Transistores Fet

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FACULDADE BRASILEIRA UNIVIX Transistores FET Juan Henrique Zanon Tayguara Rodrigo Henrique 15/05/2009 Tudo sobre os aspectos construtivos e tipos, interação entre as camadas dopadas e condutividade elétrica resultante e materiais utilizados na sua fabricação. Índice 1. Transistor FET ............................................................................................... 4 1.1. Aspectos construtivos e tipos...................................................................... 4 1.1.2 Aspectos construtivos e tipos (JFET).................................................. 5 1.1.3 Aspectos construtivos e tipos (MOSFET)............................................ 6 1.1.4 Aspectos construtivos e tipos (CMOS ou MOS Complementar).......... 7 2. Interação entre as camadas dopadas e condutividade elétrica.................. 7 2.1 Operação sem tensão de porta............................................................... 7 2.2 Aplicando um pequeno valor de Vds....................................................... 9 2.3 Operação com o aumento de Vds............................................................... 9 2.4 As características de corrente-tensão do MOSFET tipo enriquecimento.. 10 2.5 O Efeito da Temperatura........................................................................... 11 2.6 As características de corrente-tensão do MOSFET tipo Depleção............11 2.7 Amplificadores com MOSFET no Modo de Depleção.................................12 2.8 Operação física do transistor JFET........................................................... 13 3. Materiais Utilizados.......................................................................................15 1. Transistores FET FET é o acrônimo em inglês de Field Effect Transistor, Transistor de Efeito de Campo, que, como o próprio nome diz, funciona através do efeito de um campo elétrico na junção. Este tipo de transitor tem muitas aplicações na área de amplificadores (operando na area linear), em chaves (operando fora da area linear) ou em controle de corrente sobre uma carga. O FET pode ser dividido em duas categorias: JFETS e MOSFETS. Por sua vez, os MOSFETS se dividem em duas categorias: • MOSFET tipo Enriquecimento; • MOSFET tipo Depleção. Os termos depleção e intensificação definem o seu modo básico de operação, enquanto o nome MOSFET designa o transistor Metal Óxido semicondutor. Os FET’s semicondutores de óxido de metal (MOSFETs) são muito importantes para implementações de lógica digital. 1.1 Aspectos construtivos e tipos O transistor de efeito de campo (FET – Field effect transistor) é um dispositivo de três terminais. O nome efeito de campo deriva-se do fato de que a corrente no dispositivo é controlada pelo ajuste da tensão aplicada externamente. Os transistores MOSFET têm um ponto positivo sobre os transistores TBJ porque podem ser feitos com dimensões muito pequenas (isso e muito importante devido à evolução da tecnologia e tudo esta se reduzindo tamanhos pequenos isto seria um aspecto importante). Nos aspectos construtivos podemos destacar o silício (Si), embora o germânico (Ge) e o arseneto de gálio (GaAs) sejam também usados na produção de dispositivos semicondutores integrados, o silício é ainda o material mais popular e continuara sendo por algum tempo. O silício é um material abundante e ocorre normalmente na forma de areia. Ele pode ser refinado usando técnicas simples de purificação e crescimento de cristais. Ele também apresenta propriedades físicas adequadas para a fabricação de dispositivos ativos com boas características elétricas. Além disso, o silício pode ser facilmente oxidado para formar uma excelente camada isolante, (vidro). Esse óxido nativo é usado para fabricar capacitores e MOSFETs. Ele serve também como uma boa barreira de difusão contra impurezas indesejáveis, as quais se podem difundir para o silício com alto grau de pureza. 