Semicondutores - Transistores JFETs

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Published on February 5, 2014

Author: MarioTimotius

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Funcionamento dos transistores de Junção Efeito de Campo, "FETs"

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores JFETs MESFETs Não concordo com o acordo ortográfico 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 1

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Transistores de efeito de campo JFET  Historial  O transistor de efeito de campo (FET) é um transistor que usa um campo eléctrico para controlar a forma e, consequentemente, a condutividade de um canal de um tipo de transportadores de carga num material semicondutor.  Os FETs são transistores unipolares, pois envolvem a operação de um único tipo de transportadores de cargas (electrão ou lacuna). O conceito do FET antecede o transistor de junção bipolar (BJT), embora não tenha sido fisicamente implementado após os BJTs, devido às limitações dos materiais semicondutores, e à relativa facilidade de fabricação de BJTs, em comparação com os FETs, nesse momento…  O transistor de efeito de campo foi patenteado pela primeira vez por Julius Edgar Lilienfeld em 1926 e por Oskar Heil em 1934, mas os dispositivos semicondutores práticos (o JFET), só foram desenvolvidos muito mais tarde, depois que o efeito transistor ter sido observado e explicado pela equipa de William Shockley na Bell Labs em 1947.  As vantagens do FETs em relação ao transistor bipolar: altíssima impedância de entrada, rápida comutação, pequena dimensão, Fonte (S) e Dreno (D) intermutáveis para baixa frequência, além de ser um dispositivo de baixo ruído. 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 2

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Transistores de efeito de campo JFET FONTE: (Source) fornece os electrões livres, DRENO: (Drain) drena os electrões, PORTA: (Gate) controla a largura do canal, controlando a corrente entre Fonte e Dreno.  Vantagens dos JFET’s  Alta impedância de entrada (M): (IG=0Zi=) (Sistemas Lineares de amplificação).  Maior estabilidade de temperatura do que os BJTs.  Menores que os BJTs.  Facilidade de Fabrico.  Os BJTs são bipolares – condução de lacunas e electrões.  Os FETs são unipolares – usam somente um tipo de transportadores de corrente.  Menor ruído do que os BJTs.  Uso mais comum – comutador lógico. 0 FET é conhecido como transistor unipolar porque a condução de corrente acontece por apenas um tipo de portador (electrão ou lacuna), dependendo do tipo do FET, de canal n ou de canal p. 0 nome “efeito de campo” decorre do facto do mecanismo de controlo do componente ser baseado no campo eléctrico estabelecido pela tensão aplicada no terminal de controlo (Gate/Porta). 0 Transistor JFET recebe este nome porque é um transistor FET de Junção. 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 3

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Transistores de efeito de campo JFET Existem dois tipos de JFET’s: Canal tipo n e Canal tipo p, sendo o de canal n o mais utilizado. G a) Gate (Porta) D p S p Source (fonte) p D _ ID Drain (Dreno) n -VDD  Têm três terminais: G VG D n S n +VDD G b) S _ - Dreno (Drain (D)) - Fonte (Source (S)) - Porta (Gate (G)) + VG a) Canal n ID D G S + b) Canal P O JFET é formado por um estreito canal semicondutor tipo P ou N em cujas extremidades são feitos contactos denominados de Dreno(D), de onde as cargas eléctricas saem, e Fonte(S), por onde as cargas eléctricas entram. O terminal Gate(G) é que faz o controlo da passagem das cargas. 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 4

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Transistores de efeito de campo JFET Polaridades Canal-n Canal-P O+ eElectrões da Fonte (S) para o Dreno (D) Lacunas do Dreno (D) para a Fonte (S)  As figuras mostram as polaridades do JFET cana-n e canal-p. Note-se que em cada caso, a tensão entre a Porta(G) e a Fonte(S), é tal que a Porta (G) está inversamente polarizada.  Esta é a forma normal de ligação dos JFETs. Os terminais de Dreno(D) e Fonte (S) são intermutáveis, i.e. qualquer uma das extremidades pode ser utilizada como Fonte e a outra extremidade com Dreno. Como o circuito de entrada (G/S) está inversamente polarizada, significa que tem uma alta impedância de entrada, sendo a corrente IG  0. O Dreno (D) está polarizado de tal forma em relação á Fonte (S) que os electrões fluem da Fonte para o Dreno. Em todos os JFETS a corrente IS=ID. 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 5

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Transistores de efeito de campo JFET Estrutura Simétrica. Canal “N” A maior parte da estrutura é á base de material tipo n (Canal), entre duas incrustações embutidas de Drain (D) material tipo-p, formando duas junções p-n. Contactos Óhmicos P Canal n Gate(G) A Porta (G) está ligada ao material tipo-p. Em funcionamento normal o dispositivo de Canal n, o Dreno (D) é positivo em relação á Fonte (S).A corrente flui entrando pelo Dreno (D),(sentido convencional + -) atravessa o canal, e sai pela Fonte (S) (electrões fluem da Fonte para o Dreno). P e- Zona de Deplexão Source (S) 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 6

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Transistores de efeito de campo JFET Estrutura simétrica. Canal “P” Drain (D) A maior parte da estrutura é á base de material tipo P (Canal), entre duas incrustações embutidas de Contactos Óhmicos material tipo-n, formando duas junções p-n. n Canal p Gate(G) A corrente flui da Fonte (S) para o Dreno (D). Lacunas são injectadas na Fonte (S), e vão para o Dreno(D) através do Canal de material tipo-p. n O+ Zona de Deplexão Source (S) 0 JFET de canal p tem as mesmas partes constituintes de um JFET de canal n, porém o seu símbolo apresenta a seta em sentido contrário, e as correntes e tensões são consideradas invertidas em relação ao JFET de canal n. 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 7

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Transistores Unijunção de efeito de campo: JFET Estrutura não simétrica (pouco usual). Canal “N” Source (S) Source (S) Gate (G) Gate (G) Drain (D) Drain (D) W  l Substrato -p l 05-02-2014 Zonas de Deplexão Por : Luís Timóteo 8

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Transistores Unijunção de efeito de campo: JFET Características Canal “N” Controlo por Tensão: a corrente entre o dreno (D) e a fonte (S)é controlada pela tensão aplicada na porta(G), em contraste com o transistor BJT, cuja corrente de colector 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 inversa das junções da porta(G), provocando desta forma um aumento na região de deplexão destas junções e em consequência disto, um estreitamento do canal; com isto, tem-se baixas correntes de porta (Ig), e consequentemente, alta impedância. Curvas Características: o comportamento do JFET pode ser sumarizado pelas suas curvas de Dreno e de Transcondutância. Outras Características: Os transistores JFET apresentam menores ganhos em relação aos transistores BJT e em decorrência disto, têm maior estabilidade térmica; geometricamente, os JFET tem dimensões menores, quando comparados com os transistores BJT. 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 9

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores D Transistores de efeito de campo JFET Princípio de Funcionamento Canal-n n A acção básica de um JFET pode ser compreendida considerando-se um canal de condução. Começa-se com Silício dopado por n, e adiciona-se G p p dois terminais em cada extremidade. O dispositivo agora é uma resistência, cujo valor é fornecido pelo nível de dopagem. Estes dois terminais do JFET são denominados Fonte(S) e Dreno(D). n A Fonte(S), é análoga ao emissor do BJT. A fonte, é a fonte dos portadores maioritários. Portanto, num material de tipo n, os portadores são electrões, e a Fonte(S) é, assim, a fonte de electrões. S O Dreno(D) é análogo ao colector do BJT e, portanto, a corrente dos portadores maioritários flui a partir da Fonte(S) para o Dreno(D). Mais uma vez, em materiais do tipo n, os portadores são electrões e a corrente convencional flui na direcção oposta. Adiciona-se uma estrutura de porta (G) (duas), para formar um canal. As portas são duas regiões de um material do tipo p, que estão dispostas para criar um canal para condução da Fonte (S) para o Dreno(D). As duas regiões de porta são, interligadas internamente de modo que o utilizador só vê um terminal. As duas regiões da Porta(G) são, na verdade, ligadas para definir um canal para a corrente de portadores. O controlo da corrente do FET (resistência) é atingido mudando-se o tamanho das zonas de deplexão que circundam as portas. 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 10

