Transistor de Efeito de CampoADRIELLE DE CARVALHO SANTANA

FET – field-effect transistor

JFET -> classificado em canal n e p. MOSFET -> metal-óxido-semicondutor ->

classificado em tipo depleção e intensificação.

FETs e MOSFETs de potência

Tipicamente conduzir 2A ou mais de corrente.

Dissipar 50W e ter tensões de ruptura maiores que 200V.

Velocidades de chaveamento altas, como 5ns.

O JFET

JFET -> Transistor de Efeito de Campo de Junção.

Diferente do TBJ que é controlado por corrente, o JFET é controlado por tensão.

A tensão aplicada no GATE controla a corrente que vai da FONTE para o DRENO.

O TBJ tem maior ganho que o JFET.

Em comparação ao TJB o JFET é mais estável a mudanças de temperatura e é menor (bom para CIs).

O JFET é um componente UNIPOLAR: canal n ou canal p.

O JFET

No JFET de canal n o fabricante difunde duas áreas de semicondutor tipo p no semicondutor tipo n.

Contatos ligam as extremidades do material tipo n ao “dreno” (D, drain) e a “fonte” (S, source).

Os materiais p estão conectados entre si e ao terminal da “porta” (G, gate).

Em cada junção p-n tem-se uma região de depleção.

O JFET

A porta (registro) por meio de um sinal aplicado (tensão), controla o fluxo de carga (elétrons) da fonte para o dreno.

O JFET Um bom contato ôhmico possibilita o comportamento linear de

corrente vs tensão entre circuitos externos e dispositivos semicondutores. Além disso, um bom conato ôhmico deve ter baixa resistência e portanto deve resultar na redução da potência dissipada por efeito Joule.

Tensão positiva no Dreno (VGS=0V)

Os elétrons do canal n tendem a ser atraídos para o dreno aumentando a camada de depleção.

Sentido real da corrente

Tensão positiva no Dreno (VGS=0V)

DDP entre G e S é zero logo a parte inferior da camada de depleção é semelhante a do JFET não polarizado.

DDP entre G e D é maior que zero logo a camada de depleção na parte superior é maior diminuindo o fluxo de elétrons (corrente).

Tensão positiva no Dreno (VGS=0V)

Tensão positiva no Dreno (VGS=0V)

Quando VDS = VP (apesar do termo pinch-off) existe uma corrente IDSS passando para o dreno saturada nesse valor. Para VDS>VP o JFET é uma fonte de corrente.

Corrente do dreno é igual a da fonte.

Tensão positiva no Dreno (VGS< 0V)

Uma alimentação negativa VGS faz o mesmo efeito anterior aumentando a camada de depleção até a saturação da corrente e exigindo menor tensão VDS.

Tensão positiva no Dreno (VGS< 0V)

Quanto mais negativo o VGS menor é o valor de VDS que leva a corrente de saturação e menor a corrente no dreno.

ID = 0 A quando |VGS |>=|VP| onde VP é negativa para canal n e positiva para cana p.

Tensão positiva no Dreno (VGS< 0V)

Na região da curva antes da saturação, temos um comportamento quase linear entre tensão e corrente como na Lei de Ohm. Nesse caso a resistência do JFET medida entre dreno e fonte funciona como em um potenciômetro podendo ser variada variando-se VDS de valores menores que VP.

Onde r0 é a resistência com VGS=0 V.

JFET de canal p Corrente invertida ou fluxo de lacunas.

O estreitamento do canal ocorre para tensões VGS > 0V e VDS será negativa.

JFET de canal p Para valores elevados (negativos) de

VDS tem-se uma região de ruptura onde qualquer aumento de VDS leva a grande aumento de ID sendo este limitado apenas pelo circuito externo.

Isso ocorre nos dispositivos de canal n também (para valores positivos de VDS).

O VDSmáx deve ser informado no datasheet e o projeto deve levar isso em conta para evitar a ruptura dado um VGS.

Representação Sentido convencional da corrente.

Resumo

Equação de Shockley

TBJ

JFET

Curva característica

Exemplo

Pelos valores da curva anterior determine o valor de VGS que resulta numa corrente de dreno de 4,5 mA.

Colocando a equação em função de ID e VP

Observando a curva tem-se VP= -4 V e IDSS= 8 mA.

Relações

MOSFET - depleção

Substrato de material tipo p.

A porta é conectada ao canal n com contato metálico mas, diferente da fonte e do dreno, há uma separação feita por uma fina camada de dióxido de silício o qual estabelece campos elétricos opostos quando submetido a um campo externo.

Metal-oxido-semicondutor

MOSFET - depleção

 

A

MOSFET - depleção

Para VGS=0 V. Sentido real da corrente.

