Transistor de efeito de campo de junção

O transistor de efeito de campo de junção, ou JFET, é um dispositivo semicondutor unipolar de três terminais, controlado por tensão, disponível nas configurações de canal N e canal P.

No tutorial dos transistores de junção bipolar , vimos que a corrente do coletor de saída do transistor é proporcional à corrente de entrada que flui para o terminal base do dispositivo, tornando o transistor bipolar um dispositivo operado "CORRENTE" (modelo Beta) como uma corrente menor pode ser usado para alternar uma corrente de carga maior.

O transistor de efeito de campo , ou simplesmente o FET , no entanto, usa a tensão aplicada ao seu terminal de entrada, chamado Gate, para controlar a corrente que flui através deles, resultando na corrente de saída proporcional à tensão de entrada. Como a operação deles depende de um campo elétrico (daí o nome efeito de campo) gerado pela tensão de entrada do portão , isso torna o transistor de efeito de campo um dispositivo operado por “VOLTAGEM”.

Transistor de efeito de campo típico

O transistor de efeito de campo é um dispositivo semicondutor unipolar de três terminais que possui características muito semelhantes às de seus equivalentes de transistor bipolar . Por exemplo, alta eficiência, operação instantânea, robusta e barata e pode ser usada na maioria das aplicações de circuitos eletrônicos para substituir seus primos equivalentes de transistores de junção bipolar (BJT).

Os transistores de efeito de campo podem ser muito menores que um transistor BJT equivalente e, junto com seu baixo consumo de energia e dissipação de energia, os tornam ideais para uso em circuitos integrados, como a linha CMOS de chips lógicos digitais.

Lembramos dos tutoriais anteriores que existem dois tipos básicos de construção de transistores bipolares, NPN e PNP , que basicamente descrevem o arranjo físico dos materiais semicondutores do tipo P e do tipo N a partir dos quais são feitos. Isto também é verdade para FET de como há também duas classificações básicas do efeito de campo do transistor, o chamado N-FET de canal e o FET P-canal .

O transistor de efeito de campo é um dispositivo de três terminais que é construído sem junções PN dentro do caminho principal de transporte de corrente entre os terminais Drain e Source . Esses terminais correspondem em função ao coletor e ao emissor, respectivamente, do transistor bipolar. O caminho atual entre esses dois terminais é chamado de "canal", que pode ser feito de um material semicondutor do tipo P ou do tipo N.

O controle da corrente que flui neste canal é alcançado variando a tensão aplicada ao Gate . Como o próprio nome indica, os transistores bipolares são dispositivos "bipolares" porque operam com os dois tipos de portadores de carga, orifícios e elétrons. O transistor de efeito de campo, por outro lado, é um dispositivo "unipolar" que depende apenas da condução de elétrons (canal N) ou orifícios (canal P).

O transistor de efeito de campo tem uma grande vantagem sobre seus primos de transistor bipolar padrão, pois sua impedância de entrada ( Rin ) é muito alta (milhares de Ohms), enquanto o BJT é comparativamente baixo. Essa impedância de entrada muito alta os torna muito sensíveis aos sinais de tensão de entrada, mas o preço dessa alta sensibilidade também significa que eles podem ser facilmente danificados pela eletricidade estática.

Existem dois tipos principais de transistor de efeito de campo, o transistor de efeito de campo de junção ou JFET e o transistor de efeito de campo de porta isolada ou IGFET) , que é mais comumente conhecido como transistor de efeito de campo padrão de semicondutor de óxido metálico ou MOSFET .

Transistor de efeito de campo de junção

Vimos anteriormente que um transistor de junção bipolar é construído usando duas junções PN no caminho principal de transporte de corrente entre os terminais emissor e coletor. O transistor de efeito de campo de junção (JUGFET ou JFET) não possui junções PN, mas possui uma peça estreita de material semicondutor de alta resistividade, formando um “canal” de silício tipo N ou tipo P para que a maioria das transportadoras flua com dois conexões elétricas ôhmicas em cada extremidade comumente chamadas de Dreno e Fonte, respectivamente.

