IGFETs de esgotamento

Os transistores de efeito de campo de porta isolada são dispositivos unipolares como os JFETs:ou seja, a corrente controlada não precisa cruzar uma junção PN. Há uma junção PN dentro do transistor, mas seu único propósito é fornecer aquela região de depleção não condutora que é usada para restringir a corrente através do canal.

Símbolo esquemático e diagrama físico

Aqui está um diagrama de um IGFET de canal N do tipo "esgotamento":




Observe como os condutores de fonte e dreno se conectam a uma das extremidades do canal N e como o condutor de porta se conecta a uma placa de metal separada do canal por uma barreira isolante fina. Essa barreira às vezes é feita de dióxido de silício (o composto químico primário encontrado na areia), que é um isolante muito bom. Devido a esta construção Metal (porta) - Óxido (barreira) - Semicondutor (canal), o IGFET é algumas vezes referido como um MOSFET. No entanto, existem outros tipos de construção de IGFET e, portanto, “IGFET” é o melhor descritor para esta classe geral de transistores.

Observe também como há quatro conexões com o IGFET. Na prática, o condutor do substrato é conectado diretamente ao condutor da fonte para tornar os dois eletricamente comuns. Normalmente, essa conexão é feita internamente ao IGFET, eliminando a conexão de substrato separada, resultando em um dispositivo de três terminais com um símbolo esquemático ligeiramente diferente:




Com a fonte e o substrato comuns entre si, as camadas N e P do IGFET acabam sendo conectadas diretamente entre si por meio do fio externo. Esta conexão evita que qualquer tensão seja impressa na junção PN. Como resultado, existe uma região de depleção entre os dois materiais, mas ela nunca pode ser expandida ou colapsada. A operação JFET é baseada na expansão da região de esgotamento da junção PN, mas aqui no IGFET isso não pode acontecer, então a operação IGFET deve ser baseada em um efeito diferente.

Na verdade, é, pois quando uma tensão de controle é aplicada entre a porta e a fonte, a condutividade do canal é alterada como resultado da região de depleção se movendo para mais perto ou mais longe da porta. Em outras palavras, a largura efetiva do canal muda assim como com o JFET, mas essa mudança na largura do canal é devido ao deslocamento da região de depleção, em vez da expansão da região de depleção.

IGFET de canal N

Em um IGFET de canal N, uma tensão de controle aplicada positiva (+) à porta e negativa (-) à fonte tem o efeito de repelir a região de depleção da junção PN, expandindo o canal tipo N e aumentando a condutividade:




Reverter a polaridade da tensão de controle tem o efeito oposto, atraindo a região de depleção e estreitando o canal, consequentemente reduzindo a condutividade do canal:




A porta isolada permite o controle de tensões de qualquer polaridade sem o perigo de polarização direta de uma junção, como era o caso com JFETs. Este tipo de IGFET, embora seja chamado de "tipo de esgotamento", na verdade tem a capacidade de ter seu canal esgotado (canal reduzido) ou aprimorado (canal expandido). A polaridade da tensão de entrada determina de que forma o canal será influenciado.

Compreender qual polaridade tem qual efeito não é tão difícil quanto pode parecer. A chave é considerar o tipo de dopagem de semicondutor usado no canal (canal N ou canal P?) E, em seguida, relacionar esse tipo de dopagem ao lado da fonte de tensão de entrada conectada ao canal por meio do cabo de origem. Se o IGFET for um canal N e a tensão de entrada estiver conectada de modo que o lado positivo (+) esteja na porta, enquanto o lado negativo (-) está na fonte, o canal será aprimorado conforme elétrons extras se acumulam no lado do canal da barreira dielétrica. Pense, "negativo (-) se correlaciona com o tipo N, aumentando assim o canal com o tipo certo de portador de carga (elétrons) e tornando-o mais condutivo". Por outro lado, se a tensão de entrada estiver conectada a um IGFET de canal N de outra maneira, de modo que o negativo (-) se conecte ao portão enquanto o positivo (+) se conecta à fonte, os elétrons livres serão "roubados" do canal como o O capacitor do canal de porta carrega, esgotando assim o canal das portadoras de carga majoritária e tornando-o menos condutor.