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores D Transistores de efeito de campo JFET Princípio de Funcionamento Canal-n Zonas de Deplexão Como podemos ver, o JFET é um dispositivo NPN, já que a Fonte(S) é do tipo-n, a Porta (G) é do tipo-p, e a Dreno (D) é do tipo-n. Ao redor de cada Porta, há uma zona de deplexão, como em qualquer junção PN. VDS n G p p n S A zona de deplexão reduz o tamanho efectivo do canal dopado por n, e, dessa forma, aumenta a resistência aparente do canal. Modulando-se o Dreno (D), para potencial de porta, o campo eléctrico na zona de deplexão entre a porta e o Dreno varia e, consequentemente, o tamanho da zona de deplexão varia. O funcionamento do JFET é regida, pela variação do potencial entre a Porta(S) e o Dreno(D), e, dessa forma, modificando o tamanho da zona de deplexão. Á medida que VDS aumenta, as zonas de deplexão se movem juntas, aumentando a resistência da Fonte (S) 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 11

Semicondutores: Transistores JFETs D Transistores  Transistores de efeito de campo JFET Princípio de Funcionamento Canal-n As duas junções p-n nos lados, formam duas camadas de deplexão. A condução de corrente de portadores de carga (ou seja, os electrões livres, VGG neste caso) é através do canal entre as duas camadas de deplexão, para o Dreno . VDD G VDS eVGS S A largura e consequentemente a resistência deste canal, pode ser controlada alterando a tensão VGS. Quanto maior for a tensão inversa VGS, maiores serão as camadas de deplexão e mais estreito será o canal condutor. O canal estreito significa uma maior resistência e, consequentemente a corrente de Fonte/Dreno diminui. O Inverso acontecerá se VGS diminuir, sendo este o principio de operação dos JFETs. Por outras palavras, a magnitude da corrente de Dreno (ID) pode ser alterada por alteração de VGS . 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 12

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores D Transistores de efeito de campo JFET Princípio de Funcionamento Canal-n ID VDS n Á medida que a tensão do Dreno(D) para a Porta(G) aumenta, a zona de deplexão aumenta e, dessa forma, a condução do canal diminui. G Para pequenas tensões de VDS, a resistência aumenta linearmente com a tensão, e isso é descrito como a região óhmica. Acima da tensão de Saturação (VP), o canal é saturado, e a resistência se torna constante. p p n S A tensão VDS de saturação (VP), pode ser descrita como a tensão, a partir da qual a corrente ID permanecem constante, embora com estreitamento do canal (não completamente), permitindo a partir desse ponto o controlo da corrente ID, através da tensão VGS. ID RC RC  V I VP 05-02-2014 BV VDS VBSS - Tensão Ruptura(VP), pode ser descrita como a tensão VDS na qual o dispositivo entra em ruptura deixado de funcionar, ficando em curto. VP Por : Luís Timóteo BV VDS 13

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Transistores de efeito de campo JFET Funcionamento Canal -n Polarização. Zona de Deplexão Dreno D Drain ID VDD VDD  Porta G Gate VGG Source Fonte S A Junção Gate-Source (Porta/Fonte) é inversamente polarizada. A corrente de Porta (Gate) é  zero. Os electrões fluem da Fonte (S) para o Dreno (D). A corrente IDS flui através do canal, e o seu valor é determinado pela largura da zona de deplexão e largura do canal. 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 14

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Transistores de efeito de campo JFET Funcionamento Canal -n Polarização. Assim que VDS alcança o valor de estreitamento - “Pinch-off” VP, a corrente atinge o seu máximo, permitindo controlo completo da corrente ID, por controlo de VGS de zero até ao máximo. A Tensão VGS deve variar entre 0V e -VP. Para VDS  VP, há um estreitamento do canal, mas a corrente permanece constante (IDSS). Para VDS  BVDSS, o FET entra em ruptura e há um fluxo descontrolado de corrente entre Fonte/Dreno.(Curto). 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 15

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento de um JFET (canal N) http://www.learnabout-electronics.org/Downloads/Fig3116_new.swf 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 16

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Transistores de efeito de campo JFET Canal “N” – Com polarização  JFET é polarizado com duas fontes de tensão:  VDD.  VGG.  VDD fornece é a voltagem de polarização entre a Drain (D) e a Source (S) – VDS.  VDD causa a corrente de Drain, ID fluir da Drain (D) para a Source (S).  VGG gera a voltagem de polarização entre a Gate (G) e a Source (S). Com a polaridade negativa, a Source é conectada á junção da Gate (G) – ficando polarizada inversamente; pelo que a corrente de Gate, IG = 0.  VGG vai produzir a zona de Deplexão no canal N, de modo que controla o fluxo de corrente da Drain ID, que flui através do canal.  IDSS – (Drain-Source Shorted current) corrente máxima que o JFET pode produzir, na qual ocorre o estreitamento do canal quando VGS=0.  VP – tensão VDS máxima de saturação para um valor de VDS  0V.  VPO –(pinch-off voltage) tensão VDS máxima de saturação  IDSS para VGS=0V.  VGS (off) =|VP| – tensão VGS na qual ocorre o corte do dispositivo (fecho completo do canal).  BVDSS – tensão de ruptura do dispositivo para VGS = 0 (Máxima corrente = IDSS). 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 17

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Transistores de efeito de campo JFET Canal “N” – Com polarização A polarização do JFET é diferente do BJT. Num transistor bipolar polarizamos diretamente o diodo base-emissor, porém, em um JFET, sempre polarizamos inversamente o diodo “Gate-Source”(porta-fonte). Região de deplexão G Essa polarização inversa na Gate faz com que aumente a região de deplexão, diminuindo a largura do canal e dificultando assim a passagem de corrente entre Dreno e Fonte(S). p n S ID  Quanto mais negativa for à tensão da Gate, mais apertado é o canal, portanto a tensão da Gate controla a corrente. ID D ID p + VDD G VGG  Estrangulamento O fluxo de electrões da Fonte(S) para o Dreno, depende da largura do canal, isto é, da polarização inversa da Porta(G), que causa o aumento das regiões de deplexão, diminuindo a largura do canal e dificultando desta forma a passagem da corrente entre o Dreno e a Fonte(S) (é uma região de iões, formada pela difusão através da junção). 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 18

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Transistores de efeito de campo JFET Polarização Canal-n : VGS  0 V e VDS= 0 D Região de deplexão Consideremos inicialmente VDS=0 e apliquemos uma tensão VGS com a polaridade indicada na figura e que polariza inversamente a junção PN. VDS=0 ID=0 G Canal n ID p p G Inicialmente o canal estará todo aberto e entre e Dreno (D) e a Fonte (S), existirá um canal com uma determinada resistência. Como a tensão aplicada na resistência é zero, a corrente resultante será zero (ID=0). Se a tensão de Porta (G) VGS for aumentada, aumenta a n VGS =VPO polarização inversa o que faz com que a região de Deplexão avançe mais no canal até fechá-lo totalmente. S A tensão de Porta (G) que provoca o fecho total do canal é chamada de tensão de estrangulamento (pinch-off em inglês), VGS(Off), sendo uma quantidade negativa no caso de canal N, e positiva para o canal P. 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 19

