JFET

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F́ısica de Semicondutores ET-33T - JFET
Prof. Dr. Pedro Carvalhaes Dias - UTFPR Campus de Cornélio Procópio
Segundo Semestre de 2016
1 Junções P-N
2 Prinćıpio de Funcionamento do JFET
JFET - Junction Field Effect Transistor (Transistor de Efeito de Campo de Junção - TECJ)
Figura 1: Estrutura de um JFET canal N.
O controle do JFET é realizado através do controle da região do canal, na Fig. 1 uma região N, ou seja um
JFET Canal N. Se as posições das regiões P e N forem trocadas, o JFET será do tipo Canal P.
Os śımbolos elétricos do JFET são apresentados na Fig. 2. Para facilitar a memorização, lembre que a seta
no terminal do Gate (ou Porta) segue a direção da polarizaçao direta da junção Gate-Dreno (que é a mesma de
Gate-Fonte).
Figura 2: Śımbolos de JFETs canal P e canal N.
1
A resistência do canal pode ser facilmente calculada (questão da prova), e depende da dopagem da região (N na
Fig. 1) , da área A = W · d da região do canal e do seu comprimento l .
Como a resistência de uma barra de siĺıcio tipo N é dada por:
R = ρ
l
A
(1)
onde
ρ =
1
Ndqµn
(2)
Logo, a resistência de um canal com comprimento l, largura W e profundidade d canal pode ser aproximada
por:
Rcanal =
(
1
Ndqµn
)(
l
d ·W
)
(3)
3 Controle da corrente no JFET
Em primeiro lugar devemos lembrar que a estrutura do JFET é um diodo PN, porém NÃO podemos nunca deixar
este diodo operar com polarização direta (pois áı teŕıamos um diodo e não um JFET)...
3.1 VGS = 0
Vamos iniciar nossa análise com o Gate (G) aterrado (junto com a Porta/Source (P ou S), de forma a termos
VGS = 0. Se aplicarmos no terminal do Dreno (D) uma tensão VDS positiva e de pequeno valor (VDS da ordem de
no máximo algumas centenas de mV), vai passar uma corrente entre Dreno e Fonte dada por:
IDS =
VDS
Rcanal
(4)
Observando a Fig. 3, vemos que como a tensão VDS é muito pequena, é posśıvel considerar a polarização reversa
da região de depleção da junção Gate-Dreno e Gate-Fonte como sendo iguais, de forma que a região de depleção é
uniforme ao longo do canal.
Figura 3: Para pequenos valores de VDS , a região de depleção é praticamente constante ao longo de todo o canal.
Portanto, para pequenos valores de VDS , se traçarmos uma curva de IDSxVDS , teremos uma reta, com na Fig.
4.
Entretanto, ao aumentarmos o valor de VDS , a corrente IDS aumenta, e a queda de tensão a longo do canal faz
com que a junção PN fique com polarização reversa mais alta junto ao terminal do Dreno, enquanto que do lado
2
3.1 VGS = 0
Figura 4: Para pequenos valores de VDS , a variação de IDS é linear com VDS , sendo que a inclinação da reta é dada
por 1/Rcanal.
do terminal da Source a polarização reversa continuará sendo praticamente zero. Com isso, o formato da região de
depleção fica não uniforme ao longo do canal, como vemos na Fig. 5.
Figura 5: Para maiores valores de VDS , a região de depleção aumenta junto ao terminal do Dreno e fica praticamente
sem se alterar junto ao terminal da Fonte.
Nesta Fig. 5, a resistência do canal foi modelada por vários resistores colocados em série, R1, R2, R3, ..., Rn onde
Rcanal = R1 +R2 +R3 + ...+Rn.
Com o formato da região de depleção não uniforme, vemos que o canal fica um pouco “estrangulado” do lado
do dreno, fazendo com que o valor de d (e consequentemente a área do canal) diminua nesta região. Observando a
Eq. 3, vemos que ao diminuir o valor de d, o valor de Rcanal aumenta.
Se continuarmos aumentando o valor de VDS , esse fenômeno de diminuição do valor de d devido ao aumento da
3
3.1 VGS = 0
região de depleção próxima terminal do dreno continua, e o valor da resistência do canal Rcanal vai aumentando
(principalmente pelo aumento dos resistores RC1, RC2, RC3, que estão na região onde o canal foi estreitado).
Figura 6: Para maiores valores de VDS , o valor de Rcanal aumenta progressivamente com a variação de VDS ,
resultando em uma variação não linear na curva IDSxVDS .
Se continuarmos aumentado o valor de VDS , vamos chegar a um ponto onde as regiões de depleção da parte
inferior e da parte superior se tocam, interrompendo o canal e não permitindo que o valor de Rcanal se altere mais
com o aumento de VDS ! A tensão onde isto acontece é chamada de tensão de “pinch-off ” , e dizemos que ocorreu
o pinçamento do canal. Isso é mostrado na Fig. 7
Figura 7: Para maiores valores de VDS , as regiões de depleção se estendem ao ponto de se tocarem e fazer o pinch-off
do canal.
.
O que acontece neste ponto? Como não pode acontecer de a corrente voltar para zero (imagine o dispositivo
estranho que teŕıamos se para uma tensão VDS = Vx estamos muito próximos dao pinh-off, mas ainda não estamos
no pinch-off e a corrente IDS fosse de 10 mA. Se quando aumentarmos 1µV na tensão VDS entramos na região
4
3.2 VGS < 0
de pinch-off e a corrrente fosse para zero, podeŕıamos fazer o dispositivo oscilar entre 0 e 10 mA simplesmente
variando 1µV em VDS !
