Transistores de efeito de campo de junção
Os transistores de efeito de campo de junção são transistores baseados em semicondutores controlados por tensão. São transistores unidirecionais com três terminais; dreno, fonte e portão. Os JFETs não possuem junções PN, mas são compostos de canais de materiais semicondutores.
Construção e Classificações
Os JFETs possuem um grande canal para fluxo de portadoras de carga majoritárias. Este canal é conhecido como substrato. O substrato pode ser de material tipo P ou tipo N. Dois contatos externos conhecidos como contatos ôhmicos são colocados nas duas extremidades do canal. Os JFETs são classificados com base no material semicondutor do substrato em sua construção.
Transistores JFET de canal N
O canal é feito de material de impureza do tipo N, enquanto as portas são compostas de material de impureza do tipo P. Material do tipo N significa que as impurezas pentavalentes foram dopadas e a maioria dos portadores de carga são elétrons livres no canal. A construção básica e apresentação simbólica dos JFETs N-Channel são mostradas abaixo:
Transistores JFET de canal P
O canal é composto de material de impureza do tipo P, enquanto as portas são compostas de material de impureza do tipo N. Canal P significa que impurezas trivalentes foram dopadas no canal e os portadores de carga majoritários são buracos. A construção básica e apresentação simbólica do P-Channel JFET é mostrada abaixo:
Funcionamento de JFETs
JFETs são frequentemente descritos com uma analogia com uma mangueira de água. O fluxo de água através de tubos é análogo ao fluxo de elétrons através de canais de JFETs. A compressão do cano de água decide a quantidade de fluxo de água. Da mesma forma, no caso dos JFETs, a aplicação de tensões nos terminais da porta decide o estreitamento ou alargamento do canal para movimentação de cargas da fonte ao dreno.
Quando a tensão de polarização reversa na porta e na fonte é aplicada, o canal se estreita enquanto a camada de depleção aumenta. Este modo de operação é denominado modo pinçamento. Este tipo de comportamento do canal é representado abaixo:
Curva de características JFET
JFETs são dispositivos de modo de esgotamento, o que significa que operam no alargamento ou estreitamento das camadas de esgotamento. Para analisar os modos de operação completos, o seguinte arranjo de polarização é aplicado em um JFET de canal N.
Duas tensões de polarização diferentes são aplicadas nos terminais JFET. O VDS é aplicado entre o dreno e a fonte, enquanto o VGS é aplicado entre a porta e a fonte, conforme mostrado na figura acima.
O JFET deverá operar em quatro modos diferentes de operação, conforme discutido abaixo.
1: Modo Ohmico
O modo ôhmico é um estado normal sem quaisquer tensões de polarização aplicadas em seus terminais. Portanto, VGS=0 no modo ôhmico. A camada de depleção deve ser muito fina e o JFET opera como um elemento ôhmico, como um resistor.
2: Modo de pinçamento
No modo de corte, é aplicada tensão de polarização suficiente na porta e na fonte. A tensão de polarização reversa aplicada estende a região de depleção ao nível máximo e, portanto, o canal se comporta como uma chave aberta resistindo ao fluxo de corrente.
3: Modo de Saturação
A tensão de polarização da porta e da fonte controla o fluxo de corrente através do canal do JFET. A corrente varia com a mudança na tensão de polarização. A tensão de polarização do dreno e da fonte tem efeito insignificante neste modo.
4: Modo de divisão
A tensão de polarização do dreno e da fonte aumenta a um nível que quebra a camada de depleção no canal dos JFETs. Isso leva ao fluxo máximo de corrente através do canal.
Expressões matemáticas para parâmetros JFETs
Nos modos de saturação, os JFETs entram nos modos de condutor onde a tensão varia com a corrente. Portanto, a corrente de dreno pode ser avaliada. A expressão para avaliar a corrente de dreno é dada por:
O canal se alarga ou estreita com a aplicação de tensões de porta. A resistência do canal em relação à aplicação da tensão dreno-fonte é expressa como:
O RDS também pode ser calculado através do ganho de transcondutância, gm:
Configurações do JFET
Os JFETs podem ser conectados de várias maneiras com as tensões de entrada. Essas configurações são conhecidas como configurações de fonte comum, porta comum e dreno comum.
Configuração de fonte comum
Na configuração de fonte comum, a fonte do JFET é aterrada e a entrada é conectada ao terminal do gate enquanto a saída é retirada do dreno. Esta configuração oferece funções de alta impedância de entrada e amplificação de tensão. Esta configuração de modo amplificador é a mais comum de todas as configurações de JFETs. A saída obtida está 180 graus fora de fase da entrada.
Configuração de portão comum
Em uma configuração de porta comum, a porta é aterrada enquanto a entrada está conectada à fonte e a saída é retirada do dreno. Como a porta está conectada ao terra, a configuração possui baixa impedância de entrada, mas maior impedância na saída. A saída obtida está em fase com a entrada:
Configuração de drenagem comum
Em um dreno comum, a entrada é conectada ao portão enquanto a saída é conectada ao terminal da fonte. Esta configuração também oferece baixa impedância de entrada e maior impedância de saída, assim como a configuração de porta comum, mas o ganho de tensão é aproximadamente unitário aqui.
Esta configuração também corresponde à fonte comum onde a entrada está conectada ao portão, mas a configuração da fonte comum tem ganho menor que a unidade.
Aplicação – Configuração do Amplificador JFETs
Os JFETs podem funcionar como amplificadores Classe A quando o terminal do portão está conectado a uma rede divisora de tensão. Uma tensão externa é aplicada ao terminal da fonte, que é configurada principalmente para ser um quarto do VDD no circuito abaixo.
A tensão da fonte pode, portanto, ser expressa como:
Além disso, a tensão da fonte pode ser calculada através da expressão abaixo:
A corrente de dreno pode ser calculada a partir da configuração acima, conforme abaixo:
A tensão da porta pode ser obtida em função dos valores dos resistores R1 e R2 conforme fornecido abaixo.
Exemplo 1: Calculando V DD
Se você GS(desligado) =-8V, eu DSS =24mA para JFET na configuração abaixo, calcule V DD como mostrado na figura quando R D =400.
Desde
O valor acima deve ser o valor mínimo de VDS para o JFET operar na região de corrente constante, portanto:
Também,
Ao aplicar KVL no circuito de drenagem:
Exemplo 2: Determine o valor da corrente de drenagem
Determine o valor da corrente de dreno quando VGS=3V, VGS(Off)=-5V, IDSS=2mA para configuração JFET abaixo.
A expressão para a corrente de dreno é:
Conclusão
Os transistores de efeito de campo de junção são dispositivos semicondutores de três terminais que trabalham com comportamento das regiões de depleção em diferentes modos de operação. Eles não possuem junções PN, mas são feitos de canais de materiais semicondutores.