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Universidade Paulista – UNIP

Curso de Engenharia

Disciplina de Eletrônica Industrial Prof. João Flório

FET (Field Effect Transistor - Transistor de Efeito de Campo)

Camila Alves Ferreira – 876669-0 Luis Rogério Barbosa – 877234-7

Ronaldo Martins Waldemarin – 875679-1

Thiago Augusto Cardoso – 875136-6

Sorocaba 2010

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1. HISTÓRIA2
2. INTRODUÇÃO TEÓRICA4
3. JFET4
3.1. POLARIZAÇÃO DE UM JFET5
3.2. CURVA CARACTERÍSTICA DE DRENO5
3.3. CURVA DE TRANSCONDUTÂNCIA6
3.4. AUTOPOLARIZAÇÃO7
3.5. POLARIZAÇÃO NA REGIÃO ÔHMICA8
3.6. PRINCIPAIS APLICAÇÕES8
4. MOSFET8
4.1. MOSFET DE MODO DEPLEÇÃO9
4.2. MOSFET DE MODO CRESCIMENTO OU INTENSIFICAÇÃO10
4.3. TENSÃO PORTA-FONTE MÁXIMA12
5. Aplicação com MOS-FET13

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1. HISTÓRIA

Primeira referência: patente feita em 1930, por Julius Edgar Lilienfeld, um pesquisador ucraniano nascido em 1882 e que imigrou para os EUA n a década de 20 do século passado. Sua idéia era controlar a condutividade de um material, por um campo elétrico transversal; mas o sistema proposto por Lilenfeld não funcionaria na prática.

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O domínio de semicondutores e da física necessária para a construção dos FETs só aparece no início dos anos cinqüenta do século passado. O FET é um desenvolvimento tecnológico posterior ao transistor de junção; mas é o elemento dominante, por suas características, em sistemas lógicos modernos.

Imagem de microscópio eletrônico de um FET vertical, desenvolvido pela Bell Labs em 1999, com 50 nm de gate

Esquema de um FET com nanotubo de carbono (diâmetro cerca de 1,5 nm)

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2. INTRODUÇÃO TEÓRICA

O FET (Field Effect Transistor) que traduzindo para o português significa Transistor de Efeito de Campo (TEC) é um transistor unipolar. Nos transistores bipolares, para que haja controle de corrente, torna-se necessário envolver correntes de elétrons e lacunas. Nos transistores unipolares para que haja controle de corrente estão envolvidas correntes de elétrons quando o mesmo é do tipo canal n ou estão envolvidas correntes de lacunas quando o mesmo é do tipo canal p. Os FETs possuem algumas vantagens com relação aos transistores bipolares como: impedância de entrada elevadíssima; relativamente imune à radiação; produz menos ruído e possui melhor estabilidade térmica. No entanto, apresentam algumas desvantagens como: banda de ganho relativamente pequena e maior risco de dano quando manuseado. A exemplo do transistor bipolar, o FET é um dispositivo de três terminais, contendo uma junção p-n básica, podendo ser do tipo de junção (JFET) ou do tipo metal-óxido-semicondutor (MOSFET).

3. JFET

A condução se dá pela passagem de portadores de carga da fonte (S - Source) para o dreno (D), através do canal entre os elementos da porta (G - Gate). O transistor pode ser um dispositivo com canal n (condução por elétrons) ou com canal p (condução por lacunas). Tudo que for dito sobre o dispositivo com canal n se aplica ao com canal p com sinais opostos de tensão e corrente.

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3.1. POLARIZAÇÃO DE UM JFET

Uma alimentação positiva VDD é ligada entre o dreno e a fonte, estabelecendo um fluxo de corrente através do canal. Esta corrente também depende da largura do canal. Uma ligação negativa VGG é ligada entre a porta e a fonte. Com isto a porta fica com uma polarização reversa, circulando apenas uma corrente de fuga e, portanto, uma alta impedância entre a porta e a fonte. A polarização reversa cria camadas de depleção em volta da região p e isto estreita o canal condutor (D-S). Quanto mais negativa a tensão VGG, mais estreito torna-se o canal. Para um dado VGG, as camadas de depleção tocam-se e o canal condutor (D-S) desaparece. Neste caso, a corrente de dreno está cortada. A tensão VGG que produz o corte é simbolizada por VGS(Off) .

polarização convencional de um JFET com canal n

3.2. CURVA CARACTERÍSTICA DE DRENO

Para um valor constante de VGS, o JFET age como um dispositivo resistivo linear (na região ôhmica) até atingir a condição de pinçamento ou estrangulamento. Acima da condição de estrangulamento e antes da

UNIP - Unidade Universitária de Sorocaba 6 ruptura por avalanche, a corrente de dreno permanece aproximadamente constante. Os índices IDSS referem-se a corrente do dreno para a fonte com a porta em curto (VGS=0V). IDSS é a corrente de dreno máxima que um JFET pode produzir. Para polarizar um transistor JFET é necessário saber a função do estágio, isto é, se o mesmo irá trabalhar como amplificador ou como resistor controlado por tensão. Como amplificador, a região de trabalho é o trecho da curva, na Figura 7-3, após a condição de pinçamento e à esquerda da região de tensão VDS de ruptura. Se for como resistor controlado por tensão a região de trabalho é entre VDS igual a zero e antes de atingir a condição de pinçamento.