O que acontece a partir do instante que atingimos o pinch-off é que a corrente se mantém constante (o
valor de Rcanal não se altera mais) . A pergunta que fica é: como a corrente pode continuar fluindo se o canal está
pinçado? O que acontece é que os portadores passam de um lado para o outro do canal através do fenômeno de
tunelamento.
Dessa forma, a curva IDSxVDS apresenta o formato que é mostrado na Fig. 8.
Figura 8: Curva IDSxVDS .
3.2 VGS < 0
Para o JFET canal N, só podemos aplicar tensões no Gate menores do que zero VGS < 0, para que a junção PN
não fique polarizada diretamente. Evidentemente, no JFET canal P esta tensão se inverte (VGS > 0).
Vamos analisar o que acontece com a região de depleção no JFET canal N quando temos uma tensão VGS < 0.
Com esta tensão aplicada, mesmo que VDS = 0, a região de depleção é maior do que quando VGS = 0, porém
uniforme ao longo do canal. Isso pode ser visto na Fig. 9.
Logo, como podemos observar pela Fig. 9, o canal tem uma área menor quando aplicamos uma tensão VGS < 0,
pois a região de depleção se estende. Com isso, analisando a Eq. 3, vemos que para VGS < 0 a resistência do canal
é maior do que quando temos VGS = 0. Com isso a corrente que passa depois do pinch-off é menor conforme o valor
de VGS aumenta em módulo. Portanto, se traçarmos a curva IDSxVDS para os dois caso temos um gráfico como o
apresentado na Fig. 10.
Se continuarmos aumentando o valor de VDS , a tensão junto ao terminal do Dreno fica mais alta, e a polarização
reversa nesta parte da junção fica maior, fazendo com que a região de depleção junto ao terminal do dreno fique
maior do que junto‘ao terminal da fonte (onde ela praticamente não se altera), como vimos anteriormente. Logo,
se continuarmos aumentando VDS , chegará um ponto onde as regiões de depleção se tocarão, ocorrendo o pinch-off
do canal.
É importante observarmos que como temos VGS < 0 e a região de depleção já é maior do que no caso de VGS = 0,
será mais fácil atingir o ponto onde ocorre o pinçamento do canal, ou seja, no caso de VGS < 0 o pinçamento ocorrerá
para valores de VDS menores do que para no caso de VGS = 0. Isso pode ser observdo na mesma Fig. 10.
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3.3 Definição da tensão de pinch-off
Figura 9: Posição das regiões de depleção para VDS = 0 com VGS = 0 e com VGS < 0.
Figura 10: Curvas de IDSxVDS , para VGS = 0 e VGS < 0.
3.3 Definição da tensão de pinch-off
Vamos agora estudar o ponto onde ocorre o pinch-off total do canal. Se, para VDS = 0, formos aumentando
(em módulo) o valor de VGS , a região de depleção vai se estendendo cada vez mais até o ponto onde, mesmo para
VDS = 0 ocorre o pinçamento total do canal, como vemos na Fig. 11. Esta tensão é chamada de tensão de pinch-off,
e é designada por VP . Portanto, se aplicarmos uma tensão VGS = VP , NÃO teremos corrente circulando no JFET
mesmo que aumentemos VDS . Note que VP pode ser negativa ou positiva, dependendo
do tipo de JFET (canal N
ou canal P).
6
3.4 Máxima corrente no JFET
Figura 11: Pinçamento total do canal para VGS = VP .
3.4 Máxima corrente no JFET
A maior corrente que pode circular no JFET é quando temos a maior área de canal posśıvel (após a ocorrência
do pinch-off), o que acontece quando VGS = 0, e a região de depleção é a mais pequena posśıvel. Essa corrente é
chamada de IDSS . Um gráfico mostrando a corrente IDSxVDS para vários valores de VGS é apresentada na Fig.
12.
Figura 12: Curvas de IDSxVDS , para diversos valores de VGS .
4 Equação do JFET
Como o Gate é uma junção PN com polarização reversa ou nula, a corrente de Gate é IG = 0 (desprezada a corrente
de fuga da junção).
A corrente IDS (normalmente chamada apenas de ID) é descrita pela seguinte equação:
ID = IDSS
(
1− VGS
VP
)2
(5)
7
É interessante observarmos que na Eq. 5 temos que:
a) Para VGS = 0, temos ID = IDSS
b) Para VGS = VP , temos ID = 0.
Para traçarmos uma curva de ID em função de VGS , além destes dois valores, é interessante calcularmos, usando
a Eq. 5, o valor de ID para VGS = VP /2.
Substituindo na Eq. 5 VGS = VP /2, ficamos com
ID = IDSS
(
1−
VP
2
VP
)2
= IDSS
(
1− 1
2
)2
=
IDSS
4
(6)
Portanto, com os pontos:
a) VGS = 0→ ID = IDSS
b) VGS = VP → ID = 0.
c) VGS = VP /2→ ID = IDSS/4.
lembrando que a curva é uma quadrática, podemos facilmente traçar de forma aproximada a curva de ID em
função de VGS . Na Fig. 13 temos o exemplo de uma curva de ID em função de VGS traçada manualmente para um
transistor JFET canal N que possui VP = −4V e IDSS = 8 mA.
Para resolver este problema basta calcular:
a) VGS = 0→ ID = IDSS = 8 mA
b) VGS = VP = −4V → ID = 0.
c) VGS = VP /2 = −2V → ID = IDSS/4 = 2mA.
e então traçar um gráfico aproximado.
Figura 13: Gráfico aproximado de IDxVGS para transistor JFET canal N que possui VP = −4V e IDSS = 8 mA. .
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