transistor de efeito de campo - universidade...
Post on 31-Mar-2020
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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
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