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Transistores de efeito de campo JFET  Polarização Canal-n : Efeitos de VGS com VDS=0 D D G P+ P+ VGS 0v n VGS=0v VDS=0 G S VGS = 0 P+ D P+ VDS=0 n G P+ P+ VDS=0 VGS=-Vp S VGS < 0 S VGS = VGS(off) Quanto mais negativa a tensão de VGS, menor a corrente entre a fonte e o dreno. 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 20

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Transistores de efeito de campo JFET Polarização Canal-n :VGS = 0 e VDS  0 D Região de deplexão ID  0 VDS O que acontece com a corrente quando VDS varia? ID Canal n +1,5V G p +1V p +0,5V n S 05-02-2014 Agora consideremos VGS=0 e apliquemos uma tensão entre Dreno (D) e a Fonte(S), com a polaridade indicada na figura . Inicialmente com o VDS pequeno, o canal praticamente não se altera e dentro de certos limites o dispositivo se GV GS=0 comporta como uma resistência linear. À medida que VDS aumenta, a corrente de Dreno ID aumenta, provocando uma queda de tensão ao longo do canal, o que faz com que o estreitamento não seja uniforme. Por : Luís Timóteo 21

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Transistores de efeito de campo JFET Polarização Canal-n : VGS = 0 V e VDS 0 D Região de deplexão ID = IDSS ID O estreitamento é máximo quando a tensão de Dreno VDS, for igual em módulo à tensão de estragulamento VP. A G VA p B VB n S 05-02-2014 A corrente de Dreno ID, provoca uma queda de tensão VA, entre o VDS = VP ponto A e a Fonte(S), e uma queda de tensão V entre o ponto B e B a Fonte(S), estando claro que VA>VB.. Estas tensões são aplicadas na junção de forma inversa e no ponto onde a tensão inversa é maior, a região de Deplexão avança mais no canal,isto é, o estreitamento é maior próximo do Dreno(D). p GV GS=0 Se a tensão de Dreno VDS aumentar mais ainda, as regiões de carga espacial não se tocam, ao invés disso o estreitamento aumenta ao longo do canal conforme figura, e a corrente de Dreno se mantém aproximadamente constante em IDSS,(corrente de saturação) isto é, o dispositivo passa a se comportar como uma fonte de corrente constante. Na prática existe um pequeno aumento em ID quando VDS aumenta além de VP. Se a tensão de Dreno aumentar mais ainda, eventualmente será atingida uma tensão que provocará a ruptura da junção, destruindo o dispositivo. Esta tensão é designada por BVDSS. Por : Luís Timóteo 22

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores G Transistores de efeito de campo JFET Polarização Canal-n :VP n Ao aumentar a tensão entre Drain e Source VDS, a corrente ID aumenta, ao mesmo tempo que se estreita a “passagem” devido ao incremento das uniões p-n e a ampliação da região de deplexão. p S IS ID VDD p IDSS A passagem estreita-se á tensão VDS = VPo tensão para a qual ID deixa de aumentar ID G O JFET pode ser usado como uma resistência variável, onde VGS controla a resistência Drain-Source (Rd). Quanto mais negativo for VGS maior é o aumento da resistência Rd. 05-02-2014 D Rd  VP Por : Luís Timóteo r0   1  VGS  Vp      2 Voltagem de estreitamento VDS 23

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Transistores de efeito de campo JFET Polarização Canal-n :rd Outro Cálculo de rd 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 24

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Transistores de efeito de campo JFET Polarização Canal-n :Pinch-off- VGS = 0 V e VDS=Vp D Pinch-off Apesar do estrangulamento, ID ≠0 A. Os portadores passam através da região de deplexão. Nesta condição, IDSS passa a ser constante (IDS = constante na saturação). Característica de uma fonte de corrente. ID G VGS=0v VDS=Vp p p Nível de Saturação IDSS VDS=VPO n S 0 Vpo VDS IDSS é a corrente máxima de ID, definida na condição de VGS = 0V e VDS =VP. IDSS (Drain-Source Shorted) current. 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 25

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Transistores de efeito de campo JFET Polarização Canal-n :Efeitos de VDS na ID para VGS 0 D G P+ VGS D D P+ VDS G n VGS S VDS  VGSRegião Triodo P+ P+ VDS G VGS=0V P+ P+ VDS n n S VDS = VP S VDS =VPO Saturação A partir de um certo valor de VDS ocorre o estrangulamento do canal (estreitamento máximo), fazendo com que a corrente iD permaneça praticamente constante. Essa tensão é chamada de tensão de estrangulamento ou pinch off (VPO) e corresponde à tensão máxima de saturação do JFET com VGS=0. 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 26

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Transistores de efeito de campo JFET Canal-n: Curvas de Dreno D ID Aplicando-se VGS  0 V, uma tensão de polarização inversa, haverá um aumento na camada de deplexão, fazendo com que o estrangulamento do canal ocorra para valores menores de VDS e ID. VP = 5 V ID (mA) G VGS=-2V =-5V =-1V =-3V =0V p p IDSS VDS0V VGS= 0 V n 5 Curva da transcondutância S I S VPO VGS(off)=-VP VGS (V) 05-02-2014 VGS= -1 V 1 VGS= -2 V VGS= -3 V VDS (V) -5 -4 -3 -2 -1 0 Por : Luís Timóteo 5 VGS= -VP 10 15 27

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Transistores de efeito de campo JFET Canal-p: Curvas de Dreno D  ID diminui (ID < IDSS)  Eventualmente ID = 0A  Para níveis mais altos de VDS o JFET atinge mais cedo a zona de ruptura. ID aumenta sem controlo se VDS > BVDSS. ID (mA) I ID DSS ID G IG=0A n n VDS VGS=+VGG VDD 5 P VGS= +1 V VGS= +2 V S I S 1 -VP VGS (V) 05-02-2014 VGS= 0 V IDSS = 8 mA and VP = +5 V. +5 +4 +3 +2 +1 Por : Luís Timóteo 0 VP = -5 V V = +3 V GS VDS (V) -5 V = -V -10 GS P 15 28

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Transistores de efeito de campo JFET Canal-n: Curvas de Dreno Para cada valor de VGS, obtém-se uma curva característica de Dreno, até que ele atinja a tensão de corte VGS (off)= VP na qual ID é praticamente zero. Para qualquer FET a tensão de corte VGS(off) é igual, em módulo, à tensão de estreitamento do canal VP A corrente através da Porta (G) (IG) é muito pequena e desprezível, garantindo uma altíssima impedância de entrada (ZE). Essa resistência pode ser calculada através da tensão máxima (negativa) VGS que causa o corte do JFET (com VDS=0) e da corrente de Porta(G) de corte IGSS (Gate-Source Shorted current). Exemplo: ZE  VGS(VDS  0) I GSS 05-02-2014 No JFET BF245, para –VGS = 20V, com VDS = 0, tem-se IGSS = 5nA. Calcule ZE. ZE = 20 / 5x10-9 = 4GΩ Por : Luís Timóteo 29

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n: Curvas de Dreno – Estreitamento do canal. S p n p IDSS Estreitamento do canal, aumento da resistência Voltagem de estreitamento, VP 05-02-2014 VDD G Região de comportamento óhmico VP ID ID Corrente de saturação, IDSS /V PO ID D VDS Ao aumentar a tensão entre Dreno e Fonte VDS, a intensidade ID aumenta, ao mesmo tempo que se estreita a passagem, devido ao incremento de das uniões p-n e a ampliação da região de Deplexão. O canal estreita quando: VDS = VP Por : Luís Timóteo 30

