Transistores de efeito de campo de junção

O transistor de efeito de campo foi proposto por Julius Lilienfeld nas patentes dos Estados Unidos em 1926 e 1933 (1.900.018). Além disso, Shockley, Brattain e Bardeen estavam investigando o transistor de efeito de campo em 1947. Porém, as dificuldades extremas os desviaram para inventar o transistor bipolar. A teoria do transistor de efeito de campo de Shockley foi publicada em 1952. No entanto, a tecnologia de processamento de materiais não estava madura o suficiente até 1960, quando John Atalla produziu um dispositivo funcional.

Um transistor de efeito de campo (FET) é um unipolar dispositivo, conduzindo uma corrente usando apenas um tipo de portador de carga. Se baseado em uma placa de semicondutor do tipo N, os portadores são elétrons. Por outro lado, um dispositivo baseado no tipo P usa apenas orifícios.

Operação FET

No nível do circuito, a operação do transistor de efeito de campo é simples. Uma tensão aplicada ao portão , elemento de entrada, controla a resistência do canal , a região unipolar entre as regiões do portão. (Figura abaixo) Em um dispositivo de canal N, esta é uma placa de silício do tipo N levemente dopada com terminais nas extremidades. A fonte e drenar terminais são análogos ao emissor e coletor, respectivamente, de um BJT. Em um dispositivo de canal N, uma região pesada do tipo P em ambos os lados do centro da placa serve como um eletrodo de controle, o portão. O portão é análogo à base de um BJT.

“Limpeza é quase divina” se aplica à fabricação de transistores de efeito de campo. Embora seja possível fazer transistores bipolares fora de uma sala limpa , é uma necessidade para transistores de efeito de campo. Mesmo em tal ambiente, a fabricação é complicada por causa dos problemas de controle de contaminação. O transistor de efeito de campo unipolar é conceitualmente simples, mas difícil de fabricar. A maioria dos transistores hoje é uma variedade de semicondutor de óxido de metal (seção posterior) do transistor de efeito de campo contido em circuitos integrados. No entanto, dispositivos JFET discretos estão disponíveis.



Seção transversal do transistor de efeito de campo de junção.

Um transistor de efeito de campo de junção de canal N adequadamente polarizado (JFET) é mostrado na figura acima. A porta constitui uma junção de diodo com a fonte para drenar a placa semicondutora. A porta é polarizada reversa. Se uma tensão (ou um ohmímetro) fosse aplicada entre a fonte e o dreno, a barra tipo N conduziria em qualquer direção por causa do doping. Nem a polarização da porta nem da porta é necessária para a condução. Se uma junção de porta for formada conforme mostrado, a condução pode ser controlada pelo grau de polarização reversa.

A figura abaixo (a) mostra a região de depleção na junção do portão. Isso se deve à difusão de orifícios da região da porta do tipo P para o canal do tipo N, dando a separação de carga sobre a junção, com uma região de depleção não condutiva na junção. A região de depleção se estende mais profundamente no lado do canal devido ao doping pesado do portão e ao doping leve do canal.



JFET do canal N:(a) Depleção no diodo da porta. (b) O diodo de porta com polarização reversa aumenta a região de depleção. (c) O aumento da polarização reversa aumenta a região de depleção. (d) Aumentar a polarização reversa pressiona o canal S-D.

A espessura da região de depleção pode ser aumentada Figura acima (b) aplicando polarização reversa moderada. Isso aumenta a resistência da fonte ao canal de drenagem, estreitando o canal. Aumentar a polarização reversa em (c) aumenta a região de depleção, diminui a largura do canal e aumenta a resistência do canal. Aumentar o VGS de polarização reversa em (d) irá beliscar o canal atual. A resistência do canal será muito alta. Este VGS no qual ocorre o pinch-off é VP, a tensão do pinch-off. Normalmente é alguns volts. Em suma, a resistência do canal pode ser controlada pelo grau de polarização reversa no gate.

A fonte e o dreno são intercambiáveis, e a fonte para drenar a corrente pode fluir em qualquer direção para tensão de bateria de baixo nível de drenagem (<0,6 V). Ou seja, a bateria consumida pode ser substituída por uma fonte de CA de baixa tensão. Para uma tensão de alimentação de alta drenagem, de 10 volts para dispositivos de sinal pequeno, a polaridade deve ser conforme indicado na Figura abaixo (a). Esta fonte de alimentação do dreno, não mostrada nas figuras anteriores, distorce a região de depleção, ampliando-a no lado do dreno da comporta. Esta é uma representação mais correta para tensões de alimentação de dreno CC comuns, de alguns a dezenas de volts. Conforme a tensão de dreno VDS aumenta, a região de depleção da porta se expande em direção ao dreno. Isso aumenta o comprimento do canal estreito, aumentando um pouco sua resistência. Dizemos "um pouco" porque grandes mudanças de resistência são devidas à alteração da polarização da porta. A figura abaixo (b) mostra o símbolo esquemático para um transistor de efeito de campo de canal N em comparação com a seção transversal de silício em (a). A seta da porta aponta na mesma direção de um diodo de junção.

