menor a corrente entre o dreno e a fonte (IDS). c) VGS>0: Ao aplicar-se uma tensão positiva na porta, estabelece-se um campo elétrico que arrasta os portadores livres do substrato (corrente de fuga), criando-se assim, novos portadores de corrente no canal a partir das colisões resultantes, e em decorrência disto há um aumento na capacidade de condução de corrente no canal; isto é chamado de operação no modo intensificação. CURVAS DE DRENO I D

V GS > 0 IDss

modo intensificação

V GS = 0

modo depleção

V GS < 0 V GS(off) V DS

Vp

Figura 11 – Curvas de Dreno do MOSFET

I D

modo depleção

modo intensificação

V GS(off)

Figura 12 – Curva de Transcondutância do MOSFET

V GS


2.4 – MOSFET – Tipo Intensificação (Enhancement) CONSTRUÇÃO

SÍMBOLO

SiO2 n D

n +

D substrato _ p SS

G

p

(substrato)

G

Contatos Metálicos S

n

n +

p

sem canal

S

Figura 13 – O MOSFET intensificação (canal n) Quanto aos aspectos construtivos destacados na figura 13, valem as mesmas observações do MOSFET tipo Depleção, exceto o fato de não haver canal por dopagem; este tipo de dispositivo não tem a região do canal n, o qual é produzido por indução de portadores no próprio substrato p-. a) V GS 0: Aplicando-se uma tensão diferente de zero entre dreno e fonte (V DS 0) não haverá corrente circulando entre estes terminais (IDS), uma vez que as junções pn estarão polarizadas reversamente e no substrato não há portadores livres suficientes para estabelecer fluxo de corrente. b) VGS>0: Aplicando-se uma tensão positiva na porta estabelece-se um campo elétrico tal que os elétrons do substrato (portadores minoritários) são atraídos próximo à região de gate e as lacunas (portadores majoritários) são repelidas; os elétrons próximos do óxido de silício (SiO2) estarão mais concentrados quanto maior for o valor de V GS, até permitir o fluxo de corrente entre o dreno e a fonte, se houver tensão V DS aplicada. Quanto maior for o valor de VGS, maior será a corrente ID .

Observação: A tensão VGS que permite o fluxo de corrente I DS é chamada de Vt (tensão de limiar) ou VGS(TH) (Threshold V GS). Para valores de tensão menores do que este, não há corrente de dreno-fonte. 2.5 – VMOS-FET (MOSFET de Construção Vertical)


S

p

S

G

n +

n +

p

SiO2

comprimento efetivo do canal n + substrato D

Figura 14 – O MOSFET tipo V (construção vertical) Quanto aos aspectos construtivos destacados na figura 14, valem as mesmas observações do MOSFET tipo Intensificação, com a construção sendo vertical (não-planar); este tipo de construção permite um canal mais largo, com conseqüente maior capacidade de corrente (dispositivos de maior potência). Outra vantagem deste tipo de construção é a menor resistência de canal O funcionamento é idêntico ao MOSFET intensificação.

2.6 – Particularidades dos Transistores MOSFET 1)

Altíssima impedância de entrada (no JFET por causa da polarização reversa, no MOSFET por causa da isolação promovida pelo óxido);

2)

Acúmulo excessivo de cargas nas extremidades da finíssima camada de óxido de silício, estabelecendo uma ddp que pode danificá-la. É necessário manter os terminais do MOSFET em curto até o momento da inserção do componente no sistema.

Temos ainda que ressaltar a sua alta sensibilidade a eletricidade estática. Num MOSFET sem proteção, se tocarmos com os dedos nos seus terminais, iremos danificar a camada isolante de óxido metálico. Alguns tipos de transistores já possuem proteção interna.

2.7 – Exemplo de Aplicações em Circuitos de Telecomunicações a) Circuito misturador :


b) Estágio amplificador sintonizado :

CONCLUSÃO Verificamos as características dos transistores JFET e MOSFET. Comparando com os transistores BJT que estudamos até aqui, os FET’s apresentam: 





Alta impedância de entrada, bem mais alta que os BJT As correntes de entrada são muito mais baixas que os BJT O ganho é bem menor que um BJT

Os JFET’s são usados nos casos em que um BJT não f unciona de forma

conveniente,

como quando a corrente de fuga para a base de um BJT é muito alta. Para aplicações de lógica digital, o uso de FET’s é importante, já que eles podem ser

muito mais rápidos e dissipam menos potência. A maioria dessas aplicações, contudo, usa MOSFET’s, que possuem impedâncias de entrada ainda maiores que os JFET’s.

BIBLIOGRAFIA MALVINO, Albert Paul. Eletrônica Vol. I, 4º ed. São Paulo, Makron Books, 1997. KOSOV,I.L - Máquinas Elétricas e transformadores. 4ª edição. Editora Globo, Rio de Janeiro/RJ.1982. BERTOLI, Roberto Angelo. Eletrônica. Departamento de Eletro-Eletrônica. Colégio Técnico de Campinas – UNICAMP.

Relação de sites: http://www.ufv.br/dpf/320/JFET.pdf - Acesso em 14/02/2009

Transistores Unipolares - JFET e MOSFET

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