Existem duas configurações básicas do transistor de efeito de campo de junção, o JFET de canal N e o JFET de canal P. O canal JFET do canal N é dopado com impurezas doadoras, o que significa que o fluxo de corrente através do canal é negativo (daí o termo canal N) na forma de elétrons.

Da mesma forma, o canal JFET do canal P é dopado com impurezas aceitadoras, o que significa que o fluxo de corrente através do canal é positivo (daí o termo canal P) na forma de orifícios. Os JFETs de canal N têm uma condutividade de canal maior (menor resistência) do que seus tipos equivalentes de canal P, uma vez que os elétrons têm maior mobilidade através de um condutor em comparação com os orifícios. Isso faz do JFET do canal N um condutor mais eficiente em comparação com os do canal P.

Dissemos anteriormente que existem duas conexões elétricas ôhmicas em cada extremidade do canal, chamadas de Dreno e Fonte . Porém, dentro deste canal, existe uma terceira conexão elétrica chamada terminal Gate e também pode ser um material do tipo P ou N, formando uma junção PN com o canal principal.

A relação entre as conexões de um transistor de efeito de campo de junção e um transistor de junção bipolar é comparada abaixo.

Comparação de conexões entre um JFET e um BJT

Transistor bipolar (BJT)	Transistor de efeito de campo (FET)
Emissor - (E) >> Fonte - (S)
Base - (B) >> Portão - (G)
Colecionador - (C) >> Escorra - (D)

Os símbolos e a construção básica para ambas as configurações de JFETs são mostrados abaixo.

O "canal" de semicondutor do transistor de efeito de campo de junção é um caminho resistivo através do qual uma tensão V DS faz com que uma corrente I D flua e, como tal, o transistor de efeito de campo de junção pode conduzir a corrente igualmente bem em qualquer direção. Como o canal é de natureza resistiva, um gradiente de tensão é formado ao longo do comprimento do canal, com essa tensão se tornando menos positiva à medida que avançamos do terminal Drain para o terminal Source.

O resultado é que a junção PN tem, portanto, um viés reverso alto no terminal Drain e um viés reverso inferior no terminal Source. Esse viés faz com que uma "camada de depleção" seja formada dentro do canal e cuja largura aumenta com o viés.

A magnitude da corrente que flui através do canal entre os terminais Drain e Source é controlada por uma tensão aplicada ao terminal Gate, que é polarizado inversamente. Em um JFET de canal N, a tensão do Gate é negativa, enquanto no JFET de canal P a tensão do Gate é positiva.

A principal diferença entre o JFET e um dispositivo BJT é que, quando a junção JFET é polarizada inversamente, a corrente do Gate é praticamente zero, enquanto a corrente Base do BJT é sempre algum valor maior que zero.

Polarização de um JFET de canal N

O diagrama de seção transversal acima mostra um canal semicondutor do tipo N com uma região do tipo P chamada Gate difundida no canal do tipo N formando uma junção PN com polarização reversa e é essa junção que forma a região de depleção ao redor da área do Gate quando nenhuma tensão externa é aplicada. Os JFETs são, portanto, conhecidos como dispositivos no modo de depleção.

Essa região de depleção produz um gradiente de potencial com espessura variável em torno da junção PN e restringe o fluxo de corrente através do canal, reduzindo sua largura efetiva e, assim, aumentando a resistência geral do próprio canal.

Então podemos ver que a porção mais esgotada da região de esgotamento está entre o Portão e o Dreno, enquanto a área menos esgotada fica entre o Portão e a Fonte. Em seguida, o canal do JFET é conduzido com tensão de polarização zero aplicada (ou seja, a região de depleção tem largura próxima de zero).

Sem tensão externa da porta ( V G  = 0 ) e uma pequena tensão ( V DS ) aplicada entre o dreno e a fonte, a corrente máxima de saturação ( I DSS ) fluirá através do canal do dreno para a fonte restrita apenas pelo pequena região de depleção ao redor dos cruzamentos.

