Tipos de transistores de efeito de campo (MOSFETs tipo depleção)

 MOSFET é o acrônimo de metal-oxide-semiconductor field effect transistor, isso porque nesse componente existe uma camada de óxido (isolante) separando os terminais, assim como outros transistores, essa categoria também subgrupos, vamos ver os dois tipos, mas por ter bastante coisa para dizer, vou falar de um tipo nesse artigo e do outro depois:

MOSFET tipo depleção

Esse tipo pode ser separado quanto ao tipo do material do canal

MOSFET tipo depleção de canal N

Para começar usa-se uma camada larga de material p para se fazer o substrato, o componente e construído sobre ele, e o substrato é eletricamente conectado à fonte, ou então a um terminal extra chamado de SS, geralmente pensamos em transistores como sendo sempre componentes de 3 terminais, mas esses podem possuir 4, e muitas vezes o terminal SS está conectado internamente à fonte, mantendo assim 3 terminais. A fonte e o dreno de material N são conectados aos terminais metálicos, e entre esses dois terminais à um canal de material n, mas a porta não se conecta a esse canal, eles estão separados por uma fina camada de óxido. Por causa dessa camada de isolante o MOSFET tem uma impedância de entrada muito alta, maior do que a impedância do JFET.

No simbolo do componente acima o pino SS, a seta, está conectado junto à fonte, o potencial SS-Fonte é 0V.

Quando é aplicada uma tensão elétrica na porta, essa tensão irá gerar um campo elétrico que irá atrair ou repelir os portadores, as lacunas, do substrato. Se a tensão porta-fonte for de 0V irá fluir uma corrente chamada de Idss, ela é a referência para estudar as variações, conforme a tensão na porta é mais negativa, -1V , -2V, o campo gerado irá empurrar os elétrons do canal N e atrair as lacunas do canal P, assim reduzindo a corrente que pode passar pelo canal, mas se for aplicada uma tensão positiva na porta, alguns poucos elétrons do substrato P serão atraídos e a corrente que passa irá aumentar, lembre-se que o substrato P possui lacunas como portadoras, por isso o número de elétrons que pode ser atraído é baixo, então esse aumento da corrente é pequeno, não podemos usar tensões positivas muito altas para aumentar ainda mais a corrente, no datasheet do componente diz qual deve ser a tensão aplicada e qual será o aumento de Idss.

 

MOSFET tipo depleção de canal P

 

Esse conjunto de componentes, tem a construção e funcionamento contrarios ao de canal N, em cima de um substrado de material N são conectados à terminais metálicos o dreno e a fonte, e a porta é separada de seu contato por um dielétrico:

  

E o canal irá se estreitar para tensões positivas na porta, mas pode sofrer um pequeno aumento, se for aplicada uma tensão negativa.

 

Para ambos os mosfets tipo depleção, os de canal N e canal P, a curva característica é semelhante à curva que vimos em Transistores de efeito de campo, e a equação de shockley é válida.

 

Tipos de transistores de efeito de campo (JFETs)

 Assim como os transistores TBJ podiam ser dos tipos NPN e PNP, e haviam diferenças de operações entre os dois, FETs também possuem 3 tipos de variações vamos ver uma agora, e as outras em artigos futuros:

Transistores de Junção de efeito de campo (JFETs)

Esses série de componentes tem esse nome porque eles são majoritariamente compostos por um tipo de material, com pastilhas do material oposto, esse material estou me referindo aos materiais p e n que já vimos em outros semicondutores, e dependendo de qual o material em maior quantidade essa grupo se divide ainda em dois:

•     JFET de canal N 

Esses são os componentes que usei no exemplo de Transistores de efeito de campo, mas para relembrar aqui está a construção e símbolo deles:

 

Como demonstrado anteriormente o estreitamento de canal deles ocorre para tensões negativas aplicadas à porta.

• JFET de canal P

A construção desses se dá de forma oposta aos de canal N:

 

Não apenas a construção dele é diferente, mas o seu funcionamento também é, o estreitamento de canal ocorre para tensões positivas aplicadas à porta.

Além do JFETs ainda existem duas categorias de FETs,  os MOSFETs e os MESFETs e embora existam semelhanças entre eles e os JFETs vou deixar para explica-los melhor em outro artigo.

