Transistores de Efeito de Campo
O Transistor de Efeito de Campo (Field-Effect Transistor - FET) é um dispositivo de três terminais com comportamento e aplicações semelhantes aos transistores TBJ.
O TBJ, é um dispositivo controlado por corrente, ou seja, a corrente de saída (IC) é dependente do valor da corrente de entrada (IB). Por outro lado, o transistor FET é um dispositivo controlado por tensão, onde a corrente de saída é controlada pela tensão de entrada.
Uma das principais características do FET é sua alta impedância de entrada (variando de 1 a centenas de MΩ).
Existem basicamente dois tipos de transistores FET: o Transistor FET de Junção (JFET) e o Transistor FET de Metal-Óxido-Semicondutor (MOSFET).
Características do JFET
Assim como há transistores bipolares npn e pnp, também há transistores FET de canal n e de canal
p. Entretanto, o FET é um dispositivo unipolar que depende unicamente da condução de elétrons
(canal n) ou lacunas (canal p).
A figura abaixo mostra a construção básica de um JFET de canal n. Observe que a maior parte da estrutura é do material do tipo n que forma o canal entre as camadas imersas de material do tipo p. Esse canal é conectado a duas extremidades, o dreno (drain – D) e a fonte (source – S). Os dois materiais do tipo p estão conectados entre si e também ao terminal porta (gate – G).
Na ausência de um potencial aplicado, o JFET possui duas junções p-n não-polarizadas, resultando em uma região de depleção em cada junção.
Aplicando uma tensão VDS através do canal, conectando a porta diretamente à referência da fonte (VGS = 0), resulta no sistema da figura abaixo.
Como a porta está conectada ao terminal negativo da fonte, as junções p-n do transistor na região mais próxima do dreno estarão polarizadas reversamente, aumentando a camada de depleção. Como o potencial no terminal dreno é positivo, ele atrairá os elétrons livres do canal n (portadores majoritários), estabelecendo uma corrente no sentido indicado.
O caminho possível para o fluxo de cargas mostra que a corrente de dreno será igual a corrente da fonte (ID = IS), a qual será limitada somente pela resistência de corpo do canal. Como as junções p-n estão polarizadas reversamente, a corrente de porta (IG) será nula.
A medida que a tensão VDS aumenta, a corrente do dreno ID também aumenta, mostrando uma relativa uniformidade no valor da resistência de corpo. Contudo, a medida que a tensão VDS aumenta, a tensão reversa na camada de depleção também aumenta, causando um incremento na espessura dessa camada.
O aumento dessa camada causa um estreitamento no canal, aumentando, portanto, o valor da resistência de corpo. Quando as duas regiões de depleção se encostam, acontece a condição de pinch-off (estrangulamento). O valor de tensão que essa condição é chamada de tensão de pinch-off (VP)
Apesar do nome estrangulamento, a corrente no canal não é interrompida, como sugerido, ao contrário ela é mantida fixa, em um valor de saturação (IDSS), como mostrado no gráfico acima. Sem uma corrente no canal, não haveria uma queda de tensão ao longo do canal, não havendo portanto um aumento na camada de depleção, condição para o pinch-off.
Assim, a corrente máxima de dreno para um JFET é IDSS e é definida pela condição VGS = 0 e VDS > |VP|.
Por ser um dispositivo eletrônico, e portanto fazer parte de circuitos elétricos, ele possui um símbolo, que é diferente daquele utilizado para TBJs. Contudo, assim como nos TBJs, é preciso diferenciar dispositivos canal n (a) de canal p (b), o que é feito mudando o sentido da seta no terminal porta.
VGS negativa
Em transistores TBJ, a curva característica era construída para várias correntes de base diferentes, por ser o parâmetro de controle do dispositivo. Da mesma forma, em um transistor JFET, a curva característica será construída para várias tensões de porta, que para esse dispositivo funcionará como parâmetro de controle.