1.1.2 Aspectos construtivos e tipos (JFET) O primeiro FET desenvolvido foi o de junção, FET (Junction Field Efect Transistor). Há dois tipos: Canal N e Canal P. O transistor de efeito de campo de junção, ou JFET, é talvez o transistor mais simples de todos. Sua estrutura consiste numa barra de material semicondutor N (ou P), envolvida no centro com material P (ou N), a região N (ou P) esta parte, estreita, é chamado canal, por influir a corrente controlada. Note que em torno de um canal forma-se uma região de potencial na junção PN. Esta barreira restringe a área de condução de canal ao outro. A principal função que essa junção executa na operação desse FET que deu a origem a seu nome: transistor de efeito de campo de junção (JFET). 1.1.3 Aspectos construtivos e tipos (MOSFET) A figura abaixo mostra a estrutura física do MOSFET do tipo canal-n enriquecido. O transistor é fabricado sobre um substrato do tipo p, o qual é uma lamina de silício cristalino que serve de suporte físico para o dispositivo. No substrato, foram criadas duas regiões do tipo n fortemente dopadas, indicadas na figura acima como regiões n+, designadas por fonte (source) e dreno. Uma camada fina (tipicamente de 2-50 nm) de dióxido de silício (SiO2), que é um excelente isolante, foi desenvolvida na superfície do substrato, cobrindo a área entre as regiões da fonte e do dreno. Seguidamente, depositase metal por cima da camada de óxido para formar o eletrodo de porta do dispositivo. Finalmente, realizam-se contactos metálicos nas regiões da fonte, dreno e substrato, este último conhecido como corpo. Desta forma, foram criados quatro terminais: os terminais da porta (gate - G), o terminal da fonte (source - S), o terminal do dreno (D) e do substrato ou corpo (B). Um MOSFET de enriquecimento de canal p (transistor PMOS) é fabricado num substrato do tipo n com regiões p+ para o dreno e a source, e usa lacunas como portadores de carga. O dispositivo funciona da mesma maneira que o de canal n, exceto que Vgs e Vds são negativas e a tensão limiar Vt é negativa. A corrente Id entra pelo terminal da source e sai pelo terminal do dreno. De fato, pelo dispositivo NMOS pode ser menor, operar mais rápido e requerer uma fonte uma fonte de alimentação de menor valor de tensão do que o PMOS, a tecnologia NMOS substitui virtualmente a PMOS. Todavia, não se devem ignorar os PMOS por duas razões: os PMOS continuam a ser fabricados para circuitos discretos, e principalmente porque os circuitos CMOS (MOS complementar) que são atualmente a tecnologia dominante utilizam os dois tipos de transistores, NMOS e PMOS. 1.1.4 Aspectos construtivos e tipos (CMOS ou MOS Complementar) A tecnologia MOS complementar utiliza transistores MOS das duas polaridades. Atualmente, a tecnologia CMOS é a mais usada de todas as tecnologias de circuitos integrados MOS, quer no que respeita a circuitos analógicos, quer digitais. A figura acima tem uma secção transversal duma pastilha CMOS ilustrando como os transistores PMOS e NMOS são fabricados. Note-se que enquanto o transistor NMOS é implementado diretamente no substrato do tipo p, o transistor PMOS é fabricado numa região n especialmente criada, conhecida como um poço n. Os dois dispositivos são isolados um do outro por uma espessa região de óxido que funciona como um isolante. 2. Interação entre condutividade elétrica as camadas dopadas e 2.1 Operação sem tensão de porta Sem tensão aplicada de porta há dois diodos face a face em serie entre o dreno e a fonte. Um diodo é formado pela junção pn entre o substrato tipo p e a região n+ da fonte, e outro é formado pela junção pn entre o substrato tipo p e o dreno, impedindo a circulação de corrente entre o dreno e a fonte, quando aplicada uma tensão Vds devido à alta resistência existente. A tensão na positiva na porta faz com que lacunas livres em um primeiro instante sejam repelidas da região do substrato sobre a porta. Essas lacunas são repelidas para baixo no substrato deixando uma região depletada