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n: Curvas de Dreno Inicialmente com VDS=0 a corrente de Dreno ID também é zero. VDS=0 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. VDS=V1 Dizemos que a região de operação é chamada de região óhmica ou saturação (o JFET se comporta como uma resistência controlada por VGS). VDS=V2 ID VDS V1 V2 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 31

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n: Curvas de Dreno À medida que a tensão de Dreno VDS, se aproxima da tensão de estrangulamento (VPO) e o canal se aproxima do estreitamento máximo, a VDS=0 curva começa a inclinar-se (resistência do Dreno aumenta). A corrente de dreno para VDS=VPO é denominada de IDSS, corrente na saturação. VDS=V1 Se a tensão de Dreno aumentar além desse valor a variação da corrente de dreno fica constante em IDSS. VDS=V2 VDS=VP ID Comportamento resistivo IDss Comportamento como fonte de corrente VDS=VPO VDS=BVDSS 05-02-2014 V1 V2 Vp VPO Por : Luís Timóteo VDS BVDSS 32

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n: Curvas de Dreno Se agora for aplicada uma tensão, de Porta(G) de digamos VGS = -1V, e o procedimento é repetido, isto é, a tensão de Dreno é variada a partir de zero, será obtida uma curva semelhante à anterior porém com um valor de corrente na saturação menor que IDSS. Haverá um aumento na camada de deplexão, fazendo com que o estrangulamento do canal ocorra para valores menores de VDS e ID. ID (mA)  De uma forma geral o valor de VDS que provoca o estrangulamento é IDSS dado por: DS P GS V VDSat | VP | VGS Óhmica | V | V Saturação VGS=0 Ruptura VGS=-1  Para cada valor de VGS, obtém-se uma curva característica de dreno, até que ele atinja a tensão de corte = VP, na qual ID é praticamente zero. VGS=-2 VGS=-3 VP VPo 05-02-2014 Por : Luís Timóteo Corte BVDSS VDS (V) 33

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n: Curvas de Dreno VDS  VP  VGS IDSS VGS= 0 V (curto) VGS= -1 V VGS= -2 V VGS= -3 V VP V PO 05-02-2014 VGS= -4 V (Pinch-off) Por : Luís Timóteo 34

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n: Curvas de Dreno ID [mA] ID VGS = 0V 4 2,5K VGS = -0,5V D G VDS - + VGS - S VGS = 0V > -0,5V 2 + VGS = -1V 10V VGS = -1,5V VGS = -2V 0 4 > -1V > -1,5V > -2V > -2,5V 8 12 VDS [V] VGS = -2,5V Comportamento resistivo Comportamento como fonte de corrente Comportamento como circuito aberto 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 35

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n: Curvas de Dreno Há uma grande semelhança entre as curvas do JFET e a curva característica de saída do transistor bipolar.. IDSS - corrente máxima que o JFET pode produzir, na qual ocorre o estreitamento do canal quando VGS=0. VP – tensão VDS, para a qual a corrente ID (mA)Óhmica Activa Ruptura permanece constante, para valores de IDSS VGS=0 VGS 0 VPO – tensão VDS máxima de saturação ou de estreitamento (pinch-off) para VGS=0. BVDSS – tensão de ruptura do dispositivo para VGS = 0 e IDSS. Tendo, inclusive, as mesmas regiões: corte, saturação, activa e de ruptura. Na zona Óhmica, enquanto linear, RDS: VGS=|VP| VP 05-02-2014 VPO Por : Luís Timóteo Corte VDS (V) BVDSS 36

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n: Curvas de Dreno Comparação entre BJTs e JFETs R IB V1 B (P) + VBE - ID IC R C (N) IG 0 G (P) V2 + VGS - E (N) V1 D V2 N S Em ambos os casos, as tensões de entrada (VBE e VGS) determinam as correntes de saída (IC e ID). Na zona de comportamento como fonte de corrente, é útil relacionar correntes de saída e de entrada (transistor bipolar) ou corrente de saída com tensão de entrada (JFET).  A potência que a fonte V1 tem que debitar, é muito mais pequena no caso do JFET (a corrente é quase zero, ao estar polarizada inversamente a união Gate-canal). 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 37

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n: Curvas Características de Dreno (D). Numa análise gráfica do JFET, a região óhmica é aquela na qual a curva de Dreno é praticamente vertical, sendo ela equivalente à região de Activa do transistor bipolar. Essa parte do gráfico inicia-se com VDS igual a zero e vai até á tensão de constrição VP, que é a tensão onde a curva de Dreno se torna quase horizontal e é onde se separam as duas regiões de operação do JFET. Para um valor constante de VGS,=0V o JFET age como um dispositivo resistivo linear para pequenas variações de VDS até atingir a condição de estreitamento (na região óhmica). Região Saturação Acima da condição de estreitamento e antes da ruptura por avalanche, a corrente de dreno permanece aproximadamente constante para um valor de VGS, independentemente de VDS. rd  05-02-2014 rd  Resistência específica para r0 1  VGS / VP  2 r0  um certo VGS. Resistência com VGS = 0 V Por : Luís Timóteo Região óhmica 38

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n: Curvas Características de Dreno (D). Região Óhmica – Quando VGS = 0 a camada de Deplexão do canal, é muito pequena e o JFET actua como uma resistência controlada por voltagem. RDS  VP I DSS VGSoff  VP Exemplo: Para um JFET com as seguintes características: VP=5V ; IDSS=10 mA 5V RDS   500Ω 10mA  Zona de Saturação ou Região Activa – O JFET transforma-se numa fonte de corrente constante, com corrente igual a IDSS e é controlado pela voltagem Gate-Source ( VGS ), enquanto que a voltagem Drain-Source, ( VDS ) tem pequeno ou nenhum efeito. I  I  1  V    2 D 05-02-2014 Por : Luís Timóteo DSS   GS VP   39

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n: Curvas Características de Dreno (D). Região de Corte -Também conhecida como região “pinch-off “, onde a voltagem da Gate, VGS é suficiente, para fazer o JFET actuar como um circuito aberto, com a máxima resistência. � (ID = 0 para VGS  |Vpo |� (VGSoff = -VP ) Região de Ruptura - A voltagem entre a Drain e a Source, ( VDS ) é suficientemente alta para quebrar o canal resistivo dos JFET's e deixar passar uma quantidade incontrolável de corrente (Curtocircuito). 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 40

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n: Curvas Características de Dreno (D). Não-Saturação (Região Óhmica): DS A corrente de Dreno ID é dada por: Região de Saturação (ou Pinchoff)  V  V P  GS    V V    GS P  V ID   V  I DSS 2 1  GS  VP     VDS  VDS   V   V  P   P     2  VP 1  RDS   2 I DSS VGS  VP  gm    V V    DS P  GS V 2         V I  e I DS  I DSS 1  GS DS  VP  Onde , IDSS é a corrente de Dreno em curto e , VP é a voltagem “pinch off”. I DSS V2 P 05-02-2014 Por : Luís Timóteo     2 41

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n: Curvas Características de Dreno (D). Região de Ruptura Região de Ruptura- VDSat  VGS  VP  1V 1V 1V 1V VB Se VDG exceder a voltagem de ruptura VBDSS, a corrente de Dreno aumenta rapidamente… provocando a ruptura do dióxido da Gate… 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 42