Transistores de efeito de campo

 Já vimos os transistores do tipo bipolar, (veja aqui) que por meio de uma corrente em um terminal, eles controlam a corrente de outro, mas transistores de efeito de campo, possuem uma atuação completamente diferente, eles regulam a corrente que passa por eles, por meio da tensão, no seu terminal de controle, por utilizarem apenas o potencial, sem exigir passagem de corrente, esses dispositivos são amplamente utilizados em eletrônica digital, para a construção de CI´s, e para servirem como drivers.

A utilização dos transistores de efeito de campo é bastante similar, mas possuem algumas diferenças que devemos prestar atenção.

Veja abaixo como é a construção de um transistor de efeito de campo, do tipo junção (JFET) se canal N:

O controle desses dispositivos é feito quando se aplica uma certa tensão ao gate (G), em condição que não há tensão no gate a conexão dreno-fonte permite a passagem de corrente, limitada por uma resistência do canal N, essa região de operação é chamada de região de triodo, mas conforme a tensão porta-fonte (Vgs) se torna mais negativa, isso muda para outras variações do transistor, o campo elétrico gerado pelas pastilhas da porta, atraem os portadores do canal n e tornam mais difícil a passagem de corrente, até chegar a um ponto máximo em que teoricamente a corrente não pode mais fluir pelo canal dreno-fonte, essa é chamada de tensão de pinch-off ou estrangulamento do canal, mas na prática a corrente fica limitada a um valor fixo, fique atento à uma coisa os datasheets não possuem informação de Vpinch-off ou tensão de estrangulamento, isso é apenas uma forma mais fácil de se dizer e entender, nos datasheets a informação que aparace é Vgsoff.

Veja abaixo a curva característica, que demonstra as regiões de trabalho desse tipo de transistor:

                          

A região 1, é a região de triodo do transistor, e é a região de operação quando usamos amplificadores com FETs., e ela é utilizada com pequenos valores de dreno-fonte, por pequenos se refere a quando a tensão Vds é menor do que a tensão de estrangulamento (representada pela linha pontilhada, lembre que a tensão de estrangulamento deve ser aplicada na porta, mas o gráfico é a tensão de dreno-fonte, por isso a linha pontilhada é só uma representação).

A região 2 é onde o transistor opera em saturação, ou de chave fechada, quando o transistor conduz a sua corrente máxima.

A região 3 é de corte, o transistor opera como chave aberta e impede a passagem de corrente.

A região 4 é a ruptura do transistor, quando Vds passa do limite máximo do componente, o transistor queima e deixa de funcionar adequadamente.

Perceba também que para JFETs de canal N, o estreitamento do canal se dá para tensões menores do que 0V, aplicados à porta, mas qual o estreitamento? isso pode ser calculado com a equação de Shockley:

 

Nessa equação temos:

Id é a corrente do dreno, essa é a variável dependente;

Idss é a corrente de dreno máxima do transistor, é uma constante na equação;

Vgs é a tensão porta-fonte, a variável independente da equação;

Vp é a tensão de pinch-off, que é outra constante do componente;

Veja que essa equação não é linear como no caso dos transistores TBJ, em que havia apenas a corrente de base multiplicada por um beta, nessa temos um termo elevado ao quadrado.

Uma outra importante característica dos FETs são suas altas impedâncias de entrada, o que faz com que a corrente que flua para a porta tenda à 0, assim considera-se que a corrente da fonte é igual à corrente de dreno, também a tensão dreno-fonte desses transistores, em operação não é muito alta, esses componentes são geralmente usados para manipular cargas, que demandam maiores potências, enquanto os transistores TBJ são mais usados na manipulação de sinais.

Veremos outros componentes de atuação semelhante, mas com suas particularidades e suas simbologias depois.

Transistores em configuração Darlington

 Essa é uma forma de montagem de circuito que permite que seja obtido um componente equivalente com características que podem ser definidas pelo projetista, e não apenas pelos produtos encontrados no mercado.

A montagem dessa configuração é feita como:

 

E quais as vantagens de se usar essa montagem? Na configuração darlington a sensibilidade da configuração será definida pelo transistor Q1, e a potência pelo transistor Q2, dessa maneira podemos juntar as características desejadas de dois componentes diferentes, um pode ser um dispositivo para o trabalho de sinais, e outro para suportar potências mais altas. E o beta dessa ligação também é calculado de forma diferente:

Na configuração usada acima:

E quais as vantagens do uso dessa configuração? 

A configuração darlington pode ser usada nas aplicações onde antes havia um transistor simples, não importa o circuito externo, apenas a relação de transistores, mas usando essa montagem, as propriedades do dispositivo podem ser ajustadas para melhor atenderem aos requisitos de projeto.