Para valores negativos de VGS, a polarização reversa das junções p-n será intensificada, ou seja, a região de depleção irá aumentar para valores menores de VDS. Como a resistência de corpo do canal não alterou, a corrente de dreno será menor, ou seja, a corrente de saturação IDSS será menor.
Quando a tensão VGS = -VP, o transistor irá atingir a região de pinch-off para VDS = 0, o que resulta em uma corrente ID saturada em 0 A.
Como é possível observar no gráfico acima, para diferentes valores de VGS, a inclinação da curva resistência) para valores a esquerda de VP é diferente. Logo, o JFET não saturado funciona como um resistor variável. Essa relação pode ser aproximada pela equação:
rd= ro (1−VGS/VP)2
onde ro é a resistência com VGS = 0. Curva característica de transferência
A relação entre a corrente de saída e entrada em um TBJ é uma relação linear, na forma:
IC=f (IB)=βIB
Em um JFET essa relação entre variáveis de saída e entrada, todavia, não será linear. A variável de entrada (controladora) em JFET é a tensão VGS, enquanto que a variável de saída (controlada) é a corrente de dreno ID. Essa relação é dada pela equação de Shockley:
ID=IDSS
(
1−VGS VP)
2
onde os valores de IDSS e VP são constantes (geralmente fornecidos nos datasheets). Percebe-se que a relação é não-linear, ao contrário do TBJ. A partir dessa relação, é possível traçar um gráfico de ID em função de VGS:
Perceba que existe uma relação entre esse gráfico (a esquerda) e a curva característica do JFET (a direita). Em resumo, quando VGS = 0 V, a corrente é IDSS, e quando a VGS = VP, a corrente ID é nula. Características do MOSFET de depleção
A construção de um transistor MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) é bastante diferente de um JFET, apesar de algumas semelhanças na operação. A figura abaixo ilustra um modelo de construção do MOSFET com canal n.
Nesse dispositivo, há uma base de semicondutor dopado do tipo p, aqui chamado de substrato. Sobre o substrato é colocada uma camada de silício dopado do tipo n, formando três regiões distintas, os terminais dreno e fonte e um canal entre eles.
As extremidades desse canal são conectados diretamente, a partir de um contato metálico, aos terminais dreno e fonte. A porta, por sua vez, é isolada do canal n por uma camada de dióxido de silício (SiO2), que é um material isolante.
Por ser um material isolante, a impedância de entrada na porta desse transistor é muito alta, superando a impedância de entrada do JFET (que já é elevada). Por isso, a corrente na porta pode ser considerada nula.
Repetindo a primeira análise do JFET, conectamos uma fonte entre os terminais dreno e fonte (VDS > 0) e conectamos a porta no terminal negativo da fonte (VGS = 0). Como o potencial no dreno é positivo, os elétrons livres do canal n serão atraídos para ele, fazendo com que apareça uma corrente do dreno para a fonte (ID = IDSS).
Ao aplicar uma tensão VGS negativa, o potencial negativo da porta tende a afastar (força elétrica) os elétrons livres do canal n, e atrair as lacunas do substrato. Isso faz com que esses portadores se recombinem, aumentando a camada de depleção entre essas duas regiões.
Como há um estreitamento do canal n, e uma redução do número de portadores livres nessa região, a corrente ID tende a ser menor a medida que VGS aumenta, comportamento semelhante ao JFET. Essa corrente irá diminuir até chegar no valor de pinch-off, onde a corrente do dreno será nula. A relação entre a corrente de dreno e a tensão de polarização VDS continua sendo a resistência de corpo do canal. E a relação entre ID e VGS, também obedece a equação de Shockley, resultando em curvas características semelhantes ao JFET.
A maior diferença entre os tipos de transistores FET é que uma tensão positiva na porta faz com que a relação entre ID e VGS permaneça válida, respeitando logicamente o sinal de cada variável.
Nesse caso, um potencial positivo atrai os elétrons do substrato para o canal, aumentando a quantidade de portadores livres, aumentando consequentemente o valor da corrente de dreno. Por isso que o gráfico acima a esquerda possui valores para o primeiro quadrante (VGS positivo). Essa região de operação do MOSFET é chamada de região de intensificação. A região de operação entre corte e a saturação é chamada de região de depleção.
