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JFET / MOSFET Sete Lagoas/MG Fevereiro de 2009.

Transistores Unipolares JFET e MOSFET

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JFET / MOSFET

Sete Lagoas/MG

Fevereiro de 2009.

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F U N D A M E N T O S D A E L E T R Ô N I C A ( E A 1 )

Transistores Unipolares

FET / JFET / MOSFET

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Índice Analítico

INTRODUÇÃO 04

1 – FET (Field Effect Transistor) – Transistor de Efeito de Campo - JFET

1.1 – História 05

1.2 – Funcionamento do FET 05

1.3 – Compreensão 06

1.4 – Características mais Importantes do JFET 07

1.5 – Princípio de Funcionamento 07

1.6 – Polarização e Reta de Carga 08

1.7 – Considerações Gerais 09

1.8 – Trancondutância gm 11

1.9 – Considerações Gerais 11

1.10 – Curva de Transcondutância 12

1.11 – Aplicações 13

2 - MOSFET

2.1 – Constituição Interna e Funcionamento 16

2.2 – MOSFET – Tipo Deplexão 19

2.3 – Características Importantes 19

2.4 – MOSFET – Tipo Intensificação (Enhancement) 21

2.5 – VMOS-FET (MOSFET de Construção Vertical) 21

2.6 – Particularidades dos Transistores MOSFET 22

2.7 – Exemplo de Aplicações em Circuitos de Telecomunicações 22

CONCLUSÃO 23

BIBLIOGRAFIA 23

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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).

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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.

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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.

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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 ID varia diretamente

proporcional a VDS, como se fosse uma resistência. Entretanto, essa variação, ou resistência,

será maior ou menor, dependendo do valor de VGS, daí a denominação de “Resistência

Variável Controlada por tensão”, que é a tensão VGS. RD = 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 ID não aumenta mais, apesar do aumento de VDS.

Figura 2

Região A

Região B VGS VP

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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).

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 VRS. Esta tensão se distribui entre

RG e a junção reversa, que, como tal, possui uma alta resistência. Logo, temos VRG e VGS 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, VRS 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 VP 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 RS = 270

Teremos para RD:

IS

VDS

ID

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RD + RS = 3,7K RD = 3700 - 263 = 3437 RD = 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 VDS 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 VDS e “subirmos” verticalmente até a

reta e depois horizontalmente até o eixo ID, obtermos ID = 1,9mA. Assim, os valores de RS 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:

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Figura 5 – Curvas de Dreno do JFET

Vemos um conjunto de curvas de VDS = f(VDS) de um dado JFET. Há uma região de

saturação, uma região ativa e uma região de corte. Como vimos anteriormente, com VGS = 0V

(Porta e Fonte em curto), a corrente de Dreno aumenta rapidamente até que VDS 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 VDS 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 ID 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 VGS mais negativa,

iremos reduzir a corrente ID . Portanto teremos:

VGS = - 1V ID = 5,62mA. VGS = - 2V ID = 2,5mA

VGS = - 3V ID = 0,625mA VGS = - 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, VDS 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 VGS(OFF) como uma estimativa da

tensão máxima de saturação.

Assim sendo, se um dado JFET tem um VGS(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 VDS máximo na região de saturação é de

aproximadamente 2V.

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1.8 – Trancondutância gm

A transcondutância é representada por gm 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 VGS(OFF) é muito difícil de ser medido na prática. Já IDSS 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 VGG, isto é, quanto mais negativa,

maior será a região de depleção e portanto, mais estreito o canal.

b) TENSÃO DE CORTE (VGS): é a tensão suficiente para desaparecer o canal

(VGScorte) também conhecida como Tensão de Deslocamente (pinch-off).

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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 (ID). Esta é a causa da alta impedância de entrada dos JFET.

OBS: Como a polarização reversa entre a porta e a fonte (VGS) não consome corrente e a

largura do canal depende de VGS, o controle de ID 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 IV

VD DSS

GS

GS corte

1

2

( )

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.