MOSFET - depleção Para VGS < 0 V ocorre a depleção de elétrons do

material n e “atração de lacunas”. Aqui ocorrem recombinações de modo que quanto mais negativa é VGS menor a quantidade de elétrons não recombinados que formam a corrente ID, diminuindo-a até o valor de pinch-off.

Para VGS > 0 V ocorre a atração de elétrons do substrato tipo p aumentando a corrente (ela aumenta a uma taxa maior devido a colisões que causam a liberação de mais elétrons).

As curvas do MOSFET depleção são semelhantes às do JFET.

MOSFET A impedância alta de entrada torna esse dispositivo útil para a

construção de amplificadores. Alguns CIs de amplificação contêm MOSFETs em sua construção.

O Gate funciona como um capacitor. Uma pequena carga eletrostática pode se transformar em uma alta tensão nesse capacitor. Isso pode levar o dispositivo à ruptura.

Fabricantes podem proteger FETs de potência contra carga estática excessiva conectando um diodo Zener de 25V (exemplo) entre a porta e o substrato (terminal) que já vem dentro do encapsulamento do transistor.

Sobre estrutura do componente, o substrato do transistor de potência pode ser conectado ao invólucro e aterrado. Isto faz com que o diodo Zener desvie transitórios de tensão fora da faixa de -0,7V a +25V.

MOSFET

Não funciona bem para amplificação de sinais pequenos como de rádio. O JFET ou TJB são mais indicados.

É mais rápido que o TJB.

Trabalha com correntes mais altas que o TJB.

MOSFET - depleção

MOSFET - depleção Para o dispositivo da curva mostrada, uma tensão VGS=4 V

teríamos uma corrente ID=22,4 mA.

È importante ficar de olho na corrente máxima suportada.

MOSFET - depleção

Na curva essa é a região conhecida como região de intensificação no transistor MOSFET tipo depleção.

A equação de Shockley pode ser utilizada normalmente para esse transistor.

MOSFET - Exemplo

MOSFET – depleção de canal p A construção é exatamente o oposto do de canal n.

As polaridades das tensões e sentidos das correntes são invertidos apenas.

MOSFET – depleção - SÍMBOLO

MOSFET – intensificação de canal n No geral é semelhante ao MOSFET depleção mas

não possui o canal entre dreno e fonte de material tipo n.

O terminal da porta agora está “ligado” ao terminal tipo p pela mesma camada de dióxido de silício.

MOSFET - intensificação de canal n Quando VGS=0V e VDS>0 V não há corrente entre

dreno e fonte pois não há mais um caminho n.

Com VDS e VGS maiores que 0V as lacunas na porta são repelidas para outras áreas do substrato e elétrons do substrato atraídos para a porta. Devido ao SiO2 ser um dielétrico eles não passam para o terminal da porta se acumulando perto dela apenas.

Assim, induz-se uma região n, aplicando-se tensão VGS suficiente. Essa tensão VGS específica que possibilita a corrente ID é chamada de tensão de limiar (VT ou VGS(Th)).

MOSFET - intensificação de canal n

Para valores de VGS menores do que VT a corrente de dreno do MOSFET intensificação é 0 mA.

Aumentando VGS acima de VT a corrente ID aumenta. Mantendo VGS constante e variando-se VDS chega-se a uma corrente de saturação assim como no JFET. Isso ocorre porque a região VDG fica menos negativa reduzindo o canal induzido n.

MOSFET - intensificação de canal n

MOSFET - intensificação de canal n

Equações do MOSFET intensificação

Onde “k” é uma constante calculada conforme a equação a seguir utilizando valores de ID e VGS de um ponto qualquer da curva do transistor desde que ele já esteja ligado (passando corrente).

MOSFET - intensificação de canal p

MOSFET - intensificação

Símbolos

MOSFET

Para MOSFET de canal n, a diferença entre a tensão do Gate e da a da Source deve ser maior que a tensão de limiar (Vt) para se ter condução de corrente.

Para o MOSFET de canal p, a diferença entre a tensão do Gate e da Source deve ser menor que a tensão de limiar para se ter condução de corrente

CMOS Arranjo MOSFET complementar (CMOS).

Dispositivo composto de um MOSFET de canal n e um MOSFET de canal p.

Alta impedância de entrada, rápido chaveamento e pouco consumo de potência.

Intensamente empregado em circuitos digitais.

Polarizações

Polarizações

Polarizações

Polarizações

IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor

O IGBT é um semicondutor de potência que alia as características de chaveamento dos transistores bipolares com a alta impedância dos MOSFETs apresentando baixa tensão de saturação e alta capacidade de corrente.

IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor

IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor