FET Tecnologia
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO
Professor: Alvaro Cesar Otoni Lombardi
Engenharia Elétrica – Eletrônica
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO
• Os Transistores Bipolares de Junção (TBJ ou BJT)• São controlados pela variação da corrente de base (na
maioria das aplicações)
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO
• Os Transistores Efeito de Campo (FET)• Do inglês Field Effect Transistor• São controlados pela variação da tensão
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• Os Transistores Efeito de Campo (FET)
FET
JFETJ – Junction ou Junção
MOSFET
MOS – Metal Oxid SemiconductorSemicondutor de Metal Óxido
DEPEÇÃO
INTENSIFICAÇÃO
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO
• Os Transistores Efeito de Campo (FET)• FET Canal N
Dreno (D)
Canal N
Fonte (S)Source
Porta (G)Gate
Contato ôhmico
Região de Depleção
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• Os Transistores Efeito de Campo (FET) Funcionamento• A região de Depleção não possui portadores livres,
portanto não conduz.VDD +VG = 0 V
Não passa corrente do Gatepara Dreno.
Se VG ficar mais negativo, mais aumentará a região de depleção.
VGS = 0V e VDS > 0V
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• Os Transistores Efeito de Campo (FET) Funcionamento• No diodo a polarização reversa faz aumentar a região de
depleção.• A corrente que passa através da Porta (Gate) IG = 0 A.• Característica relevante do FET.• G – D e G – S proporcionam alta impedância de entrada.
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• Os Transistores Efeito de Campo (FET) Funcionamento• Variação dos potenciais reversos de polarização através da
junção p - n de um JFET de canal N.
25 a 75% dos potenciais reversos do FET ficam na região de depleção
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• Os Transistores Efeito de Campo (FET) Funcionamento• Mantendo o VGS = 0V e• Se aumentar VDS, aumenta também a região de depleção.• A corrente ID subirá até um determinado nível:
• Limitado pela redução do canal;• Causando aumento da resistência do canal
Redução do Canal
Aumento da Região de Depleção
Aumento de VDS
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• Os Transistores Efeito de Campo (FET) Funcionamento• A redução do canal levará a corrente a um nível de
saturação.
Aumento da Resistência devido ao Estreitamento do Canal
Resistência do Canal
Nível de Saturação para VGS = 0V
VP
IDSS
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• Os Transistores Efeito de Campo (FET) Funcionamento• Os dois parâmetros observados devido ao nível de
saturação quando VGS = 0V• VP
• IDSS
• São parâmetros dos FETs que aparecem nos data sheets.
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• Os Transistores Efeito de Campo (FET) Funcionamento• IDSS S (Saturation)• VP (Pinch-off)
ID = IDSS
Pinch-off ou Constrição
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO
• Os Transistores Efeito de Campo (FET) Funcionamento• IDSS é a máxima corrente de dreno para um JFET e• É definida pela condição VGS = 0 V e VDS > |VP|
O valor de VGS para ID = 0 mA é definido por VGS = VP
VGS = VPPara o canal N VP é NegativoPara o canal P VP é Positivo
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• Os Transistores Efeito de Campo (FET) Funcionamento• Lugar Geométrico dos Valores de Pinch-off
Região de Saturação
Região ôhmica
Lugar Geométrico dos Valores de pinch-off
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO
• Os Transistores Efeito de Campo (FET) Funcionamento• Resistor controlado do tensão.
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1 ���
����
�−
=
P
GS
Od
VV
rr
dODS
d
P
dss
rrVI
VI 11 ====
rO = É a resistência apresentada por VDS x IDSS
rd = É a resistência apresentada na região ôhmica para um determinado valor de VGS
dDS
d
rVI 1==
Região ôhmica
Controle da resistência pela tensão pode ser empregado em controle automático de ganho.
