Introdução a Dispositivos Semicondutores UFPE - Anotações de Aula - Fet

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Os Transistores de efeito de campo (TEC ou FET) podem ser feitos por duas juncoes p-n ou por contatos metal-oxido-semicondutor. Em ambos os tipos, a tensao de entrada controla o fluxo dos portadores majoritarios que passam da entrada para a saida do dispositivo. Uma vez que esse portadores sao eletrons ou buracos, dependendo do tipo de impureza do semcondutor, o fet eh um dispositivo unipolar.
Do mesmo modo que o TBJ, o FET eh um dispositivo de tres terminais usado para amplificacao e chaveamento. A diferenca eh que enquanto no TBJ o sinal de saida eh controlado por uma corrente de entrada, nos FETs ele eh controlado por uma tensao de entrada.
O mecanismo de operacao dos FETs sao diferentes dos TBJs. Enquanto no TBJ o controle do sinal de saida eh feito atraves dos portadores minoritarios em movimento de difusao na base, nos FETs o controle eh sobre os portadores majoritarios em movimento de deriva. Estes portadores movem-se do terminal chamado Fonte para o terminal chamado Dreno atraves de uma regiao uniforme do semicondutor, o Canal. O controle do movimento dos portadores no canal eh feito por um campo criado pela tensao aplicada entre um terceiro terminal, chamado Porta, e a fonte. Esta eh a razao do nome "efeito de campo".
Existem tres tipos principais de FET: o de juncao, o de metal-semicondutor e o de porta isolada. No de juncao (TECJ ou JFET), a tensao aplicada a porta varia a espessura da regiao de deplecao de uma juncao p-n reversamente polarizada. No FET de metal-semicondutor (TECMS ou MESFET) a porta eh formada por uma juncao metal semicondutor. A operacao do MESFET eh mto parecida com a do JFET, porem com resposta mais rapida.
Ja no FET de porta isolada o terminal metalico da porta eh isolado do semicondutor por uma camada isolante. Normalmente o isolante eh um oxido do proprio semicondutor (por ex. SiO2 para o Si). Neste caso o transistor eh chamado de metal-oxido-semicondutor (TEC-MOS ou MOSFET). O MOSFET eh bastante usado em circuitos digitais integrados. Ambos os tipos de FET de porta isolada apresentam uma alta impedancia de entrada, uma vez q a tensao de controle eh aplicada a juncao polarizada reversamente, ou atraves de um isolante.
Obs: O JFET eh um dispositivo unipolar (um tipo de portador) e a conducao eh devido a portadores majoritarios; No JFET o parametro de controle eh a tensao da porta Vp. No TBJ eh a conrrente de base Ib; a corrente de porta eh muito pequena, pois a juncao eh reversamente polarizada; a impedancia da entrada no JFET eh alta num TBJ eh baixa; a impedancia de saída eh baixa na regiao linear e alta na regiao de saturacao; um JFET eh de mais simples fabricacao que um TBJ.
Outras aplicações de dispostivos MOS: CCDs; RAMs
JFET:
Estrutura: transistor de efeito de campo de juncao de zona n (o JFET de canal p eh analogo ao de canal n). Modelo simetrico em relacao a regiao do canal.
Princípio Fisico de Funcionamento: Uma tensão variavel aplicada a porta controla a secao reta efetiva de um canal semicondutor por onde fluem portadores majoritarios. Em outras palavras, a diferença de potencial Vd entre Dreno e Fonte produz uma corrente Id predominantemente formada por eletrons a deriva da fonte para o dreno (oposta do sentido convencional). o valor da corrente eh definida por Vd e pela resistencia do cana (dependente da concentracao de impurezas do comprimento e da area efetiva da secao reta do canal). A area da secao do canal pode ser controlada pelo tamanho das regioes de deplecao das juncoes p-n; que por sua vez dependem da tensao reversa na juncao. Desta forma, a variacao da corrente Id no Dreno eh controlada pela tensão Vp entre a porta e a fonte.