Se uma pequena tensão negativa ( -V GS ) for aplicada ao Gate, o tamanho da região de depleção começará a aumentar, reduzindo a área efetiva geral do canal e, assim, reduzindo a corrente que flui através dele, uma espécie de efeito de "compressão" ocorre. Lugar, colocar. Assim, aplicando uma tensão de polarização reversa, aumenta a largura da região de depleção, o que, por sua vez, reduz a condução do canal.

Como a junção PN é polarizada reversa, pouca corrente fluirá para a conexão do portão. À medida que a tensão do portão ( -V GS ) é tornada mais negativa, a largura do canal diminui até que não haja mais corrente entre o dreno e a fonte e o FET como "comprimido" (semelhante ao ponto de corte). região para um BJT). A tensão na qual o canal fecha é chamada de “tensão de pinch-off” ( V P ).

Canal JFET comprimido

Nesta região de pinch off, a tensão do portão, V GS, controla a corrente do canal e o V DS tem pouco ou nenhum efeito.

Modelo JFET

O resultado é que o FET age mais como um resistor controlado por tensão que possui resistência zero quando V GS  = 0 e resistência máxima "ON" ( R DS ) quando a tensão do portão é muito negativa. Sob condições operacionais normais, a porta JFET sempre é polarizada negativamente em relação à fonte.

É essencial que a tensão do Gate nunca seja positiva, pois se toda a corrente do canal fluir para o Gate e não para a Fonte, o resultado será um dano ao JFET. Depois, feche o canal:

• Nenhuma tensão de porta ( V GS ) e V DS é aumentada de zero.
• Nenhum controle do V DS e Gate diminui negativamente de zero.
• V DS e V GS variando.

O transistor de efeito de campo de junção do canal P opera exatamente o mesmo que o canal N acima, com as seguintes exceções: 1). A corrente do canal é positiva devido aos orifícios, 2). A polaridade da tensão de polarização precisa ser revertida.

As características de saída de um JFET de canal N com o portão em curto-circuito na fonte são dadas como:

Curvas VI da característica de saída de um FET de junção típica

A tensão V GS aplicada ao Gate controla a corrente que flui entre os terminais Drain e Source. V GS refere-se à tensão aplicada entre o Gate e a Fonte, enquanto V DS refere-se à tensão aplicada entre o Dreno e a Fonte.

Como um transistor de efeito de campo de junção é um dispositivo controlado por tensão, “Nenhuma corrente flui para o portão!” então a corrente da fonte ( I S ) que flui para fora do dispositivo é igual à corrente de drenagem que flui para ele e, portanto, ( I D  = I S ).

O exemplo de curvas de características mostrado acima mostra as quatro regiões diferentes de operação para um JFET e são fornecidas como:

• Região Óhmica  - Quando V GS = 0, a camada de depleção do canal é muito pequena e o JFET age como um resistor controlado por tensão.
• Região de corte  - Também conhecida como região de pinça, onde a tensão do portão, V GS é suficiente para fazer com que o JFET atue como um circuito aberto, pois a resistência do canal é máxima.
• Saturação ou região ativa  - O JFET se torna um bom condutor e é controlado pela tensão da fonte de porta (V GS ) enquanto a tensão da fonte de drenagem (V DS ) tem pouco ou nenhum efeito.
• Região de interrupção  - A tensão entre o dreno e a fonte (V DS ) é alta o suficiente para fazer com que o canal resistivo do JFET se quebre e passe corrente máxima descontrolada.

As curvas de características para um transistor de efeito de campo de junção do canal P são as mesmas que as acima, exceto que a corrente de drenagem I D diminui com um aumento da tensão positiva da porta-fonte, V GS .

A corrente de dreno é zero quando V GS = V P . Para operação normal, V GS é polarizado para estar algures entre V P e 0. Em seguida, pode-se calcular a corrente de dreno, I D em qualquer dado ponto de polarização na saturação ou região activo como se segue:

Drene a corrente na região ativa.

Observe que o valor da corrente de drenagem estará entre zero (pinch-off) e I DSS (corrente máxima). Ao conhecer a corrente de drenagem I D e a tensão da fonte de drenagem V DS, a resistência do canal ( R DS ) é dada como:

Resistência do canal da fonte de drenagem.

