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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO

Professor: Alvaro Cesar Otoni Lombardi

Engenharia Elétrica – Eletrônica

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• Os Transistores Bipolares de Junção (TBJ ou BJT)• São controlados pela variação da corrente de base (na

maioria das aplicações)

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• Os Transistores Efeito de Campo (FET)• Do inglês Field Effect Transistor• São controlados pela variação da tensão

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• Os Transistores Efeito de Campo (FET)

FET

JFETJ – Junction ou Junção

MOSFET

MOS – Metal Oxid SemiconductorSemicondutor de Metal Óxido

DEPEÇÃO

INTENSIFICAÇÃO

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• Os Transistores Efeito de Campo (FET)• FET Canal N

Dreno (D)

Canal N

Fonte (S)Source

Porta (G)Gate

Contato ôhmico

Região de Depleção

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• Os Transistores Efeito de Campo (FET) Funcionamento• A região de Depleção não possui portadores livres,

portanto não conduz.VDD +VG = 0 V

Não passa corrente do Gatepara Dreno.

Se VG ficar mais negativo, mais aumentará a região de depleção.

VGS = 0V e VDS > 0V

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• 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) IG = 0 A.• Característica relevante do FET.• G – D e G – S proporcionam alta impedância de entrada.

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• Os Transistores Efeito de Campo (FET) Funcionamento• Variação dos potenciais reversos de polarização através da

junção p - n de um JFET de canal N.

25 a 75% dos potenciais reversos do FET ficam na região de depleção

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• Os Transistores Efeito de Campo (FET) Funcionamento• Mantendo o VGS = 0V e• Se aumentar VDS, aumenta também a região de depleção.• A corrente ID 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 VDS

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• Os Transistores Efeito de Campo (FET) Funcionamento• A redução do canal levará a corrente a um nível de

saturação.

Aumento da Resistência devido ao Estreitamento do Canal

Resistência do Canal

Nível de Saturação para VGS = 0V

VP

IDSS

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• Os Transistores Efeito de Campo (FET) Funcionamento• Os dois parâmetros observados devido ao nível de

saturação quando VGS = 0V• VP

• IDSS

• São parâmetros dos FETs que aparecem nos data sheets.

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• Os Transistores Efeito de Campo (FET) Funcionamento• IDSS S (Saturation)• VP (Pinch-off)

ID = IDSS

Pinch-off ou Constrição

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• Os Transistores Efeito de Campo (FET) Funcionamento• IDSS é a máxima corrente de dreno para um JFET e• É definida pela condição VGS = 0 V e VDS > |VP|

O valor de VGS para ID = 0 mA é definido por VGS = VP

VGS = VPPara o canal N VP é NegativoPara o canal P VP é Positivo

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• Os Transistores Efeito de Campo (FET) Funcionamento• Lugar Geométrico dos Valores de Pinch-off

Região de Saturação

Região ôhmica

Lugar Geométrico dos Valores de pinch-off

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• Os Transistores Efeito de Campo (FET) Funcionamento• Resistor controlado do tensão.

2

1 ��

��

�−

=

P

GS

Od

VV

rr

dODS

d

P

dss

rrVI

VI 11 ====

rO = É a resistência apresentada por VDS x IDSS

rd = É a resistência apresentada na região ôhmica para um determinado valor de VGS

dDS

d

rVI 1==

Região ôhmica

Controle da resistência pela tensão pode ser empregado em controle automático de ganho.

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• Os Transistores Efeito de Campo (FET)• SIMBOLOGIA

FET canal N FET canal P

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• Os Transistores Efeito de Campo (FET)• Curva Característica de Transferência

( ) BBC IIfI β==

Constante

Variável de Controle

No TJB é:

No FET é:

2

1 ��

��

�−=

P

GSDSSD V

VII

Constante

Variável de Controle

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• Os Transistores Efeito de Campo (FET)• Curva Característica de Transferência

2

1 ��

��

�−=

P

GSDSSD V

VII

Quando ID = IDSS , VGS = 0 V

Quando VGS = VP, ID = 0 mA

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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo (FET)

• Ex.1: Dado VP = −4V e IDSS = 8 mACalcule VGS = ? para ID = 4,5 mA

2

1 ��

��

�−=

P

GSDSSD V

VII

2

4185,4 �

�

��

�

−−= GSV

1642

15625,02

GSGS VV+

×+=

04375,0216

2

=++ GSGS VV

0782 =++ GSGS VV

voltsVV GSGS 7 e 1' e −−=

Só VGS = − 1volt é válido

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• Ex.1: Dado VP = −4V e IDSS = 8 mACalcule VGS = ? para ID = 4,5 mA

2

1 ��

��

�−=

P

GSDSSD V

VII

2

4185,4 �

�

��

�

−−= GSV

2

415625,0 �

�

��

� += GSV

4175,0 GSV

+=

( ) 4175,0 −=GSV

voltVGS 1425,0 −=×−=

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• Ex.2: Dado VP = −4V e IDSS = 8 mACalcule ID = ? para VGS = − 2V

2

1 ��

��

�−=

P

GSDSSD V

VII

2

42

18 ��

��

�

−−−=DI

2

21

18 ��

��

� −=DI

mAI D 241

821

82

=×=��

��

�=

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• Os Transistores Efeito de Campo (FET)• Relações interessantes de VGS × ID

2

1 ��

��

�−=

P

GSDSSD V

VII

VGS ID

0 IDss

0,3 VP IDss/2

0,5 VP IDss/4

VP 0 mA

IDSS

VGSVP

ID

0,3VP

IDSS/2

0,5VP

IDSS/4

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• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Depleção)• O corte;• A saturação e• IDSS

• Do JFET é semelhante ao MOSFET tipo Depleção;• A diferença está nas curvas características:

• Se estendem até a polaridade oposta para VGS.