Aplicacao: utilizado para amplificacao ou chaveamento em aplicacoes que requerem alta impedancia de entrada.
 |D
 |--|
P -seta|
 |--|
 |F
--> canal n
<-- canal p
MESFET:
Estrutura: Substrato eh uma pastilha de alta resistividade, feita com GaAs o mais puro possivel ou com pequena dopagem de Cr, Como o gar do GaAs eh grande, o nivel de Fermi dno meio do gap que ocorre no semicondutor intrinseco ou com dopagem de Cr, resulta em resistividades da ordem de 10^8 omh cm. O canal eh formado por uma camada de GaAs dopado, com espessura da ordem de 0,1microMetro. Como a mobilidade de eletrons em GaAs eh mto maior que a de buracos, utiliza-se doapgem om impurezas doadoras para formar um canal n nos MESFETs para aplicacoes em alta frequencias. A estrutura dos contatos eh feita atraves de processos sucessivos de fotolitografia.
Principio de Funcionamento: Tem tres terminais (fonte, porta e dreno). Os portadores de carga majoritarios fluem da fonte para o dreno atraves de um canal semicondutor, tipo p ou tipo n. O controle da corrente eh feito por meio de uma tensao aplicada a porta, que controla a espessura do canal e portanto a sua resistencia. A diferenca para o JFET eh que no MESFET o terminal metalico da porta esta em contato direto com o semicondutor do canal, formando uma barreira Schottky, em vez de uma juncao p-n. Como na barreira de potencial Schottky nao ha participacao de portadores minoritarios, a resposta na variacao de espessura do canal devido a variacao na tensao da porta eh mais rapida do que nas juncoes p-n. Por isso o MESFET eh usado em aplicacoes de alta frequencia. Como o GaAs tem maior mobilidade de eletrons que o Si, ele eh o semicondutor mais utilizado na fabricacao de MESTFETs.
Aplicacao: Podem ser fabricados em circuitos integrados para processar sinais analogicos ou digitais em altas frequencias, alcancando a faixa de microondas. Atualmente sao usados em telefonia movel, com frequencias na faixa dos Ghz.
MOSFET:
Estrutura: Formado por duas regioes do tipo n+ difundidas (ou implantadas) num substrato tipo p, sendo uma para a fonte F e outra para o dreno D. A fonte e o dreno sao ligados ao circuitos atraves de contatos de aluminio. O canal de conducao entre a fonte e o dreno eh induzido no substrato por uma tensao aplicada a porta, cujo contato eh isolado do semicondutor por uma camada de oxido, atraves do fenomeno de inversao.
Principio de Funcionamento: Se uma tensao for aplicada entre dreno e fonte, em qualquer sentido, uma das duas juncoes p-n estara polarizada diretamente, equanto a outra ficara polarizada reversamente. Neste caso, se nao houver tensao na porta nao havera canal, e portanto, a corrente entre fonte e dreno sera dresprezivel devido a presenca da juncao reversa. Quando uma tensao positiva eh aplicada a porta, uma camada de cargas negativas eh induzida no semicondutor, em frente ao contato metalico da porta. Esta camada de cargas porporciona um canal de conducao entre fonte e dreno, resultando numa corrente que varia com a amplitude da tensao da porta.
Aplicacao: Variedade de circuitos digitais e amplamente usados em computadores. Devido ao numero reduzido de etapas durante a fabricacao, eh possivel fabricar MOSFETs com dimensoes inferiores a 1micrometro, dai a grande utilizacao em VLSI.
OBS: a principal caracteristica do MOSFET eh o isolamento eletrico da porta. Sua impedancia de entrada eh da ordem de 10^14ohm, independente do sentido de tensao na porta.
 |D
 |--|
 | |
P ---| |--seta--- Subs
 | |
 |--|
 |F
--> canal p
<-- canal n