IGFET de canal P

Para IGFETs de canal P, a polaridade da tensão de entrada e os efeitos do canal seguem a mesma regra. Ou seja, é necessária apenas a polaridade oposta como um IGFET de canal N para esgotar ou aumentar:







Ilustrando as polaridades de polarização adequadas com símbolos IGFET padrão:




Quando há tensão zero aplicada entre a porta e a fonte, o IGFET conduz corrente entre a fonte e o dreno, mas não tanta corrente quanto se fosse intensificado pela tensão de porta adequada. Isso coloca o IGFET do tipo depleção, ou simplesmente do tipo D, em uma categoria própria no mundo dos transistores. Os transistores de junção bipolar são dispositivos normalmente desligados:sem corrente de base, eles bloqueiam qualquer corrente de passar pelo coletor. Os transistores de efeito de campo de junção são dispositivos normalmente ligados:com tensão de porta para fonte aplicada zero, eles permitem a corrente de drenagem máxima (na verdade, você pode persuadir um JFET em correntes de drenagem maiores aplicando uma tensão de polarização direta muito pequena entre a porta e fonte, mas isso nunca deve ser feito na prática, devido ao risco de danificar sua frágil junção PN). Os IGFETs do tipo D, no entanto, são normalmente dispositivos pela metade:sem tensão porta-fonte, seu nível de condução está em algum lugar entre o corte e a saturação total. Além disso, eles irão tolerar tensões de porta-fonte aplicadas de qualquer polaridade, a junção PN sendo imune a danos devido à barreira de isolamento e especialmente a conexão direta entre a fonte e o substrato evitando qualquer diferencial de tensão através da junção.

Ironicamente, o comportamento de condução de um IGFET tipo D é surpreendentemente semelhante ao de um tubo de elétrons da variedade triodo / tetrodo / pentodo. Esses dispositivos eram reguladores de corrente controlados por tensão que da mesma forma permitiam corrente através deles com tensão de controle zero aplicada. Uma voltagem de controle de uma polaridade (grade negativa e cátodo positivo) diminuiria a condutividade através do tubo, enquanto uma voltagem da outra polaridade (grade positiva e cátodo negativo) aumentaria a condutividade. Acho curioso que um dos últimos projetos de transistor inventados exiba as mesmas propriedades básicas do primeiro dispositivo ativo (eletrônico).

Simulação SPICE de IGFET tipo D

Algumas análises SPICE irão demonstrar o comportamento regulador de corrente dos IGFETs tipo D. Primeiro, um teste com tensão de entrada zero (porta em curto com a fonte) e a fonte de alimentação varreu de 0 para 50 volts. O gráfico mostra a corrente de drenagem:



curva característica igfet do canal n m1 1 0 0 0 mod1 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto =-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i (vammeter).




Como esperado para qualquer transistor, a corrente controlada se mantém estável em um valor regulado em uma ampla gama de tensões de alimentação. Nesse caso, esse ponto regulado é 10 µA (1.000E-05 Amps). Agora vamos ver o que acontece quando aplicamos uma tensão negativa ao portão (com referência à fonte) e varremos a fonte de alimentação na mesma faixa de 0 a 50 volts:



curva característica igfet de canal n m1 1 3 0 0 mod1 vin 0 3 dc 0,5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto =-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i (vammeter).




Não surpreendentemente, a corrente de drenagem agora é regulada em um valor inferior de 2,5 µA (abaixo de 10 µA com tensão de entrada zero). Agora vamos aplicar uma tensão de entrada da outra polaridade, para melhorar o IGFET:



curva característica igfet do canal n m1 1 3 0 0 mod1 vin 3 0 dc 0,5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto =-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i (vammeter).




Com o transistor aprimorado pela pequena tensão de controle, a corrente de drenagem está agora em um valor aumentado de 22,5 µA (2,250E-05 Amps). Deve ficar claro a partir desses três conjuntos de valores de tensão e corrente que a relação entre a corrente de drenagem e a tensão da porta-fonte é não linear, assim como era com o JFET. Com 1/2 volt de tensão de esgotamento, a corrente de drenagem é 2,5 µA; com entrada de 0 volts a corrente de dreno vai até 10 µA; e com 1/2 volt de aumento de tensão, a corrente está em 22,5 µA. Para obter uma melhor compreensão dessa não linearidade, podemos usar o SPICE para traçar a corrente de drenagem ao longo de uma faixa de valores de tensão de entrada, variando de um valor negativo (esgotando) para um valor positivo (aumentando), mantendo a tensão de alimentação de V1 em um valor constante:

n-channel igfet m1 1 3 0 0 mod1 vin 3 0 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 dc 24 .model mod1 nmos vto =-1 .dc vin -1 1 0,1 .plot dc i (vammeter).




Assim como aconteceu com os JFETs, esta não linearidade inerente do IGFET tem o potencial de causar distorção em um circuito amplificador, já que o sinal de entrada não será reproduzido com 100 por cento de precisão na saída. Observe também que uma tensão de porta-fonte de cerca de 1 volt na direção de esgotamento é capaz de cortar o canal de modo que praticamente não haja corrente de drenagem. IGFETs tipo D, como JFETs, têm uma certa classificação de tensão de pinch-off. Esta classificação varia de acordo com a precisão única do transistor e pode não ser a mesma que em nossa simulação aqui.

Curva característica de IGFET

Traçando um conjunto de curvas características para o IGFET, vemos um padrão semelhante ao do JFET:



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