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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• 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.

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Funcionamento

A PORTA (GATE) permanece isolada do canal n por uma fina película de Óxido de Silício SiO2. SiO2 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.

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Funcionamento

Para VGS = 0V, não existe campo elétrico

Elétrons percorrem da FONTE para o DRENO.

O sentido convencional da Corrente é de DRENO para a FONTE.

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Funcionamento

VGS negativo = modo depleção

VGS positivo = modo intensificação

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Funcionamento

O que acontece com o Canal n quando o VGS é positivo?

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Simbologia

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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Intensificação)

• Não existe a parte de Depleção.

Por onde passará a corrente entre o Dreno e a FonteID?

O SiO2 é isolante e portanto o Gate é isolado do Substrato que é isolado da Região tipo n

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• Símbolo

MOSFET – Canal n

Substrato desligadoda Fonte (S)

Substrato ligado àFonte (S)

ID = 0A

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• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Intensificação)

• Características• O controle de corrente para esse dispositivo de canal n é

realizado por uma tensão VGS positiva.• MOSFET depleção possui canal• MOSFET intensificação não possui canal (Inexistência de

Canal).

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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Intensificação)• Características

• Para VDS positivo, VGS = 0V 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.

ID = 0A

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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Intensificação)Funcionamento

Alimentação de VDS e VGSpositiva em relação à SourceCorrente de Gate é 0A e independe do valor de VGS

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O potencial positivo do Gaterepele as lacunas.

VGS pressiona as lacunas (cargas iguais se repelem) para o substrato p por toda a extensão da camada de SiO2

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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 SiO2 livre de lacunas

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Com o aumento de VGS éintensificado a concentração de elétrons próximo à superfície

O negativo é a fonte de elétrons

É intensificado até um nível que a região induzida tipo n possa suportar o fluxo entre o Dreno e a Fonte

Região de Depleção

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O nível de VGS que produz um aumento significativo da corrente de dreno é chamado de tensão de limiar.

A tensão de limiar érepresentado por VT ou VGS(Th)

Início de Pinch-off

Th – Threshold = limiar

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• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Intensificação)• Tem o MOSFET

• que tem o canal e• o que não tem o canal

• Ambos são de intensificação, porém o nome de intensificação foi dado ao último pois é o único modo de operação.

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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo

(MOSFET tipo Intensificação)• Quando VGS aumenta após o limiar,

aumenta a corrente de dreno (ID).• Se VGS for mantida e aumentar VDS;• ID atinge um nível de saturação por

constrição.VDG = VDS – VGS

D

G

VDG

S VDS

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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo

Intensificação)VDG = VDS – VGS

• Se VGS = 8V e VDS for aumentado de 2V para 5V;Então VDG cairá de – 6V para – 3 V;VDG = 2V – 8V = – 6V;VDG = 5V – 8V = – 3V;• Se VDS aumenta, VDG fica menos positivo;Reduz as forças atrativas para os elétrons provocando

a redução da largura do canal;O canal é reduzido até a condição de saturação

(PINCH-OFF)

D

G

VDG

S VDS

VDG

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D

G

VDG

S VDS

VDG

• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Intensificação)VDG sat = VDS – VT

Para valores de VGS < VT , ID(MOSFET intensificação) = 0 mAVT = Nível de Limiar

Lugar Geométrico de VDS sat

VGS = VT = 2 V

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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo

Intensificação)Curvas características de Dreno de um MOSFET VT = 2V e

k = 0,278 × 10 –3 A/V 2

Lugar Geométrico de VDS sat

VGS = VT = 2 V

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Constante k (A/V 2)É dado pelos valores de VGS (Ligado) eID (Ligado)São valores fornecidos pelo fabricante

VT

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De posse do valor de VGS (Ligado) e de ID (Ligado)

Encontra-se k pela fórmula

k = ID (Ligado)

(VGS (Ligado) – VT)2∴ k (VGS – VT)2ID =

Para qualquer valor dado de VGS, pode-se encontrar IDdesde que k seja conhecido.

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• Curva característica de transferência

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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Intensificação)• Manuseio

• Alta impedância de gate;• associada à fina camada do isolante SiO2,• 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.

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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo (VMOS tipo Intensificação)• Compensa a baixa potência limitante do MOSFET;• V do VMOS é devido à estrutura vertical de crescimento do canal;• Maiores velocidades de chaveamento.• Leitura complementar opcional livro pag 197.

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