Transistor de Efeito de Campo de Junção - JFET

ET74C – Eletrônica 1

Transistor de Efeito de Campo de Junção - JFET

Prof. Dr. Ulisses Chemin Netto ([email protected]) 11 de Novembro de 2015


Objetivo da Aula

Conhecer a estrutura e operação do Transistor de efeito de campo de junção.

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Conteúdo Programático

Estrutura do JFET;

Funcionamento;

Curva Característica de saída.

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Construção de Conhecimento esperado

Familiarizar-se com as características estruturais e operacionais do transistor de efeito de campo de junção (JFET).

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Divisão dos Transistores

Transistor

Bipolar NPN

PNP

Unipolar JFET Canal N

Canal P

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Junction Field-Effect Transistor

Tipo de portador majoritário


Principal Diferença entre Transistores

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• Dois tipos de portadores envolvidos no processo de condução de corrente;

• Elétrons e Lacunas. Bipolar

• Um único tipo de portador envolvido no processo de condução de corrente;

• Elétrons para o JFET de canal n;

• Lacunas para o JFET de canal p.

Unipolar



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O TBJ é controlado por corrente (IB);

IC=f(IB);

O JFET é controlado por tensão (VGS);

ID=F(VGS).



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A corrente de saída depende de um parâmetro da entrada



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O JFET possui uma impedância de entrada elevada; – Valor típico com ordem de grandeza de M;

O ganho de tensão CA é menor do que aquele obtido com o TBJ; – Variação da corrente de saída é maior no TBJ.

• Em função da impedância de entrada elevada.

Menos suscetível a variações de temperatura do que o TBJ;

Menores dimensões em relação ao TBJ → mais adequado para construção de Circuitos Integrados.


Sugestão de Aplicação

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Usa-se TBJ para grandes ganhos de tensão;

Usa-se JFETS para altas impedâncias de entrada;

Desenvolvimento de amplificadores de múltiplos estágios combinando os dois tipos de transistores.

– JFET no primeiro estágio → alta impedância de entrada;

– TBJ, como Emissor-Comum, no segundo estágio → alto ganho de tensão.


Similaridades entre transistores

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Elemento com três terminais; – Regiões análogas (emissor, base e coletor com fonte,

porta e dreno).

Aplicado para amplificação de sinais;

Construído com materiais do tipo n e p;

Aplicado como chave.


Similaridades entre transistores

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Analogia entre os Terminais do TBJ e do JFET

TBJ E B C IE

IB

IC

JFET S G D IS

IG

ID

O conhecimento construído para o TBJ será aplicado ao JFET.


Construção do JFET

Características iniciais

– Há dois tipos de JFETS:

• de canal n;

• de canal p.

– JFETs têm três terminais: • O Dreno – Drain – (D) e a Fonte – Source – (S) são

conectados pelo canal n;

• A porta – gate – (G) é conectada ao material do tipo p.

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Ideia inicial

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Não se trata de um JFET ainda e sim do primeiro passo para construção de um.

• Pedaço de material tipo n;

• Extermidade superior: Dreno (Drain);

• Extermidade inferior: Fonte (Source);

• A tensão VDD força os elétrons a fluírem da Fonte para o Dreno através do canal de material do tipo n.



JFET canal n

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• A maior parte do material é do tipo n;

• O material do tipo n forma o canal entre os materiais do tipo p e possui dopagem inferior ao material do tipo p;

• Os materiais do tipo p estão conectados entre si e ao terminal Porta (G);

• Na ausência de potencial aplicado, o JFET possui duas junções p-n não polarizadas duas regiões de depleção similares àquela do diodo.



JFET canal p

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Dreno

Porta (Gain) p n n

Fonte (Source)



Tensões importantes:

– VDS

• Tensão entre dreno e fonte;

– VGS

• Tensão aplicada entre a porta e a fonte.

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Dreno - terminal a partir do qual os portadores majoritários saem. A corrente no sentido convencional que entra é designada por ID. A tensão VDS é positiva se o potencial em D é mais positivo que S.

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Porta - Em ambos os lados do canal N, (no caso do JFET canal N), são dispostas duas regiões fortemente dopadas por impurezas aceitadoras (material tipo P). É aplicada uma tensão VGS para polarizar reversamente a junção pn entre as regiões de porta e fonte.

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Controle da corrente ID



Fonte - terminal em que a corrente devida aos portadores majoritários (elétrons) penetra no canal. Designada por IS.

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Construção do JFET Analogia para o mecanismo de controle do JFET:

– Fonte: Pressão d’água comparada a tensão aplicada entre o dreno e a fonte (VDS);

– Fluxo de água = fluxo de elétrons a partir da fonte em direção ao dreno;

– Porta – controla o fluxo de elétrons por meio de um sinal de controle (VGS) para o dreno.

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Efeito de Campo

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Significado:

– O caminho de circulação de corrente ID é controlado pela tensão VGS;

• Essa tensão modifica a largura do canal n;

• O campo elétrico estabelecido entre a junção do material p e n;



Símbolo:

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Canal n Canal p


Análise do JFET

Considerando VGS = 0V e VDS > 0

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n p p


Análise do JFET


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n p p

Dreno

Fonte S

• Fluxo de elétrons (portadores majoritários) induzidos por VDS da fonte para o dreno;

• Alteração forçada da zona de depleção;

• Estabelece o sentido convencional de corrente;

• ID=IS.

iD

iS


Análise do JFET


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• Aumentando VDS, aumenta-se a zona de depleção.

