Eletrônica Analógica: JFET (Junction Field Effect Transistor)

Construção

Considera-se uma barra de silício levemente e uniformemente dopada formando o elemento de tipo N (=substrato tipo N). Nesta barra, difundem-se duas regiões do tipo P de alta concentração de impurezas.

Assim cria-se um canal de silício tipo N entre duas do tipo P. Após a difusão das duas regiões P, deposita-se um película metálica nas extremidade da barra que servirão para contatos elétricos nos terminais do JFET chamados de Gate (gatilho, ou porta), Dreno e Fonte.

Simbologia

Existem dois tipos: Canal N e Canal P. Portanto, o transistor pode ser um dispositivo com canal n (condução por elétrons) ou com canal p (condução por lacunas). Tudo que for dito sobre o dispositivo com canal n se aplica ao com canal p com sinais opostos de tensão e corrente.

O princípio de funcionamento do JFET é bem simples. O objetivo é controlar a corrente I_D que flui de fonte para o dreno (para JFET de canal N). Este controle é feito aplicando-se uma tensão (negativa) na porta.

Sua estrutura consiste numa barra (substrato) de material semicondutor N (ou P), envolvida no centro com material P (ou N). A região N (ou P) é chamada de canal por influir na corrente controlada.

Pela figura nota-se que a maior parte da estrutura é composta do material do tipo n, formando o canal entre as camadas imersas de material do tipo p. A parte superior do canal do tipo n está conectado por contatos ôhmicos ao terminal denominado Dreno (D), enquanto que a parte inferior do mesmo material está conectada ao terminal denominado Fonte (S). Os dois materiais tipo p estão ligados entre si e ao terminal Porta (G).

Resumindo: o dreno e a fonte estão conectados aos extremos do canal n e a porta às duas camadas do material do tipo p. Portanto, deverá haver um fluxo de elétrons da Fonte (S) para o Dreno (D), onde este, por sua vez, será controlado pela Porta (G).

Polarização do JFET

A figura acima mostra a polarização convencional de um JFET com canal n.

Uma alimentação positiva V_DD é ligada entre o dreno e a fonte, estabelecendo um fluxo de elétrons livres (corrente) através do canal. Esta corrente também depende da largura do canal.

Uma ligação negativa V_GG é ligada entre os terminais Porta e a Fonte. Com isto a porta fica com polarização reversa, fluindo apenas uma corrente de fuga, portanto, há uma alta impedância entre a porta e a fonte. A polarização reversa cria camadas de depleção (barreira de potencial) em volta das regiões p e isto estreita o canal condutor (D-S). Quanto mais negativa a tensão V_GG, mais estreito torna-se o canal.

Quando a tensão no Gate for suficientemente negativa, as camadas de depleção se tocam e o canal condutor desaparece, portanto a corrente de Dreno é nula (está cortada). A tensão no Gate que produz o corte é representada por: V_GS(corte).

Temos as seguintes condições:

1) LARGURA DO CANAL: depende da tensão V_GG, isto é, quanto mais negativa, maior será a região de depleção e, portanto, mais estreito o canal.

2) TENSÃO DE CORTE: é a tensão suficiente para desaparecer o canal (VGScorte) também conhecida como Tensão de Deslocamento (pinch-off).

3) CORRENTE DE FUGA DA PORTA: como a junção da porta opera em polarização reversa, tem-se uma corrente baixa; desta forma, a CORRENTE DE DRENO é igual à CORRENTE DA FONTE (I_D). Esta é a causa da alta impedância de entrada dos JFET. Observação: Como a polarização reversa entre a porta e a fonte (VGS) não consome corrente e a largura do canal depende de VGS, o controle de ID é efetivamente feito pela tensão da porta.

Curva característica

Curva de transcondutância

A curva de transcondutância é o trecho de uma parábola e sua equação é:

Exercício

Escreva a equação da transcondutância para o JFET cuja característica é mostrada na figura. Determine a corrente de dreno quando V_GS = - 4V e quando V_GS = - 2V

Solução:

De equação de transcondutância:

V_GS = ‒ 4 (V)

V_GS = ‒ 2 (V)

Auto Polarização

A auto polarização consiste em usar a tensão através do resistor RS para produzir a tensão reversa entre Gate e Fonte. Se a corrente de dreno aumentar a tensão através de RS aumentará, isto aumenta a tensão reversa entre Gate e Fonte, o que faz o canal se estreitar e reduzir a corrente de dreno. Analogamente, se a corrente de dreno diminuir, a tensão reversa entre Gate e Fonte diminuirá e o canal torna-se mais largo, fazendo com que a corrente de Dreno aumente.

Como o Gate tem polarização reversa, a corrente de Gate é nula (somente existe corrente de fuga), portanto, VG = 0.

Exercício

Considere o circuito abaixo para os próximos exercícios (1 a 5).