aulaEN017 - eletronica24h

Ir para o conteúdo

Menu principal:

aulaEN017

Educacional > Cursos > Eletronica Basica 1

Aula16 Indice de Aulas Aula18

Eletrônica Básica 1

Aula 17: Transistor Principio de Funcionamento - Polarização

Bibliografia

1. Transistores Efeito de Campo

O principio de funcionamento de um transistor efeito de campo está baseado na modulação da largura de um canal por uma tensão, portanto sua capacidade de corrente, por uma tensão aplicada. Desta forma transistores efeito de campo são dispositivos controlados por tensão ao contrario do transistor tradicional (transistor bipolar ou BJT – Bipolar Junction Transistor) que são controlados por corrente.

Existem basicamente dois tipos de transistor efeito de campo: MOSFET (Metal-Oxide-Semicondutor FET) também chamados de IGMOS (Insulated Gate MOS – Transistor MOS e o JFET (Junction FET) sendo que os primeiros são mais usados, principalmente em circuitos integrados e ultimamente como dispositivos de potencia. Cada tipo pode ser encontrado com duas polaridades: canal N e canal P. Existem muitas diferenças entre os transistores efeito de campo e o tradicional, sendo que as três principais são:

Tipo de controle da corrente: no FET é por tensão no tradicional por corrente.
A impedância de entrada: no FET é muito alta (>1M) e no tradicional é baixa (devido à junção PN polarizada diretamente).
O tipo de portador: No FET é um tipo (elétron livre ou lacuna) no tradicional são elétron e lacuna.
Ganho de tensão: No FET é menor do que no BJT.

1.1. Transistor Efeito de Campo de Junção

A figura 1a mostra, de forma simplificada, a estrutura física de um transistor efeito de campo de junção canal N, a figura 1b a simbologia para canal N e a figura 1c para canal P. O dispositivo tem três terminais: O dreno (D) a fonte (S – Source em inglês ) e a porta (G – Gate em inglês). A dopagem da região da porta é muito maior do que a do canal, desta forma a região de depleção (região de carga espacial) será muito maior do lado do canal.

( a ) ( b ) ( c )

Figura 1 - ( a ) Estrutura física JFET canal N ( b ) simbologia JFET canal N ( c ) simbologia JFET canal P

Observar na simbologia que a seta no meio, ou mesmo a estrutura, pode sugerir que possamos trocar o dreno pela fonte, o que é verdade em alguns dispositivos, mas não em todos, por isso mesmo a simbologia onde a seta está mais próxima da fonte. Na literatura sobre o tema é possível encontrar as duas. O sentido da seta mostra o sentido de condução como em um diodo comum da junção gate (P)-canal (N).

Para explicar o funcionamento consideraremos o JFET canal N, para o outro se invertem os sentidos da corrente e das tensões. Considere que inicialmente V_DS=0 e é aplicada uma tensão V_GS com a polaridade indicada na figura 2a e que polariza reversamente a junção PN. Inicialmente o canal estará todo aberto e entre e dreno e fonte existira um canal com uma determinada resistência. Como a tensão aplicada na resistência é zero a corrente resultante será zero (I_D=0). Se a tensão de porta for aumentada, aumenta a polarização reversa o que faz a região de carga espacial avançar mais no canal até fechá-lo totalmente, figura 2b. Observe que a região de depleção avança mais no canal do que no lado da porta, isso porque a dopagem da porta é maior.

( a ) ( b )

Figura 2 - ( a ) polarizando a porta com tensão negativa ( b ) fechando totalmente o canal

A tensão de porta que provoca o fechamento total do canal é chamada de tensão de pinçamento (pinch-off em inglês), V_P, sendo uma quantidade negativa no caso de canal N e positiva para o canal P.

Agora consideremos V_GS=0 e apliquemos uma tensão entre dreno e fonte com a polaridade indicada na figura 3a. O que acontece com a corrente quando V_DS varia?