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• Os Transistores Efeito de Campo (FET)• SIMBOLOGIA
FET canal N FET canal P
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• Os Transistores Efeito de Campo (FET)• Curva Característica de Transferência
( ) BBC IIfI β==
Constante
Variável de Controle
No TJB é:
No FET é:
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1 ���
����
�−=
P
GSDSSD V
VII
Constante
Variável de Controle
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO
• Os Transistores Efeito de Campo (FET)• Curva Característica de Transferência
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1 ���
����
�−=
P
GSDSSD V
VII
Quando ID = IDSS , VGS = 0 V
Quando VGS = VP, ID = 0 mA
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo (FET)
• Ex.1: Dado VP = −4V e IDSS = 8 mACalcule VGS = ? para ID = 4,5 mA
2
1 ���
����
�−=
P
GSDSSD V
VII
2
4185,4 �
�
���
�
−−= GSV
1642
15625,02
GSGS VV+
×+=
04375,0216
2
=++ GSGS VV
0782 =++ GSGS VV
voltsVV GSGS 7 e 1' e −−=
Só VGS = − 1volt é válido
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo (FET)
• Ex.1: Dado VP = −4V e IDSS = 8 mACalcule VGS = ? para ID = 4,5 mA
2
1 ���
����
�−=
P
GSDSSD V
VII
2
4185,4 �
�
���
�
−−= GSV
2
415625,0 �
�
���
� += GSV
4175,0 GSV
+=
( ) 4175,0 −=GSV
voltVGS 1425,0 −=×−=
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo (FET)
• Ex.2: Dado VP = −4V e IDSS = 8 mACalcule ID = ? para VGS = − 2V
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1 ���
����
�−=
P
GSDSSD V
VII
2
42
18 ��
���
�
−−−=DI
2
21
18 ��
���
� −=DI
mAI D 241
821
82
=×=��
���
�=
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO
• Os Transistores Efeito de Campo (FET)• Relações interessantes de VGS × ID
2
1 ���
����
�−=
P
GSDSSD V
VII
VGS ID
0 IDss
0,3 VP IDss/2
0,5 VP IDss/4
VP 0 mA
IDSS
VGSVP
ID
0,3VP
IDSS/2
0,5VP
IDSS/4
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO
• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Depleção)• O corte;• A saturação e• IDSS
• Do JFET é semelhante ao MOSFET tipo Depleção;• A diferença está nas curvas características:
• Se estendem até a polaridade oposta para VGS.
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Depleção)
Funcionamento
Espessa camada de Material tipo P
O terminal SS pode ser conectado ao terminal FONTE ou não.
Quando o terminal SS não é conectado ao terminal FONTE o dispositivo é fabricado com 4 terminais
FONTE e DRENO são conectados através de contatos metálicos à regiões n dopadas do tipo n
As regiões n dopadas do tipo n são interligadas entre si por um canal n.
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Depleção)
Funcionamento
A PORTA (GATE) permanece isolada do canal n por uma fina película de Óxido de Silício SiO2. SiO2 é um dielétrico pois estabelece campos elétricos opostos quando submetidos a um campo externo aplicado.
Não há ligação elétrica entre o gate e o canal n.Se não há ligação elétrica entre o gate e o canal n, então não existe corrente.A impedância de entrada é exageradamente alta.
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Depleção)
Funcionamento
Para VGS = 0V, não existe campo elétrico
Elétrons percorrem da FONTE para o DRENO.
O sentido convencional da Corrente é de DRENO para a FONTE.
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Depleção)
Funcionamento
VGS negativo = modo depleção
VGS positivo = modo intensificação
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Depleção)
Funcionamento
O que acontece com o Canal n quando o VGS é positivo?
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Depleção)
Simbologia
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Intensificação)
• Não existe a parte de Depleção.
Por onde passará a corrente entre o Dreno e a FonteID?
O SiO2 é isolante e portanto o Gate é isolado do Substrato que é isolado da Região tipo n
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Intensificação)
• Símbolo
MOSFET – Canal n
Substrato desligadoda Fonte (S)
Substrato ligado àFonte (S)
ID = 0A
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO
• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Intensificação)
• Características• O controle de corrente para esse dispositivo de canal n é
realizado por uma tensão VGS positiva.• MOSFET depleção possui canal• MOSFET intensificação não possui canal (Inexistência de
Canal).