3.3. CURVA DE TRANSCONDUTÂNCIA

A curva de transcondutância de um JFET é dada através de um gráfico de forma corrente de dreno ( ) versus a tensão porta-fonte ( ). Lendo os valores de e de obtidos na curva de dreno, podemos traçar a curva de transcondutância. A

UNIP - Unidade Universitária de Sorocaba 7 curva de transcondutância de qualquer JFET seguirá a se apresentar da seguinte forma:

3.4. AUTOPOLARIZAÇÃO

A polarização de um transistor JFET se faz de maneira semelhante à polarização de transistor bipolar comum. Em outras palavras, usa-se o transistor JFET como se fosse um transistor bipolar. Para um JFET funcionar corretamente devemos lembrar que, primeiramente, o mesmo deve estar reversamente polarizado entre porta e fonte.

Esse é o tipo de polarização mais comum e se chama autopolarização por derivação de corrente, pois o VGS aparece devido à corrente de dreno sobre RS, o que resulta em VRS.

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3.5. POLARIZAÇÃO NA REGIÃO ÔHMICA

A região ôhmica de um JFET é a região na qual ele funciona como se pequeno resistor. Tem-se que numa análise gráfica do JFET, a região ôhmica é aquela na qual a curva de dreno é praticamente vertical, sendo ela equivalente à região de saturação de transistor bipolar.

3.6. PRINCIPAIS APLICAÇÕES

• Chave analógica • Multiplexador analógico

• Limitador de corrente

4. MOSFET

O FET de óxido de semicondutor e metal, MOSFET, tem uma fonte, uma porta e um dreno. A diferença básica para o JFET é porta isolada eletricamente do canal. Por isso, a corrente de porta é extremamente pequena, para qualquer tensão positiva ou negativa. As duas regiões "P", chamadas fonte (supridouro) e dreno, executam as mesmas funções que o emissor e o coletor no transistor PNP, enquanto o gate realiza a mesma função que a base. É importante notar que a diferença básica entre FETs e transistores bipolares é que, os FETs controlam uma corrente de operação a partir de uma tensão e os transistores bipolares controlam a partir de outra corrente, aplicadas aos respectivos terminais de controle. Exemplo: uma tensão aplicada ao gate de um FET controla a corrente drenosupridouro. Uma corrente aplicada à base de um transistor bipolar controla a

UNIP - Unidade Universitária de Sorocaba 9 corrente coletor-emissor. Conclui-se que, o FET é um dispositivo controlado por tensão e o transistor bipolar é um dispositivo controlado por corrente. O MOS-FET é também chamado de IG-FET (Isolated Gate) porta isolada, porque apresenta a porta internamente isolada por uma camada de silício SiO2, O que faz apresentar uma resistência de entrada bem mais elevada que o FET de junção ou J-FET. O MOS-FET quanto ao modo de funcionamento ainda se pide em "modo depleção" e "modo intensificação" ou enriquecimento.

4.1. MOSFET DE MODO DEPLEÇÃO

MOSFET de modo depleção canal n e o seu símbolo.

O substrato em geral é conectado a fonte (pelo fabricante), Em algumas aplicações usa-se o substrato para controlar também a corrente de dreno. Neste caso o encapsulamento tem quatro terminais. Os elétrons livres podem fluir da fonte para o dreno através do material n. A região p é chamada de substrato, e ela cria um estreitamento para a passagem dos elétrons livres da fonte ao dreno.

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A fina camada de dióxido de silício (SiO2), que é um isolante, impede a passagem de corrente da porta para o material n.

A tensão VDD força os elétrons livres a fluir através do material n. Como no JFET a tensão de porta controla a largura do canal. Quanto mais negativa a tensão, menor a corrente de dreno. Até um momento que a camada de depleção fecha o canal e impede fluxo dos elétrons livres. Com VGS negativo o funcionamento é similar ao JFET. Como a porta está isolada eletricamente do canal, pode-se aplicar uma tensão positiva na porta (inversão de polaridade bateria VGG do circuito da Figura 7-12). A tensão positiva na porta aumenta o número de elétrons livres que fluem através do canal. Quanto maior a tensão, maior a corrente de dreno. Isto é que a diferencia de um JFET.

4.2. MOSFET DE MODO CRESCIMENTO OU INTENSIFICAÇÃO

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