• A região de depleção é mais larga na parte superior do material p;

• Por qual razão a zona de depleção se modifica?

n p p

iD

iS

Dreno

Fonte S


Análise do JFET

Considerando VGS = 0V e VDS > 0 – Considerar a resistência do canal n uniforme;

– A corrente ID estabelece quedas de tensão ao longo do canal – Distribuição de tensões ao longo do canal;

– A região de depleção varia de acordo com a tensão reversa aplicada (maior tensão – aumento da região de depleção);

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Análise do JFET


– Como a junção pn porta-fonte está reversamente polarizada, a corrente de porta é igual a zero (IG=0);

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Análise do JFET


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• Se VGS = 0 V e VDS aumenta continuamente

para uma tensão mais positiva, um ponto é

alcançado onde a região de depleção fica tão

grande que “estrangula” o canal.

• Isso sugere que a corrente no canal (ID) cai

para 0 A, mas isso não acontece: à medida que

a VDS aumenta, a ID também aumenta.

Entretanto, uma vez que o pinch-off ocorre,

aumentos subsequentes na VDS não fazem com

que a ID aumente.


Análise do JFET


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No ponto do pinch-off:

o Qualquer aumento adicional da

VDS não produz nenhum aumento na

ID. No pinch-off, a VDS recebe o

nome de Vp.

o A ID está em saturação ou em seu

valor máximo, e é referida como

IDSS..

Corrente máxima de dreno quando VGS = 0V e VDS > |VP|


Análise do JFET Considerando VGS = 0V e VDS > 0

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• Ou seja, para VDS > VP o JFET se comporta como uma fonte de

corrente;

• ID=IDSS

• VDS é determinada pela carga.


Análise do JFET Considerando VGS < 0V e VDS > 0

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• À medida que a VGS se torna mais

negativa, a região de depleção

aumenta.



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– A medida que VGS se torna mais negativa o JFET irá saturar para valores menores de VDS;

– O valor de IDSS irá diminuir conforme VGS se torne mais negativa;

– O valor de pinch-off diminui e passa a descrever uma parábola conforme VGS se torne mais negativa;

– Quando VGS= –VP a saturação será, basicamente, ID= IDSS

= 0mA JFET desligado.

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– Em resumo:

“O valor de VGS que resulta em ID = 0mA é definido por VGS=VP , sendo VP uma tensão negativa para dispositivos de canal n e uma tensão positiva para JFETS de canal p.”

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– Região ôhmica:

• Nessa região o JFET se comporta como um resistor

variável controlado pela tensão VGS;

• A inclinação de cada curva e portanto a resistência do dispositivo entre dreno e fonte para VDS < VP é função de VGS;

• Conforme VGS se torna mais negativa, a inclinação da curva se torna mais horizontal, correspondendo a um aumento de resistência.

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Análise do JFET

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Análise do JFET JFET de canal p

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• O JFET de canal p se comporta da

mesma forma que o JFET de canal n.

A diferenças são que as polaridadades

de tensão e as direções das correntes

são reversas.


Análise do JFET JFET de canal p

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• Observe também que a altos níveis de VDS o JFET atinge uma situação de

ruptura: a ID aumenta incontrolavelmente se VDS > VDSmáx.

• À medida que a VGS se torna mais positiva:

• A região de depleção aumenta, e

a ID diminui (ID < IDSS).

• A ID cai, por fim, a 0 A (quando

VGS = VGSoff)


Análise do JFET Resumo para o JFET de canal n:

– A corrente máxima é definida por IDSS e ocorre quando VGS=0V e VDS≥|VP|;

– Para tensões VGS menores do que o valor de pinch-off, a corrente de dreno ID = 0A;

– Para todos os valores de VGS entre 0V e o valor de pinch-off, a corrente ID irá variar entre IDSS e 0A.

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Análise do JFET

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2

V

V1DSSD

P

GSII

• As características de transferência de entrada a saída do JFET não

são tão simples quanto as do TBJ (IC=IB).

• TBJ: indica a relação entre IB (entrada) e IC (saída).

• JFET: a relação entre VGS (entrada) e ID (saída) é um pouco mais

complicada:

Equação de Shockley


Análise do JFET

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• Este gráfico mostra o valor de ID para um dado valor de VGS.

A partir de IDxVDS é possível obter IDxVGS


Folha de Dados para o JFET

Os valores máximos de interesse são:

– A tensão entre dreno e fonte – VDS;

– A tensão entre dreno e porta – VDG;

– A tensão entre porta e fonte – VGS;

– A máxima corrente de porta – IG;

– A máxima potência dissipada – PD;

– O valor da corrente de saturação – IDSS;

– O valor da tensão de pinch-off – VP;

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Exemplo de folha de dados:

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Tipo de encapsulamento



Exemplo de folha de dados:

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Região de Operação:

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Região para Amplificação Linear


Relações importantes

As principais relações para análise do JFET e sua comparação com o TBJ são apresentadas:

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JFET TBJ


Relações importantes

As principais relações para análise do JFET e sua comparação com o TBJ são apresentadas:

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Referências Utilizadas

BOYLESTAD, Robert L.; NASHELSKY, Louis. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 11. ed. São Paulo: Pearson education do Brasil, 2013.

SEDRA, Adel S.; SMITH, Kenneth C.. Microeletrônica. 5ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2007.

MALVINO, Albert Paul. Eletrônica. 4. ed. São Paulo: Makron, c1997. 2v.

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Obrigado pela Atenção!

Prof. Dr. Ulisses Chemin Netto – [email protected] Departamento Acadêmico de Eletrotécnica – DAELT – (41)3310-4626

Av. Sete de Setembro, 3165 - Bloco D – Rebouças - CEP 80230-901 Curitiba - PR - Brasil

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