Semicondutores: Transistores JFETs D Transistores G Funcionamento dos transistores JFET Canal-n: Curvas de Transferência. S A curva de transferência ou de transcondutância mostra como ID varia em função da tensão VGS aplicada à porta (G), conforme mostra a curva. Esta curva é obtida para o maior valor de VDS indicado na curva de Dreno. Esta curva é um trecho de parábola que tem como equação: ID (mA) 2 IDSS  VGS I D  I DSS  1   VP   VGS  I D  I DSS  1   V   P   VGS= 0 V VP = 5 V 5 VGS= -1 V VGS= -VP VGS= -2 V -VP VGS (V) 05-02-2014 -5 1 -4 -3 -2 -1 0 VGS= -3 V 5 Por : Luís Timóteo 10 15 VDS (V) 43     2

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n: Curvas de Transferência. A equação que relaciona a corrente de Dreno ID, com a tensão de Porta(G), é dada 2 aproximadamente por:  VGS I D  I DSS  1   VP  Exemplo:     onde IDSS é a corrente de Dreno na saturação. para VGS=0 e VP a tensão de estrangulamento. Se VGS= -1V qual a corrente de dreno considerando o transistor FET 2N4393?  V I D  I DSS  1  GS  VP      2 Do datasheet temos: IDSS Max : 30 mA 2 1  VGS(off) Max: -3V I D  30mA 1    13,333mA  3 Não esquecer que VGS(off)= |VP| 05-02-2014 Por : Luís Timóteo VGS  ID  VP  1   I DSS      44

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores  V I D  I DSS  1  GS  VP  Funcionamento dos transistores JFET Canal-n: Curvas de Transferência. Aplicações da Equação de Shockley 2  0  1   I D  I DSS  VP    2  V  I D  I DSS  1  P   VP    Para VGS = 0 V Para VGS = Vp Para VGS de 0 a |Vp|      V I D  I DSS  1  GS  VP  I D  I DSS ID  0     2 Método Simplificado VGS ID 0 IDSS 0.3Vp IDSS/2 0.5Vp IDSS/4 Vp 0 mA 05-02-2014 VGS   VP  1    Por : Luís Timóteo ID I DSS     45 2

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET (canal N) Canal-n: Curvas de Transferência. - Exercício Esboce a função de transferência definida por: IDSS = 4 mA VP=3V VGS   VP  1    ID I DSS IDSS      V  1  GS I D  I DSS  VP      VGS IDSS 0.3Vp IDSS/2 0.5Vp IDSS/4 IDSS/4 Vp IDSS/2 ID 0 2 0 mA 05-02-2014 VGS =0.3VP VGS =0.5VP Por : Luís Timóteo 46

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores D  Funcionamento dos transistores JFET Canal-n: Variação da Tensão VGS  A Polarização inversa para funcionamento normal, ou seja, tensão (G) /(S) porta-fonte (VGS) é sempre negativa.  Dessa forma, quanto mais negativa VGS, maior será a camada de deplexão e mais estreito será o canal.  Isso diminui o número de portadores, fazendo com que a corrente de Dreno (ID) máxima diminua. D ID D ID VDS= 10v S VGS= 0v ID(mA) 10 S ID ID aprox. “0” S ID “0” VGS= -4v 9 VGS= -2v VDS= 10v VDS= 10v A G camada deplexão . VGS= -1v VDS= 10v 7 6 5 G A camada de deplexão aumenta um ID dimiunui. A camada de deplexão aumenta um G pouco mais. A camada de deplexão aumenta e bloqueia completamente a corrente ID. VGS(V) -4 -3 05-02-2014 8 de Por : Luís Timóteo 4 3 2 1 -2 -1 47 0

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores  Funcionamento dos transistores JFET Canal-n: Variação da Tensão VDS D D D ID ID S VDS=7v S ID VDS=5v S VDS=4v ID G G VGS=0V VDS=1v G ID(mA) Aumentando VDS a corrente que atravessa o canal aumenta, mas a região de deplexão também…Porque a junção P-N fica ainda mais inversamente polarizada… VDS 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 48

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Polarização fixa DC Tal como para os BJTs que devem ser polarizados de acordo com o modo de operação, também os JFETs devem ser polarizados para um ponto de funcionamento (ID, VGS, VDS). Na maioria dos casos, o ponto ideal de funcionamento (ponto – Q) situar-se-á no ponto médio da curva característica de transferência, que é cerca metade de IDSS. Polarizar um JFET é determinar o seu ponto quiescente ou de operação (IDQ , VGSQ e VDSQ). A potência dissipada pelo JFET polarizado é dada por: PD = VDSQ . IDQ Atenção na hora de polarizar um JFET: A tensão VDD deve ser menor que BDVSS; A potência dissipada pelo JFET deve ser menor que PDmáx, dada pelo fabricante; A configuração Fonte (Source) comum é a mais utilizada para o JFET. Assim os tipos de polarização estarão baseados nela. Há 3 tipos de configuração da polarização DC dos JFETs: Polarização fixa; Autopolarização; Polarização por divisor de tensão. 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 49

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Polarização Fixa – Análise DC – VGS Constante + Usa duas fontes de tensão: VGG, VDD  RG é utilizado apenas para definir a impedância de entrada do circuito com sinais AC, não influenciando na polarização do JFET.  VGG polariza inversamente a junção Gate – Source (G-S), logo, não flui corrente através de RG (IG = 0). 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 50

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Polarização Fixa – Análise DC – Circuito Equivalente DC Todos os condensadores são substituídos por circuitos abertos. Como IG=0A, VRG = 0 V, ou seja, RG pode ser substituída por um curtocircuito.  VGS = - VGG  VS = 0V  VD = VDS  VG = VGS  VDS = VDD-IDRD RD=( VDD – VDSQ)/IDQ 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 51

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Polarização Fixa – Análise DC - Solução Gráfica Traçar a curva de transferência  V I D  I DSS  1  GS  VP      2 Solução  VGS = - VGG  VS = 0V  VD = VDS  VG = VGS  VDS = VDD-IDRD 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 52

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Polarização Fixa – Análise DC - Exercício Análise DC: Exercício exemplo  Determinar os seguinte valores Solução Matemática 1. VGSQ 2. IDQ  VGSQ  VGG -2V 3. VDS 4. VD  V 5. VG I DQ  I DSS  1  GS  6. VS V  P     2  IDQ    05-02-2014  Por : Luís Timóteo 53

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Polarização Fixa – Análise DC - Exercício Análise DC: Exercício exemplo  Determinar os seguinte valores 1. 2. 3. 4. 5. 6. VGG 05-02-2014 I DQ Solução Gráfica VGSQ =-VGG=-2V IDQ =5,625 mA VDS =16V-(5,6mAx2000)=4,75V VD =VDS=4,75V VG =VGS=-2V VS =0V  V  I DSS  1  GS  VP      2 Por : Luís Timóteo 54

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Polarização Fixa – Análise DC - Exercício Exemplo Determinar: V  I R  10V  0 Quando ID= 0 mA, VGS=10V GS D S VGS  10V  I D(1.5kΩ ) Quando VGS= 0V ID  10V  6,67 mA 1.5kΩ D G I DQ  6.9 mA S VGS  0  ID  6.67 mA I DQ  V  I DSS  1  GS  VP      2 VGS  0,35 V 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 55

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Polarização Fixa – Análise DC - Exercício (cont.) Exemplo Determinar: Determinação do Ponto “Q” IDQ=6,9mA VGSQ= -0,35V =7,23V =7,58V =0,35V VDS = VDD -  VSS  - I D  R S + R D  = 20 + 10 - (6.9mA)(1.8kΩ + 1.5kΩ) = 7.23V D G I DQ  6.9 mA I DQ  V  I DSS  1  GS  VP      2 VD = VDD - ID  RD  = 7.58V S VS = VD - VDS = 7.58V - 7.23V = 0.35V VGS  0,35 V 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 56