Onde: g m é o "ganho de transcondutância", uma vez que o JFET é um dispositivo controlado por tensão e que representa a taxa de variação da corrente de drenagem em relação à variação na tensão da fonte de porta.

Modos de FET's

Como o transistor de junção bipolar, o transistor de efeito de campo sendo um dispositivo de três terminais é capaz de três modos distintos de operação e, portanto, pode ser conectado dentro de um circuito em uma das seguintes configurações.

Configuração de fonte comum (CS)

Na configuração Common Source (semelhante ao emissor comum), a entrada é aplicada ao Gate e sua saída é retirada do Drain, como mostrado. Este é o modo mais comum de operação do FET devido à sua alta impedância de entrada e boa amplificação de tensão e, como tal, os amplificadores de fonte comum são amplamente utilizados.

O modo de fonte comum da conexão FET é geralmente usado em amplificadores de frequência de áudio e em pré-amplificadores e estágios de alta impedância de entrada. Sendo um circuito amplificador, o sinal de saída é 180 o "fora de fase" com a entrada.

Configuração do Common Gate (CG)

Na configuração do Common Gate (semelhante à base comum), a entrada é aplicada à Fonte e sua saída é retirada do Dreno com o Gate conectado diretamente ao terra (0v), como mostrado. O recurso de alta impedância de entrada da conexão anterior é perdido nesta configuração, pois o gate comum tem uma baixa impedância de entrada, mas uma alta impedância de saída.

Este tipo de configuração FET pode ser usado em circuitos de alta frequência ou em circuitos de correspondência de impedâncias, quando uma baixa impedância de entrada precisa corresponder a uma alta impedância de saída. A saída está "em fase" com a entrada.

Configuração de dreno comum (CD)

Na configuração Common Drain (semelhante ao coletor comum), a entrada é aplicada ao Gate e sua saída é retirada da fonte. A configuração de dreno comum ou “seguidor de fonte” possui uma alta impedância de entrada e uma baixa impedância de saída e ganho de tensão próximo à unidade; portanto, é usada em amplificadores de buffer. O ganho de tensão da configuração do seguidor da fonte é menor que a unidade e o sinal de saída é "em fase", 0 o com o sinal de entrada.

Esse tipo de configuração é chamado de "Dreno comum" porque não há sinal disponível na conexão de dreno, a tensão presente, + V DD apenas fornece um viés. A saída está em fase com a entrada.

O amplificador JFET

Assim como o transistor de junção bipolar, os JFET podem ser usados ​​para fazer circuitos de amplificador classe A de estágio único com o amplificador de fonte comum JFET e as características muito semelhantes ao circuito emissor comum de BJT. A principal vantagem dos amplificadores JFET sobre os amplificadores BJT é sua alta impedância de entrada, que é controlada pela rede resistiva de polarização de gate formada por R1 e R2, como mostrado.

Polarização do amplificador JFET

Esse circuito amplificador de fonte comum (CS) é polarizado no modo classe “A” pela rede divisora ​​de tensão formada pelos resistores R1 e R2 . A voltagem através da resistência de Fonte R S é geralmente ajustado para ser cerca de um quarto de V DD , ( V DD / 4 ) mas pode ser qualquer valor razoável.

A tensão da porta necessária pode então ser calculada a partir desta R S valor. Como a corrente da porta é zero, ( I G  = 0 ), podemos definir a tensão quieta CC necessária pela seleção adequada dos resistores R1 e R2 .

O controle da corrente de drenagem por um potencial negativo do gate torna o transistor de efeito de campo de junção útil como um comutador e é essencial que a tensão do gate nunca seja positiva para um JFET de canal N, pois a corrente do canal fluirá para o gate e não o Drene resultando em danos ao JFET. Os princípios de operação para um JFET de canal P são os mesmos que para o JFET de canal N, exceto que a polaridade das tensões precisa ser revertida.

No próximo tutorial sobre transistores , veremos outro tipo de transistor de efeito de campo chamado MOSFET cuja conexão de porta é completamente isolada do principal canal de corrente.