Eletrônica Analógica I • Transistores Unipolares: FET, JFET e MOSFET

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Introdução

A invenção do transistor foi um marco para a engenharia elétrica e eletrônica, assim como para toda humanidade. Com o desenvolvimento dos transistores foi possível a construção de equipamentos eletrônicos verdadeiramente portáteis funcionando apenas com pilhas ou baterias. Além disso, o reduzido volume destes componentes a possibilidade de associação para implementar funções analógicas ou digitais, das mais diversas, proporcionou um desenvolvimento sem igual na indústria de equipamentos eletroeletrônicos.

Por tudo isso, o contato com estes dispositivos é essencial para o estudante de engenharia, além do que, a grande maioria dos circuitos eletrônicos emprega um ou milhares destes componentes.

Os transistores bipolares se baseiam em dois tipos de cargas: lacunas e elétrons, e são utilizados amplamente em circuitos lineares. No entanto existem aplicações nos quais os transistores unipolares com a sua alta impedância de entrada são uma alternativa melhor. Este tipo de transistor depende de um só tipo de carga, daí o nome unipolar.

Há dois tipos básicos: os transistores de efeito de campo de junção (JFET - Junction Field Effect transistor) e os transistores de efeito de campo de óxido metálico (MOSFET).

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

1.1 – 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.

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.

1.2 – Funcionamento do FET

Por utilizar para transporte de corrente somente portadores majoritários, o FET é denominado unipolar.

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Existem, grosso modo, duas classes de FETs: O FET de junção, chamado de JFET O FET de contato (MOSFET, MESFET, MISFET)

1.3 – Compreensão

O FET é conhecido como transistor unipolar porque a condução de corrente acontece por apenas um tipo de portador (elétron ou lacuna), dependendo do tipo do FET, de canal n ou de canal p. O nome “efeito de campo” decorre do fato que o mecanismo de controle do componente é baseado no campo elétrico estabelecido pela tensão aplicada no terminal de controle. O Transistor JFET recebe este nome porque é um transistor FET de Junção.

Figura 1 – O Transistor JFET

A figura 01 apresenta um JFET de canal n (existe também o JFET de canal p). Seu diagrama construtivo simplificado representa uma “barra” de silício semicondutor tipo n (semicondutor dopado com impurezas doadoras) e contendo incrustadas duas regiões tipo p. O JFET da figura 01 tem as seguintes partes constituintes:

FONTE: (source) fornece os elétrons livres, DRENO: (drain) drena os elétrons,

PORTA: (gate) controla a largura do canal, controlando o fluxo dos elétrons entre a fonte e o dreno. As regiões p da porta são interligadas eletricamente.

Ainda observando a figura 01, a seta apontando para dentro representa uma junção pn de um diodo.

O JFET de canal p tem as mesmas partes constituintes de um JFET de canal n, porém seu símbolo apresenta a seta em sentido contrário, e as correntes e tensões são consideradas invertidas em relação ao JFET de canal n.

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1.4 – Características mais Importantes do JFET

Controle por Tensão: a corrente entre o dreno e a fonte é controlada pela tensão aplicada na porta, em contraste com o transistor BJT, cuja corrente de coletor 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 reversa das junções da porta, provocando desta forma um aumento na região de depleção destas junções e em decorrência disto um estreitamento do canal; com isto, tem-se baixas correntes de porta, e conseqüentemente, alta impedância.

Curvas Características: o comportamento do JFET pode ser sumarizado por suas curvas de dreno e de transcondutânica.

Outras Características: os transistores JFET apresentam menores ganhos em relação aos transistores BJT e em decorrência disto têm maior estabilidade térmica; geometricamente, os JFET têm dimensões menores quando comparados com os transistores BJT.

1.5 – Princípio de Funcionamento – Polarização - Curva Características (Considerações)

Podemos então identificar dois tipos de comportamento do transistor:

a) O transistor se comportando como uma resistência variável controlada por tensão. O

JFET opera deste modo na região A da fig. 02 abaixo. Notamos que ID varia diretamente proporcional a VDS, como se fosse uma resistência. Entretanto, essa variação, ou resistência, será maior ou menor, dependendo do valor de VGS, daí a denominação de “Resistência

Variável Controlada por tensão”, que é a tensão VGS. RD = VD /ID (resistência dinâmica),

para VGS = cte. RD = VD /ID (resistência estática - no ponto), para VGS = cte.

b) Na região B da fig. 02, a corrente ID não aumenta mais, apesar do aumento de VDS.

Figura 2

Região A

Região B VGS VP

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