A seta “apontando” e a barra “não apontada” correspondem aos semicondutores do tipo P e N, respectivamente.



Fluxo de corrente JFET do canal N do dreno para a fonte em (a) seção transversal, (b) símbolo esquemático.

A figura acima mostra um grande fluxo de corrente do terminal (+) da bateria para o dreno do FET, saindo da fonte, retornando ao terminal (-) da bateria. Este fluxo de corrente pode ser controlado variando a tensão da porta. Uma carga em série com a bateria vê uma versão amplificada da tensão de porta variável.

Transistores de efeito de campo do canal P também estão disponíveis. O canal é feito de material tipo P. O portão é uma região do tipo N fortemente dopada. Todas as fontes de tensão são invertidas no circuito do canal P (Figura abaixo) em comparação com o dispositivo de canal N mais popular. Observe também que a seta aponta para fora do portão do símbolo esquemático (b) do transistor de efeito de campo do canal P.



JFET do canal P:(a) Porta do tipo N, canal do tipo P, fontes de tensão invertida em comparação com o dispositivo do canal N. (b) Observe a seta da porta invertida e as fontes de tensão no esquema.

Conforme a tensão de polarização da porta positiva é aumentada, a resistência do canal P aumenta, diminuindo o fluxo de corrente no circuito de drenagem.

Dispositivos discretos são fabricados com a seção transversal mostrada na Figura abaixo. A seção transversal, orientada de forma que corresponda ao símbolo esquemático, está de cabeça para baixo em relação a uma pastilha semicondutora. Ou seja, as conexões do gate estão no topo do wafer. O portão é fortemente dopado, P +, para difundir orifícios bem no canal para uma grande região de depleção. As conexões de fonte e dreno neste dispositivo de canal N são fortemente dopadas, N + para diminuir a resistência da conexão. No entanto, o canal ao redor do portão é levemente dopado para permitir que os orifícios do portão se difundam profundamente no canal. Essa é a região N.



Transistor de efeito de campo de junção:(a) Seção transversal do dispositivo discreto, (b) símbolo esquemático, (c) seção transversal do dispositivo de circuito integrado.

Todos os três terminais FET estão disponíveis na parte superior da matriz para a versão de circuito integrado para que uma camada de metalização (não mostrada) possa interconectar vários componentes. (Figura acima (c)) FETs de circuito integrado são usados ​​em circuitos analógicos para a resistência de entrada de porta alta. A região do canal N sob a porta deve ser muito fina para que a região intrínseca da porta possa controlar e isolar o canal. Assim, as regiões de porta em ambos os lados do canal não são necessárias.

SENTAR

Transistor de efeito de campo de junção (tipo de indução estática):(a) Seção transversal, (b) símbolo esquemático.

O transistor de efeito de campo de indução estática (SIT) é um dispositivo de canal curto com uma porta enterrada. (Figura acima) É um dispositivo de alimentação, ao contrário de um pequeno dispositivo de sinal. A baixa resistência da porta e a baixa capacitância da porta para a fonte proporcionam um dispositivo de comutação rápido. O SIT é capaz de centenas de amperes e milhares de volts. E, é dito ser capaz de uma frequência incrível de 10 gHz.



Transistor de efeito de campo semicondutor de metal (MESFET):(a) símbolo esquemático, (b) seção transversal.

MESFET

O Transistor de efeito de campo semicondutor de metal (MESFET) é semelhante a um JFET, exceto que a porta é um diodo Schottky em vez de um diodo de junção. Um diodo Schottky é um contato retificador de metal com um semicondutor em comparação com um contato ôhmico mais comum. Na figura acima, a fonte e o dreno estão fortemente dopados (N +). O canal está levemente dopado (N-). MESFETs são mais rápidos do que JFETs. O MESFET é um dispositivo em modo de esgotamento, normalmente ligado, como um JFET. Eles são usados ​​como amplificadores de potência de microondas para 30 gHz. Os MESFETs podem ser fabricados a partir de silício, arseneto de gálio, fosfeto de índio, carboneto de silício e o alótropo de diamante de carbono.

REVER:

• O transistor de efeito de campo de junção unipolar (FET ou JFET) é assim chamado porque a condução no canal é devida a um tipo de portadora
• A fonte JFET, porta e dreno correspondem ao emissor, base e coletor do BJT, respectivamente.
• A aplicação de polarização reversa à porta varia a resistência do canal ao expandir a região de depleção do diodo da porta.

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de transistores de efeito de campo de junção (JFET)