de portadores, repleta de ligações covalentes de cargas negativas associadas à aos átomos aceitadores. Além disso, a tensão aplicada na porta atrai elétrons da região n+ da fonte e do dreno para a região do canal., quando for acumulado um nº suficientes de elétrons próximo à superfície sob a porta uma região n é criada conectando a fonte e o dreno. Aplicando uma tensão entre o dreno e fonte uma corrente circulará por essa região n induzida onde ocorre o transporte de elétrons moveis, formando um canal para a corrente do dreno para a fonte. O valor de Vgs para o qual um numero suficiente de elétrons se acumulam na região do canal. Para formar um canal de condução é chamado de tensão liminar ( threshold) e é representado por Vt sendo positivo para um fet tipo n e seu valor é fixado na fabricação do dispositivo, dentro de uma faixa entre 1 e 3V. O MOSFET se comporta como um capacitor de placas paralelas com uma camada de oxido agindo como dielétrico, a tensão na porta faz acumular cargas positivas na parte de cima e as negativas na parte de baixo do capacitor, na parte de baixo a placa é formada pelos elétrons do canal induzido, agindo assim um campo elétrico na direção vertical. Esse campo que controla a quantidade de cargas no canal, logo ele determina a condutividade e quantidade que circulará pelo canal, quando aplicada uma tensão Vds. 2.2 Aplicando um pequeno valor de Vds Uma pequena tensão Vds fará com que circule uma corrente Id pelo canal n induzido, essa corrente surge devido o movendo de elétrons livres da fonte para o dreno. O valor de Id depende da densidade de elétrons no canal que por sua vez de pende do valor de tensão Vgs. Especificamente, para Vgs=Vt, o canal esta fracamente induzido, quando Vgs > Vt mais elétrons são atraídos para o canal, aumento o numero de portadores de carga e o aumento de profundidade, aumentando a condutância ou equivalentemente diminuindo a resistência do canal, logo Id será proporcional a Vgs – Vt e é claro da tensão Vds, com isso o canal ficará mais rico em elétrons, daí o nome de enriquecimento, com a corrente que deixa a fonte Is é igual à corrente que entra no dreno Id, e a corrente da porta Ig é zero. 2.3 Operação com o aumento de Vds O aumento da Vds faz com que o canal fique estreito e com isso aumentam as resistências, com isso a curva Id x Vds não será mais uma linha reta como na figura abaixo. Eventualmente quando aumentamos o Vds até uma valor que reduz a tensão entre a porta e canal no final do dreno, diminui a profundidade do canal e o dreno se aproxima de zero, estrangulando o canal (pinched-off). A corrente de dreno se satura o MOSFET inicia então sua operação na região saturada. 2.4 As características de corrente-tensão do MOSFET tipo enriquecimento É fabricado sobre o substrato tipo n com regiões p+ para o dreno e fonte e nesse caso as lacunas são os portadores de cargas, sua operação se dará do mesmo modo que o dispositivo canal n, exceto que as tensões Vgs , Vds e Vt são negativas, e a corrente Id entra pela fonte e sai pelo dreno. Quando Vgs for menor que Vt não há corrente e o dispositivo esta em corte, porém não é de tudo verdade pois nesse caso essa região é chamada de sublimiar, e a corrente de dreno tem uma relação exponencial com Vgs , embora na maioria das operações ele opere com Vgs > Vt é visto um aumento no numero de aplicações que fazem uso dessa operação. As curvas da figura 5.11 (b) nos indicam 3 regiões de operação: região de corte, região de triodo e a região de saturação, essa última se usa quando for opera como amplificador, para operar como chave usa-se a região de corte e de triodo. 2.5 O Efeito da Temperatura Tanto a Vt (tensão de limiar) quanto a Kn (parâmetro de transcondutância do processo), seu valor é determinado pela tecnologia de fabricação, são sensíveis a temperatura.O módulo de Vt diminui cerca de 2mv a CAD 1º C de aumento de temperatura, aumentando com isso a corrente de dreno, contudo devido à temperatura K sofre uma diminuição, então se observa que o efeito total do processo ocorre uma diminuição da corrente de dreno. 