Inicialmente com o V_DS pequeno o canal praticamente não se altera e dentro de certos limites o dispositivo se comporta como uma resistência. À medida que V_DS aumenta, a corrente de dreno aumenta provocando uma queda de tensão ao longo do canal que faz com que o estreitamento não seja uniforme.

Na figura 3b a corrente de dreno provoca entre o ponto A e a fonte uma tensão V_A e entre o ponto B e a fonte uma tensão V_B estando claro que V_A>V_B. Estas tensões são aplicadas na junção de forma reversa e no ponto onde a tensão reversa é maior a região de carga espacial avança mais no canal,i sto é, o estreitamento é maior próximo do dreno.

( a ) ( b )

Figura 3: ( a ) Polarizando o dreno com uma tensão pequena (0,1V) ( b ) o pinçamento é atingido (V_P)

O estreitamento é maximo quando a tensão de dreno for igual à tensão de pinçamento em modulo. Se a tensão de dreno aumentar mais ainda, as regiões de carga espacial não se tocam, ao invés disso o estreitamento aumenta ao longo do canal conforme figura 4 e a corrente de dreno se mantem aproximadamente constante em IDSS, isto é, o dispositivo passa a se comportar como uma fonte de corrente constante. Na pratica existe um pequeno aumento em ID quando VDS aumenta alem de VP.

Figura 4 - Aspecto do canal quando a tensão de dreno aumenta alem de VP

A figura 5 mostra graficamente o comportamento do JFET quando VGS=0 e a tensão de dreno varia, para um JFET canal N com VP=-2 V. Inicialmente com VDS=0 a corrente de dreno ID também é zero. Com VDS aumentando e inicialmente bem menor do que VP

o comportamento é de uma resistência, isto é, se a tensão de dreno dobrar de valor a corrente de dreno também dobra de valor. Dizemos que a região de operação é chamada de região ôhmica. À medida que a tensão de dreno se aproxima da tensão de pinçamento e o canal se aproxima do estreitamento máximo, a curva começa a se inclinar. Se a tensão aumentar alem desse valor a variação da corrente de dreno é praticamente inexistente. Dizemos que o dispositivo entrou na região de saturação ou região de amplificação. Cuidado que o significado de saturação no FET é oposto ao do transistor bipolar. Observe o valor da tensão de dreno para a qual ocorre o pinçamento maximo,

Figura 5 - Curva característica de dreno para V_GS=0V para JFET com V_P=-2V

Se agora for aplicada uma tensão de porta de digamos V_GS=-1V e for repetido o mesmo procedimento adotado anteriormente, isto é, variado a tensão de dreno, será obtida uma curva semelhante à da figura 5 porem com um valor de corrente na saturação menor que I_DSS.

O conjunto de curvas para os vários valores de VGS é chamado de curvas características de dreno, figura 6. Observe que as curvas não são eqüidistantes, o que se traduz em uma não linearidade e consequentemente em distorção.

Figura 6 - Curva característica de dreno para diversos valores de V_GS

Curva característica de transferência

Considere o gráfico da figura 7a e um valor de V_DS por exemplo 4 V. Associado a cada valor de V_GS existe um valor de I_D. Se desenharmos o gráfico de I_DxV_GS obteremos um gráfico chamado de curva característica de transferência, pois transfere os valores de entrada para a saída. A figura 7a mostra de onde obter na curva característica de dreno os dados para desenhar o gráfico da figura 7b.

( a )

( b )

Figura 7 - ( a ) curva característica de dreno ( b ) curva característica de transferência

A equação que relaciona corrente de dreno, ID, com tensão de porta, VGS, é dada aproximadamente por:

onde IDSS é a corrente de dreno na saturação para VGS=0 e VP é a tensão de pinçamento.

Parâmetros do JFET

Todo semicondutor é caracterizado por parâmetros os quais determinarão limites de operação e valores de ganho, esses parâmetros também são usados para modelar o componente.

Esse é um importante parâmetro, chamado transcondutancia de um FET, sendo definido por:

Esse parâmetro é numericamente igual à inclinação (derivada) em um determinado ponto da curva de transferência. A figura 8 mostra o significado da transcondutância.