VGS

ID

IDss

VGS(corte)

arco de parábola

Figura 7 – Curva de Transcondutância

Na região ôhmica, o JFET apresenta a seguinte relação para a sua resistência de canal:

rr

V

V

Do

GS

p

1

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.

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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

11)) FFoonnttee ddee CCoorrrreennttee::

OO vvaalloorr ddee RRSS ee aa ccuurrvvaa ddoo JJFFEETT ddeetteerrmmiinnaamm aa ccoorrrreennttee IIDD..

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.

22)) AAmmpplliiffiiccaaddoorreess::

Na operação como amplificadores, usamos o conceito da Transcondutância, que

define o ganho dos FET's.

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.

aa)) PPoollaarriizzaaççããoo:: AA ccoorrrreennttee ddee ddrreennoo ddee JJFFEETT sseegguuee aa rreellaaççããoo qquuaaddrrááttiiccaa..

RS

ID

+ VDD

RL

gm = = IDVGS

ID = IDSS (1 - VGS

VGS corte

(

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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 aauuttooppoollaarriizzaaççããoo.

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).

bb)) SSuupprriiddoouurroo ccoommuumm::

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).

RS + VDD

RSRG

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É comum na entrada de instrumentos de medição, e dentro de C.I. analógicos, pela alta

impedância.

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

RS

+ VDD

RSRG

C ent. SAÍDA

ENTRADA

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dreno, assim, ele cria um condutor através do qual a corrente elétrica possa passar. Variando-

se 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.

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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. Baseando-

nos nestes princípios aplicamos uma tensão entre porta (G) e fonte (S), tensão VGS.

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 VGS 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 VDS

(sentido convencional).

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Observando a fig. 09 abaixo, vemos que ID começa a circular apenas a partir do

instante que VGS atinge o valor de Limiar chamado VT ou VGS(Limiar). A partir deste ponto

forma-se o canal e ID passa a aumentar exponencialmente com o aumento de VGS.

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 canal

P ”. A equação de ID é uma parábola com o vértice em VGS(Limiar) :

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

K = Constante que depende do MOSFET.

As curvas fornecidas nos manuais nos traz os valores de ID(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 VGS(Ligado) = 5V

Logo teremos : 0,008 = K(5 - 3)2 = 4K K = 0,002

Portanto, a equação deste transistor MOSFET será :

ID = 0,002((VGS - 3)2 (B)

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

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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

p

p

n

n

SS

ContatosMetálicos

G

S

D

n

n+

n+

substrato

p_

(substrato)

Canal n

SiO2

G

D

S

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.

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

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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 VGS,

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

VGS = 0

V DS

ID

Vp

GS(off)V

IDss

VGS > 0

VGS < 0

modo intensificação

modo depleção

Figura 11 – Curvas de Dreno do MOSFET

VGS

ID

VGS(off)

modo intensificaçãomodo depleção

Figura 12 – Curva de Transcondutância do MOSFET

Page 21: Transistores Unipolares JFET e MOSFET

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

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2.4 – MOSFET – Tipo Intensificação (Enhancement)

CONSTRUÇÃO

SÍMBOLO

p

p

n

n

SS

ContatosMetálicos

G

S

D

n+

n+

substrato

p_

(substrato)

sem canal

SiO2

G

D

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) VGS 0: Aplicando-se uma tensão diferente de zero entre dreno e fonte (VDS 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 VGS, até permitir o fluxo de

corrente entre o dreno e a fonte, se houver tensão VDS aplicada. Quanto maior for o valor de

VGS, maior será a corrente ID .

Observação: A tensão VGS que permite o fluxo de corrente IDS é chamada de Vt (tensão de

limiar) ou VGS(TH) (Threshold VGS). Para valores de tensão menores do que este, não há

corrente de dreno-fonte.

2.5 – VMOS-FET (MOSFET de Construção Vertical)

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

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substraton+

SiO2

SGS

D

n+p n+

p

comprimento

efetivo do canal

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 :

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

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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 funciona 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