2.6 As características de corrente-tensão do MOSFET tipo Depleção. Ele é uma parte de material tipo n com um região p à direita e uma porta isolada à esquerda.Os elétrons livres podem fluir da fonte para p dreno através do material n.A região p é chamada substrato ou corpo.Os elétrons que fluem da fonte para o dreno têm de passar através do estreito canal entre a porta e a região p. Com uma tensão de porta negativa a tensão Vdd força os elétrons livres a fluir da fonte para o dreno.Como em um JFET a tensão de porta controla a largura do canal.Quanto mais negativa a tensão da porta, menor a corrente de dreno. Quando a tensão da porta é suficientemente negativa, a corrente de dreno é cortada.Portanto, o funcionamento de um MOSFET é similar ao JFET quando Vgs é negativa. Como a porta do MOSFET está eletricamente isolada do canal , podemos aplicar uma tensão positiva na porta, essa tensão positiva aumenta o número de elétrons livres que fluem através do canal.Quanto maior a tensão positiva, maior a condução da fonte para o dreno. A operação no modo depleção se dá quando Vgs está entre Vgs(off) e zero, quando Vgs maior que zero temos a operação no modo intensificação. 2.7 Amplificadores com MOSFET no Modo de Depleção. Um MOSFET no modo de depleção é o único porque pode operar com tensões na porta positiva ou negativa. Por isso, podemos estabelecer o ponto Q em Vgs = 0V, no meio da reta de carga. Quando o sinal de entrada é positivo, ele aumenta a Id acima de Idss. Quando o sinal de entrada é negativo, ele diminui Id abaixo de Idds. Pelo fato de não existir a junção pn a ser polarizada, a resistência de entrada do MOSFET permanece muito alta. A possibilidade de usar o valor zero para Vgs nos permite montar o circuito de polarização muito simples da figura abaixo. Pelo fato de Ig ser zero, Vgs = 0V, e Id = Idds . A tensão do dreno é: Pelo fato de o MOSFET-D ser um dispositivo normalmente em condução, é possível também usar a auto polarização adicionando-se um resistor de fonte. A operação fica semelhante à de um circuito JFET com auto polarização. Os amplificadores com MOSFETs-D tem um ganho de tensão relativamente baixo. Uma das principais vantagens deste dispositivo é sua resistência de entrada extremamente alta. Isso nos permite usar o dispositivo quando a carga para o circuito for um problema. Além disso, os MOSFETs têm a excelente propriedade de baixo ruído. Essa é a vantagem definitiva para qualquer estágio inicial de um sistema em que o sinal é fraco; é muito comum em muitos tidos de circuitos eletrônicos de comunicação. 2.8 Operação física do transistor JFET Considere um JFET canal n disposto como na figura abaixo. Com Vgs = 0, a aplicação de uma tensão Vds faz com que uma corrente circule do dreno para a fonte. Quando uma tensão negativa Vgs é aplicada, a região de depleção da junção porta-canal fica correspondentemente mais estreita; portanto, a resistência do canal aumenta e a corrente Id (para um dado valor de Vds) diminui. Pelo fato de Vds ser de pequeno valor, a largura do canal é quase uniforme. O JFET está operando simplesmente como uma resistência cujo valor é controlado por Vgs. Se continuarmos a aumentar Vgs no sentido negativo, será atingido um valor no qual a região de depleção ocupará todo o canal. Com esse valor de Vgs, o canal fica completamente depletado de portadores de carga (elétrons) e o canal, como resultado, desaparece. Esse valor de Vgs é, portanto, a tensão de limiar do dispositivo, Vt a qual é obviamente negativa para um JFET canal n. Para JFETs, a tensão de limiar costuma ser chamada de tensão de estrangulamento (pinch-off voltage) e é representada por Vp. (a) A estrutura básica do JFET canal n. Essa é uma estrutura simplificada utilizada para explicar a operação do dispositivo. (b) Símbolo do JFET canal n. (c) Símbolo do JFET canal p. Na figura abaixo, Vgs é mantida