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Polarização Fixa – Análise DC Exemplo Determine os valores do circuito de polarização da Gate no ponto “Q”, sabendo que VGG= -05V, VGSoff (ou VP) = -7V, IDSS=9 mA, VDD =+5V e RD= 500. +5V 500 Uma vez que IG=0  VGSQ=VGG=-05V ID 1,12V -05V, ID(mA)  V  I DSS  1  GS  VP      10 9 2 Q 87,76mA 7 6  0,5  �  (9mA) 1  ID    7,76 mA 7   2 5 4 � VDS = VDD-ID.RD 3 2 V � DS  5  (7,76mA)(500)  1,12 V VGS(V) -8 -7 -6 -5 -4 -3 1 -2 -1 0 VGSQ= - 0,5V 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 57

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Polarização Fixa – Análise AC Substituindo pelo modelo de pequenos sinais, tem-se: Impedância de entrada (Zi): Zi = RG Impedância de saída (Zo): Vi=0  Vgs= 0V  gmxVgs = 0V(curto) Ganho de tensão (Av): Vo = - (rd // RD) xgmxVi AV  Zo = rd // RD Vo Vi Vo = - (rd // RD) xgmxVgs  Vgs = Vi V AV  o  (rd // RD )  g m Vi Obs.: o sinal negativo de Av indica que existe uma inversão de fase de 180o entre Vi e Vo. 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 58

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Autopolarização – Análise DC Utiliza apenas uma fonte de alimentação, eliminando-se VGG. Isto é feito utilizando-se uma resistência RS em série com a Fonte(S) do JFET, para gerar uma tensão inversa na junção Porta(G) – Fonte(S), através de uma realimentação negativa. Se a corrente de dreno ID aumenta, a tensão sobre RS também aumenta. Isto faz aumentar a tensão inversa Porta-Fonte (VGS), estreitando o canal, reduzindo novamente a corrente ID. 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 59

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Autopolarização – Análise DC Usando somente uma fonte de tensão VDD. Uma vez que IG ≈ 0A, VRG= IGRG VRG =0V Ponto “Q” para VGS? 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 60

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Autopolarização – Análise DC Usando somente uma fonte de tensão VDD. Existem duas formas de determinar os valores das resistências de polarização (RS e RD): pela recta de carga traçada sobre as curvas de Dreno; e pela recta de autopolarização traçada sobre a curva de transferência. É mais interessante utilizar a curva de transferência para definir a polarização, pois os manuais sempre fornecem pelo menos os parâmetros IDSS e VP que a definem. 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 61

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Autopolarização – Análise DC Determinação da Recta de Autopolarização É traçada sobre a curva de transferência. Podemos obtê-la da malha de entrada. -VGS = RS.ID – RG.IG IG é praticamente nula devido à alta impedância de entrada, tem-se: VGS=-ID x RS Um ponto da recta de autopolarização é a origem, o outro deve encontrar a curva de transferência. VGS 2 I D  I DSS (1  ) VGS (off ) Linha de Autopolarização DC Q VGSQ 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 62

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Autopolarização – Análise DC Determinação da Recta de Autopolarização O ponto quiescente pode estar localizado em qualquer posição entre Q1 e Q2.  A variação possível de IDQ na autopolarização é menor que com VGS constante e este circuito é mais estável. Da equação da reta de autopolarização, obtém-se: RS = - VGSQ / IDQ max IDSS Recta de Autopolarização Q1 Da malha de saída, obtém-se: VDD = RD.IDQ + VDSQ + RS.IDQ Q RD = (VDD- VDSQ + VGSQ) / IDQ O valor de VDSQ é fixado por RD 05-02-2014 max Por : Luís Timóteo VP IDSS min IDQ Q2 VP min 63

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Autopolarização – Análise DC Exemplo: Dada a curva de transferência do JFET BF245A (PDmáx = 300mW), determinar os valores de RS e RD do circuito de autopolarização para IDQ = 1mA e VDSQ = 15V. 1º Ponto: Q 1mA 2º Ponto: Origem  Do ponto Q da recta de autopolarização, obtém-se: VGSQ = -1V e IDQ= 1mA. Cálculo de RS e RD: RS = -VGSQ / IDQ = -(-1) / 1x10-3  RS = 1KΩ RD = (VDD – VDSQ + VGSQ) / IDQ = (25 – 15 – 1) /1x10-3 = 9KΩ Potência dissipada pelo JFET : PD = VDSQ.IDQ = 15. 1x10-3 = 15mW. 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 64

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Autopolarização – Análise DC- Sem curva de Transferência Exemplo: Para isso utilizam-se os valores mínimos de IDSS e VP, fornecidos pelos manuais. Os dois pontos (IDSS, -VP) e a origem, definem a recta de Autopolarização. Com os parâmetros (IDSSmax, -VPmax) e (IDSSmín, -VPmín), calculam-se dois valores para a resistência RS, sendo um para a parábola máxima e outro para a mínima: RSmax = -VPmax / IDSSmax RSmín = -VPmín / IDSSmín Um valor intermédio entre RSmín e RSmax garante um ponto quiescente próximo ao da parábola correspondente à dos parâmetros típicos do JFET. Para o JFET BF245A, o manual do fabricante fornece os seguintes parâmetros: Cálculo de RS:  RSmax  V  (  0,5)  VPmax  (  8)  250 Ω   1230 Ω  RSmin  Pmin  3 3 I DSSmin 2  10 I DSSmax 6,5  10 Portanto pode-se usar RS= 1K como no exemplo anterior 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 65

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Autopolarização – Análise DC- Ponto “Q” – Solução Matemática Exemplo Determinar: ID  V  I DSS 1  GS  VP      2 Como VGS   I D RS 2 ID  (  I D RS )    I DSS  1    VP   2 2 I D (1k )     6  I D (1k )   8mA 1    8mA  6  6     36I D  8mA 2 36  6kID  6kID  1MID 36 2  0.288  96I D  8kID  8kID  132I D  0.288  0 2 I D1  13.9mA VGS   I D RS  13.9mA(1k )  13.9V I D21  2.588mA VGS   I D RS  2.588mA 1k ) (  2.6V Portanto; Escolhemos I D  2.588mA e VGS  2.6V 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 66

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Autopolarização – Exercício Exemplo Determinar : Como anterior:V GSQ = - 2.6V ID=IS IDQ = 2.6mA VDS = VDD - I D  R D + R S  = 20V - 2.6mA  4.3kΩ  = 8.82V 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 67

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Autopolarização – Exercício Exemplo Determinar: Valores de RD e RS RD = VRD VDD  VDQ 20V  12V =  I DQ I DQ 2.5mA = 3.2k RS =   VGSQ  I DQ =   -1 2.5mA  0.4k I DQ  2,5 mA VGSQ  1 V 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 68

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores +VDD 9V Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Autopolarização – Exercício Exemplo – Recta de Carga (Load Line) Determine o ponto- Q para o seguinte circuito com JFET : RD 2.2K A curva característica é a seguinte. Para ID=0,  VGS=-IDRS=(0)(680)=0V Da curva,  IDSS=4mA; então ID=IDSS=4mA ID (mA) VGS=-IDRS=-(4m)(680)=-2.72V 4 IDSS RG RS 10M 680 Fazendo VGSQ= -1,5 V 2  1,5V  I D  4mA 1    2,25 mA 6V   Q ID=2.25mA VGS=-1.5V VGS (V) -6 VGS(off) 05-02-2014 2.25 O ponto Q é a Intersecção entre a curva de transferência característica e a recta de carga. -2.72 V -1.5V Por : Luís Timóteo 69