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Intensificação)• Características
• Para VDS positivo, VGS = 0V e SS ligado à Fonte (Source), equivale a:• duas junções p-n reversamente polarizadas entre• as regiões dopadas tipo n e os substratos p• que se opõem a qualquer fluxo significativo entre o dreno e a fonte.
ID = 0A
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Intensificação)Funcionamento
Alimentação de VDS e VGSpositiva em relação à SourceCorrente de Gate é 0A e independe do valor de VGS
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Intensificação)Funcionamento
O potencial positivo do Gaterepele as lacunas.
VGS pressiona as lacunas (cargas iguais se repelem) para o substrato p por toda a extensão da camada de SiO2
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Intensificação)Funcionamento
Limite de esvaziamento da região de portadores tipo p
Atração dos elétrons para a porta devido ao potencial positivo.O resultado é uma região de depleção próxima à camada isolante de SiO2 livre de lacunas
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Intensificação)Funcionamento
Com o aumento de VGS éintensificado a concentração de elétrons próximo à superfície
O negativo é a fonte de elétrons
É intensificado até um nível que a região induzida tipo n possa suportar o fluxo entre o Dreno e a Fonte
Região de Depleção
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Intensificação)Funcionamento
O nível de VGS que produz um aumento significativo da corrente de dreno é chamado de tensão de limiar.
A tensão de limiar érepresentado por VT ou VGS(Th)
Início de Pinch-off
Th – Threshold = limiar
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO
• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Intensificação)• Tem o MOSFET
• que tem o canal e• o que não tem o canal
• Ambos são de intensificação, porém o nome de intensificação foi dado ao último pois é o único modo de operação.
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo
(MOSFET tipo Intensificação)• Quando VGS aumenta após o limiar,
aumenta a corrente de dreno (ID).• Se VGS for mantida e aumentar VDS;• ID atinge um nível de saturação por
constrição.VDG = VDS – VGS
D
G
VDG
S VDS
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo
Intensificação)VDG = VDS – VGS
• Se VGS = 8V e VDS for aumentado de 2V para 5V;Então VDG cairá de – 6V para – 3 V;VDG = 2V – 8V = – 6V;VDG = 5V – 8V = – 3V;• Se VDS aumenta, VDG fica menos positivo;Reduz as forças atrativas para os elétrons provocando
a redução da largura do canal;O canal é reduzido até a condição de saturação
(PINCH-OFF)
D
G
VDG
S VDS
VDG
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D
G
VDG
S VDS
VDG
• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Intensificação)VDG sat = VDS – VT
Para valores de VGS < VT , ID(MOSFET intensificação) = 0 mAVT = Nível de Limiar
Lugar Geométrico de VDS sat
VGS = VT = 2 V
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo
Intensificação)Curvas características de Dreno de um MOSFET VT = 2V e
k = 0,278 × 10 –3 A/V 2
Lugar Geométrico de VDS sat
VGS = VT = 2 V
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Intensificação)
Constante k (A/V 2)É dado pelos valores de VGS (Ligado) eID (Ligado)São valores fornecidos pelo fabricante
VT
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Intensificação)
De posse do valor de VGS (Ligado) e de ID (Ligado)
Encontra-se k pela fórmula
k = ID (Ligado)
(VGS (Ligado) – VT)2∴ k (VGS – VT)2ID =
Para qualquer valor dado de VGS, pode-se encontrar IDdesde que k seja conhecido.
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Intensificação)
• Curva característica de transferência
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo (MOSFET tipo Intensificação)• Manuseio
• Alta impedância de gate;• associada à fina camada do isolante SiO2,• Eletricidade estática acumulada:
• no corpo humano ou• qualquer outro material isolante
• Pode romper a camada de isolante e danificar o componente.
• Maiores detalhes de manuseio, consultar manual do fabricante ou livro pag 196.
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TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO• Os Transistores Efeito de Campo (VMOS tipo Intensificação)• Compensa a baixa potência limitante do MOSFET;• V do VMOS é devido à estrutura vertical de crescimento do canal;• Maiores velocidades de chaveamento.• Leitura complementar opcional livro pag 197.