constante em um valor maior (isto é, menos negativo) do que Vp, e Vds é aumentada. Como Vds aparece como uma queda de tensão no sentido do comprimento do canal, a tensão aumenta à medida que nos movemos ao longo do canal da fonte para o dreno. Isso significa que a tensão de polarização reversa entre a porta e o canal varia nos diferentes pontos ao longo do canal e é maior no final do dreno. Portanto, o canal adquire uma forma estreitada e a característica Id-Vds se torna linear. Quando a polarização reversa no final do dreno, Vgd, cai abaixo da tensão de limiar Vp, o canal se estrangula no final do dreno e a corrente de dreno satura. O restante da descrição da operação do JFET segue aproximadamente a descrição dada para o MOSFET. A descrição anterior indica claramente que o JFET é do tipo depleção. Isso é verdadeiro com uma exceção muito importante: embora seja possível operar um MOSFET tipo depleção no modo de enriquecimento (aplicando-se simplesmente uma tensão Vgs positiva se o dispositivo for canal n), isso é impossível no caso do JFET. Se tentarmos aplicar uma tensão Vgs positiva, a junção porta-canal torna-se diretamente polarizada e a porta deixa de controlar o canal. Portanto, o valor máximo de Vgs está limitado em 0V, embora seja possível ir até um valor de 0,3V, visto que a junção permanece essencialmente em corte com essa pequena tensão direta. 3. Materiais Utilizados. Os materiais utilizados na fabricação do transístor são principalmente o Silício (Si), o Germânio (Ge), o Gálio (Ga) e alguns óxidos. Na natureza, o silício é um material isolante elétrico, devido à conformação das ligações eletrônicas de seus átomos, gerando uma rede eletrônica altamente estável. Atualmente, o transístor de germânio não é mais usado, tendo sido substituído pelo de silício, que possui características muito melhores. O silício é purificado e passa por um processo que forma uma estrutura cristalina em seus átomos. O material é cortado em finos discos, que a seguir vão para um processo chamado de dopagem, onde são introduzidas quantidades rigorosamente controladas de materiais selecionados (conhecidos como impurezas) que transformam a estrutura eletrônica, introduzindo-se entre as ligações dos átomos de silício, roubando ou doando elétrons dos átomos, gerando o silício P ou N, conforme ele seja positivo (tenha falta de elétrons) ou negativo (tenha excesso de elétrons). O transístor é montado justapondo-se uma camada P, uma N e outra P, criando-se um transístor do tipo PNP. O transístor do tipo NPN é obtido de modo similar. A camada do centro é denominada base, e as outras duas são o emissor e o coletor. No símbolo do componente, o emissor é indicado por uma seta, que aponta para dentro do transístor se o componente for PNP, ou para fora se for NPN. Devido ao calor produzido o transistor e outro componente são produzidos em diversos formatos (chamados invólucros ou encapsulamento), para sua instalação em dissipadores de calor. Os transistores usam os: SOT 37, SOT 3, TO 39, SOT 9, TO 3, SOT 18, SOT 32, SOT 82, SOT 93, entre outros. A maneira como o fabricante encapsulou o transistor nos fornece a identificação dos terminais. Devido ao calor produzido o transistor e outro componente são produzidos em diversos formatos (chamados invólucros ou encapsulamento), para sua instalação em dissipadores de calor. OS transistores usam os: SOT 37, SOT 3, TO 39, SOT 9, TO 3, SOT 18, SOT 32, SOT 82, SOT 93, entre outros. Tabelas de transistores: Apresentam as seguintes especificações: • Tipo: é o nome do transistor • Pol: polarização; N quer dizer NPN e P significa PNP. • VCEO: tensão entre coletor e emissor com a base aberta. • VCER: tensão entre coletor e emissor com resistor no emissor. • IC: corrente máxima do emissor. • PTOT: È a máxima potência que o transistor pode dissipar. • Hfe: ganho (beta). • Ft: freqüência máxima. • Encapsulamento: A maneira como o fabricante encapsulou o transistor nos fornece a identificação dos terminais.