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Autopolarização – Análise AC Presente somente em DC. Em AC, RS é colocada em curto por Cs. Substituindo pelo modelo de pequenos sinais, tem-se: XC1=0 XC2=0 RS curto por CS Impedância de entrada (Zi): Zi = RG Impedância de saída (Zo): Zo = rd // RD Ganho de tensão (Av): 05-02-2014 AV  Vo  (rd // RD )  g m Vi Por : Luís Timóteo 70

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Polarização por Divisor de tensão– Análise DC  Este tipo de polarização é uma mistura dos dois processos anteriores. A tensão VGG em R2 e a tensão em RS, impõem VGS na porta do JFET, sendo que VGG deve ser menor que VRS para garantir polarização inversa entre Porta(G) e a Fonte(S).  Como a corrente iG é praticamente zero, VGG pode ser calculada por: R V VGG  2 DD Divisor de Tensão  R1  R2 A tensão VGS fica definida pela diferença entre a tensão VRS e VGG: VGG -VGS = RS.ID – VGG Determinação da Recta de Autopolarização 1º Ponto: para ID = 0  VGS = VGG 2º Ponto: para VGS = 0  ID = VGG / RS 05-02-2014 Por : Luís Timóteo -VGS VRS 71

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Polarização por Divisor de tensão– Análise DC Determinação da Recta de Autopolarização   I  I  VGS  D DSS    VGS ( off )  2 VGG = (VDD. R2)/(R1+R2) VS = IDx RS VGG VGS = VG– VS VGS  0V , I D  VG / RS VGS  VG  I D RS VGG 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 72

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Polarização por Divisor de tensão– Análise DC Determinação da Recta de Autopolarização  Verifica-se que a recta é deslocada de zero para VGG na abscissa (eixo horizontal), diminuindo sua inclinação.  Em relação aos processos de polarização anteriores, este processo tem uma variação ainda menor de IDQ. Malha de entrada: RS = (VGG – VGSQ) / IDQ Malha de Saída: RD = VDD – VDSQ – RS IDQ VGG VDS -VGS IDQ VRS 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 73

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Polarização por Divisor de tensão– Análise DC VG - VGS - VRS = 0 VGS = VG VGS = VG - VRS VGS = VG - I D R S ID  VG RS I D =0mA VGS =0V ID I G0A Ponto"Q" VG VGS IS VGS  0V , I D  VG / RS VGS  VG  I D RS VG VRS 05-02-2014 I D  0 mA, VGS  VG Por : Luís Timóteo 74

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Polarização por Divisor de tensão– Efeitos de RS no ponto “Q” VGS  VG  I D RS Ponto"Q" RS 2 Ponto"Q" RS 1  RS 2 05-02-2014 Por : Luís Timóteo Aumento de RS RS 1 75

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Polarização por Divisor de tensão – Exercício Exemplo Determinar: VG = = R2 VDD R1 + R 2  270kΩ 16V  2.1MΩ + 0.27MΩ 2 VGS = VG - I D R S = 1.82V - I D 1.5kΩ  VDD = 1.82V Quando ID = 0mA, VGS = +1,82V Quando VGS = 0V, ID = +1,82V/1.5K= =1,21mA 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 76

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Polarização por Divisor de tensão – Cálculo do ponto “Q” VGS = 1.82V - ID 1.5kΩ IDQ=2.4mA VGSQ=-1.8V VDS = VDD + VSS - I D  RS  R D  = VDS + VS = 8.82V + 2.6V = 11.42V 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 77

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Polarização por Divisor de tensão – Exercício Exemplo: Determinar os valores de R1, R2, RS e RD do circuito de autopolarização do JFET BF245A (PDmax = 300mW), para o ponto quiescente: IDQ = 1mA, VGSQ = -1V e VDSQ = 15V. Como VGG deve ser menor que VGSQ, será utilizado: VGG = 0,5V. Para encontrar R1 e R2 devemos arbitrar um deles, neste caso R2 = 10KΩ. VGG R2 10  103  VDD  0,5   25  R1  2(R2 VDD )  R2 R1  R2 R1  (10  103 ) 25V 1mA R1=2(10x103x25)-10x103 R1=490K 15V RS.IDQ – VGG + VGS = 0(VGG-VGS)/IDQ RS=(0,5+1)/0,001 RS=1,5K -1V RD.IDQ + VDSQ + RS.IDQ – VDD =0 RD=[(VDD-VDSQ)/IDQ]-RS RD=[(25-15)/0,001]-1500 RD=8,5K 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 78

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Polarização por Divisor de tensão – Exercício Exemplo – Recta de Carga (Load Line) Determine o ponto- Q para o seguinte circuito com JFET : A curva característica é a seguinte. Para ID=0, VGS  R2   2.2  VDD    VG    8  4V R R   4.4  2   1 Para VGS=0, I D  R1 RD 2.2M 680 R2 RS 2.2M 3.3K VG  VGS VG 4    1.2mA RS RS 3.3K _I ID=1.92mA VGS=-1.8V VP=-3V +VDD 8V DSS=12mA Q O ponto Q é a Intersecção entre a curva de transferência característica e a recta de carga. ID=1,2mA -3V -2V -1V 0V +1V +2V +3V 4V 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 79

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Polarização por Divisor de tensão – Análise AC Substituindo pelo modelo de pequenos sinais, tem-se: Impedância de entrada (Zi): Zi = R1//R2 Impedância de saída (Zo): Zo = rd // RD Ganho de tensão (Av):  Vgs = Vi Vo = - (gmxVgsx(rd // RD) AV  05-02-2014 Vo   g  (rd // RD ) m Vi Para rd > 10.RD, tem-se: Por : Luís Timóteo AV  Vo   g  ( RD ) m Vi 80

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Polarização – Circuito Seguidor de Fonte, ou Dreno Comum O sinal de saída é tirado do terminal de fonte. Substituindo pelo seu equivalente, tem-se: S A fonte de corrente foi invertida, mas Vgs ainda é definida entre os terminais de Porta(G) e Fonte(S). Impedância de entrada (Zi): Zi = RG Impedância de saída (Zo): Z O  05-02-2014 VO IO Por : Luís Timóteo 81

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Polarização – Circuito Seguidor de Fonte, ou Dreno Comum V Impedância de saída (Zo): Z O  O IO Para o cálculo de Zo, considerar Vi = 0V. Pelas leis de Kirchhoff, tem-se:  IO+gmxVgs=Ird+IRS  IO+gmxVgs=VO/rd+VO/RS 1 1   I O  VO     g m  Vgs rd RS   1 1   I O  VO     g m  (VO ) rd RS   1  1 g   I O  VO   m  rd RS  Vgs =-VO  ZO  05-02-2014 VO  IO VO 1 1  1 1  1 1 VO   g  m  rd RS g m rd RS  Por : Luís Timóteo ZO  rd // RS // 1 / g m 82

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n : - Polarização – Circuito Seguidor de Fonte, ou Dreno Comum S Ganho de Tensão Av:  Vi=Vgs+VO  Vgs=Vi -VO  V =gmxVgsx(rd//R ) O S  V =gm(Vi – V )(rd//R ) O O S  V =gmxVi (rd//R )-gmxV (rd//R ) O S O S  V [1+gm(rd//R ) O S  V =gmxVi(rd//R ) O S g m (rd // RS ) VO  Av   Vi 1  g (rd // RS ) m Obs.: Como Av é positivo, não há inversão de fase, mas o ganho é menor que 1. 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 83