Logicamente que essa corrente ID possui um valor máximo de operação, geralmente especificado pela potência máxima fornecida no datasheet.
O símbolo usado em diagrama de circuitos também deve ser diferente dos demais transistores, explicitando as diferenças na polarização e operação.
Características do MOSFET tipo intensificação
Apesar de algumas semelhanças desse tipo de transistor com o MOSFET tipo depleção, as características do MOSFET tipo intensificação são bastante diferentes. A começar, a relação entre a corrente de dreno e a tensão porta-fonte não obedece a equação de Shockley, e ID é nula para valores de VGS menores que um determinado limiar.
A figura abaixo mostra o modelo de construção de um MOSFET tipo intensificação canal n. Uma cada grossa de silício com dopagem tipo p é usada como substrato. Sobre ela, são colocadas regiões com dopagem tipo n, conectadas eletricamente aos terminais dreno e fonte.
A principal diferença entre os MOSFET é a ausência, no tipo intensificação, do canal n entre os terminais dreno e fonte, havendo somente parte do substrato entre eles.
Ao aplicar uma fonte de tensão entre o dreno e fonte, com uma tensão zero entre a porta e a fonte, como nas análises iniciais anteriores, temos uma junção p-n polarizada reversamente no terminal dreno e uma junção p-n não polarizada no terminal fonte. Dessa forma, não há corrente entre o dreno e a fonte.
Ao aplicar uma tensão VGS positiva, o potencial da porta tende a afastar as lacunas do substrato próximos ao dióxido de silício, resultando em uma região de depleção. Adicionalmente, esse potencial positivo tende a atrair os elétrons do substrato (portadores minoritários) e também os elétrons das regiões n dos terminais vizinhos, para essa região.
Ao aumentar ainda mais a tensão VGS, haverá um acúmulo de elétrons na região próxima do isolante da porta, criando assim, uma camada tipo n “induzida”, que possuirá elétrons livres para deslocamento e uma região de depleção entre ela e o substrato.
O valor de VGS para o qual um número suficiente de elétrons móveis se acumulam na região do canal para formar um canal de condução é chamado de tensão de limiar (VT). O valor de VT é
fixado durante a fabricação do dispositivo e está dentro de uma faixa de 1 a 3 V.
A quantidade de elétrons livres na região induzida dependerá da profundidade dessa camada, que é definida pela diferença VGS – VT. Quanto maior essa diferença, maior a condutividade no canal criado, consequentemente, maior a corrente ID para uma determinada tensão VDS.
Como a profundidade do canal é definida pelo potencial na porta, ao analisarmos o potencial elétrico a partir da fonte, em direção ao dreno, percebemos que a diferença de potencial entre o canal e a porta diminui. Assim, a profundidade do canal também diminui, sendo mais estreita nas proximidades do dreno. Esse estreitamento na profundidade do canal acarreta, naturalmente, numa diminuição da condutividade.
Quanto maior a tensão do dreno, menor será diferença de potencial entre os pontos do canal e o terminal da porta, de tal forma que a profundidade do canal será ainda menor próximo do dreno. Para um determinado valor de tensão VDS, essa espessura do canal se aproxima de zero, fazendo com que a corrente do dreno não se altere para um aumento maior de VDS. Nessa condição, dizemos que a corrente está saturada.
Esse comportamento pode ser descrito graficamente com funções de ID x VDS para vários valores de VGS diferentes.
Para valores de VGS > VT, a corrente de dreno é relacionada com a tensão VGS pela seguinte relação não-linear:
ID=k (VGS−VT)2
Entre as diferenças entre esse transistor e o MOSFET de depleção, é a ausência de sua operação para valores negativos de VGS. Entretanto, a relação entre a corrente de dreno e a tensão de porta ainda é quadrática.
O símbolo para transistores MOSFET tipo intensificação, tanto canal n quanto para canal p, são ilustrados abaixo.