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n JFET - Parâmetros : Transcondutância Análise:  Transcondutância: É a taxa de variação da corrente de dreno em relação a tensão aplicada na porta/fonte(VGS ). Em outras palavras, transcondutância mede uma variação da corrente de dreno em função de uma tensão aplicada na porta/fonte. Matematicamente temos: I D gm  | VGS Vgs  g m - Transcondutância  I D - Corrente de Dreno  VGS - Tensão Porta/Fonte  Unidade: Se compararmos a relação de transcondutância com Lei de Ohm, visualizamos que a transcondutância é o inverso da relação universal R=V/I , já que ela se apresenta como gm=I/V, então neste caso a unidade oficial de transcondutância é o Siemens. Porém, antigamente e por muito tempo utilizou-se a “Mho”, que vem a ser o “Ohm” escrito ao contrário. E até hoje é encontrada a unidade “ Mho” nos datasheets. 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 84

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n JFET - Parâmetros : Transcondutância Análise: Transcondutância é uma característica importante no estudo de um dispositivo de três parâmetros. Considerando o JFET como uma resistência controlada por tensão, e por tanto a corrente de dreno é uma função da tensão da porta/fonte. Sendo que a transcondutância é a razão da corrente de dreno, como uma mudança na tensão, a uma tensão dreno-fonte constante.  A Curva  A curva de transcondutância de qualquer JFET irá apresentar-se com o mesmo formato, como mostra a figura a seguir. Isto acontece porque a física de funcionamento de qualquer JFET é igual. Apenas o tamanho das regiões dopadas, o nível de dopagem etc, é que mudam entre os JFET’s. Deste modo a curva da transcondutância vem a ser o gráfico da ID seguinte equação: IDss Onde: I DSS = Corrente de dreno máxima . VGS (off) = Tensão de corte porta/fonte. I D  I DSS(1  05-02-2014 VGS VGS ( off ) )2 VGS(off) Por : Luís Timóteo 0 VGS 85

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n JFET - Parâmetros : Transcondutância Análise: Exemplo: Encontrar a corrente de dreno máxima (IDSS ) e a tensão de corte portafonte(VGS(off)) para o JFET com a seguinte curva de transcondutância. Do gráfico temos: O fator K: ID 10 9 8 7 I DSS = 6,5 mA. VGS (off) = -8V. 6 5 4 O gráfico apresenta-se como uma boa ferramenta, 3 onde você pode obter respostas rápidas e 2 aproximadas. 1 Porem entre os pontos extremos, o gráfico VGS(V) tende a ser não-linear, que analisado mais -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 em pormenor, nos mostra ser parte de uma parábola. Uma parábola é uma curva onde suas grandezas são elevas ao quadrado. Deste modo, voltando à equação da curva temos: VGS I D  I DSS(1  )2 VGS ( off ) 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 86

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n JFET : - Parâmetros O fator K: Tomando (1  VGS VGS ( off ) )2 como sendo um factor K; temos então: K  (1  VGS VGS ( off ) )2 Podemos reescrever a equação da curva como: ID = IDSS .K Então se possuirmos o valor K de qualquer circuito, podemos calcular o valor da corrente de dreno, dada a corrente de dreno máxima. Suponha que um JFET tem a IDSS= 7 mA e VGS(off)= -3V. calcule a corrente de dreno para uma tensão porta-fonte de -1V. Com a equação da curva, podemos calcular o fator K: K = (1 – 1/3)2 => K = (0,667)2 => K = 0,445 ID= 7 mA x 0,445= 3,115 mA 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 87

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n JFET : - Parâmetros  Transcondutância de Transfe rência : g fs  ΔI D (VDS constante) ΔVGS  gfs – Transcondutância de Transferência para: IDQ  IDSS e VGSQ  VP 2  VGS   Corrente de Dreno : I D  I DSS 1   VGS ( off )     V  V  GS ( off ) P  Factor de (A)mplificação ou (  )  rd  g fs  Transcondutância : g m    V ΔI D  g mo  1  GS   V  ΔVGS GS ( off )    gm – Transcondutância em qualquer ponto da curva característica  gmo – Transcondutância máxima com VGS=0.  Transcondutância máxima : g mo  05-02-2014 2 I DSS ΔVDS Resistência AC do Dr eno : rd  ΔI (VGS constante) VGS ( off ) D Por : Luís Timóteo 88

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n JFET : - Parâmetros Como os tubos de vácuo, ou válvulas electrónicas, os JFETs têm certos parâmetros que determinam o seu desempenho num circuito. Os principais parâmetros de um JFET são: Resistência de Dreno AC – (rd).  Transcondutância – (gm) Factor amplificação – () Resistência AC do Dreno ou resistência dinâmica(rd): É a razão de variação da tensão de Dreno/Fonte (VDS), para a variação da corrente de Dreno (ID), com a tensão Porta/Fonte (VGS)constante. I.e: ΔV Por exemplo, se uma variação na tensão de dreno de 2 V produz uma mudança na corrente ID de 0,02 mA. Então: rd  DS ΔI D (VGS constante ) Em referência ás características de um JFET, é claro que, acima da 2V rd   100KΩ tensão de estrangulamento (Pinch-off ) VP, a variação de ID é 0,02mA pequena para uma grande variação de VDS porque a curva é quase plana. No entanto a resistência de um JFET tem um valor elevado, variando de 10K a 1 M . 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 89

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET (canal N) JFET: - Como Amplificador A disposição do circuito e análise de um amplificador JFET, é muito semelhante a um amplificador de BJTs. A estrutura do modelo AC também é muito semelhante. O circuito do amplificador de Fonte Comum (CS), produz um sinal amplificado invertido, tal como no amplificador de Emissor Comum (CE). O circuito do amplificador seguidor de Fonte (SF) apresenta uma impedância de entrada muito alta e um ganho de menos do que um, assim como no amplificador seguidor de emissor (EF) com BJTs. Io gm  Vin 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 90

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n JFET : - Como Amplificador - Fonte comum (CS)– Divisor de tensão) JFET – Circuitos equivalentes DC e AC Como num amplificador de transistor BJTs, tanto as condições DC como as AC, têm que ser consideradas num amplificador com JFET. As fontes e polarizações DC configuram as correntes e tensões de funcionamento, enquanto que a corrente e tensão alternada (isto é, do sinal) produz oscilações nas correntes e tensões da polarização do JFET. Uma maneira simples para analisar a acção de um amplificador JFET é dividir o circuito em duas partes: Circuito equivalente DC. Circuito equivalente AC. O circuito equivalente DC irá determinar o ponto “Q” de funcionamento (níveis de polarização DC do circuito) que já vimos anteriormente, enquanto que o circuito equivalente AC determina a tensão de saída e, portanto, o ganho de tensão do circuito. 05-02-2014 Por : Luís Timóteo 91

Semicondutores: Transistores JFETs Transistores Funcionamento dos transistores JFET Canal-n JFET : - Como Amplificador - Fonte comum (CS)– Divisor de tensão) JFET – Circuitos equivalente DC No circuito equivalente DC de um amplificador com JFET, só as condições DC são consideradas, presumindo que nenhum outro sinal está aplicado. Como a corrente DC não passa através dos condensadores, estes são considerados circuitos abertos, no circuito equivalente DC, assim como reduzir todas as fontes de sinal AC a zero. Deste modo, o circuito amplificador anterior é: 05-02-2014 equivalente DC do Por : Luís Timóteo 92

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