Sobre JFETs, caracterize:
b) Região ativa
b) Região ativa
Passo 1
O que o enunciado pede: caracterizar a “região ativa” de um JFET (parte b).\n
Informações relevantes (variáveis e parâmetros que aparecem sempre nessa caracterização):\n
Informações relevantes (variáveis e parâmetros que aparecem sempre nessa caracterização):\n
-
: tensão porta-fonte (gate-to-source).\n -
: tensão dreno-fonte (drain-to-source).\n -
: corrente de dreno (drain current).\n -
: corrente de dreno com (corrente de saturação com porta à terra); é um parâmetro do dispositivo.\n -
(pinch-off, ou tensão de corte): tensão na qual o canal fica completamente “fechado” e . Para um JFET n-canal normalmente .\n
Não há outros dados numéricos no enunciado; a tarefa é dar as condições, a expressão da corrente e explicar fisicamente o que ocorre.
Passo 2
Imagem física e ideia intuitiva do que acontece ao aumentar
:\n
- O JFET tem um canal condutor entre dreno e fonte. A porta (gate) forma junções reversamente polarizadas que criam regiões de depleção que “estreitam” o canal conforme a polarização.\n
- Quando
é pequeno, o canal está aberto por toda a sua extensão e o dispositivo se comporta como um resistor dependente (região ôhmica). Nesse regime cresce quase linearmente com .\n - Ao aumentar
, a diferença de potencial ao longo do canal faz com que a largura da região de depleção aumente na extremidade do dreno. Em certo ponto a depleção na extremidade do dreno fecha o canal localmente — isso é chamado de “pinch-off”. A partir daí a corrente deixa de aumentar (significativamente) com e passa a ser controlada principalmente por : essa é a região ativa (ou de saturação) do JFET.
Passo 3
Definição e condição matemática de entrada na região ativa (pinch-off e saturação):\n
- Pinch-off no extremo do dreno ocorre quando a tensão local entre porta e canal naquele ponto atinge a tensão de corte
.\n - A condição usual, para um JFET n-canal, para que o dispositivo esteja na região ativa (região de saturação) é:
Expliquei: aqui
é a tensão de pinch-off (geralmente negativa para n-canal). Se
então a condição vira
(por exemplo, se
, o
de saturação é
). Essa desigualdade diz que o
é suficientemente grande para causar pinch-off na extremidade do dreno.
Passo 4
Expressão matemática da corrente na região ativa (equação de Shockley) e interpretação:\n
- Na região ativa o JFET segue a equação (Shockley):
- Explicação de cada símbolo:\n
-
é a corrente de dreno na condição de operação (região ativa);\n -
é a corrente quando e o JFET está em saturação (um parâmetro do componente);\n -
é a tensão porta-fonte aplicada;\n -
é a tensão de pinch-off (com sinal, tipicamente para n-canal). \n
-
- Interpretação: a forma quadrática mostra que
depende fortemente de . Diminuir (torná-lo mais negativo no n-canal) reduz até zerar quando .
Passo 5
Por que a corrente depende de
e quase não depende de
na região ativa:\n
- Depois do pinch-off, aumentar
apenas desloca a fronteira de pinch-off mais para a fonte, mas a corrente de portadores que atravessam a região de canal “pinched” é controlada pela intensidade de campo e pela injeção na parte não comprimida do canal — e isso é dominado por .\n - Portanto,
fica praticamente constante (saturado) para variações razoáveis de , o que faz do JFET um dispositivo com saída controlada por . Na prática existe uma pequena dependência com chamada “channel-length modulation” (parecido com efeito Early nos transistores bipolares), que faz crescer levemente com . Esse efeito é modelado por um fator e dá uma resistência de saída finita.
Passo 6
Pequenas variações e parâmetro útil: transcondutância
:\n
- A transcondutância é a sensibilidade da corrente de dreno à variação de
, definida por .\n - Derivando a equação de Shockley:
- Observação de sinal: para um JFET n-canal temos
, então a expressão acima resulta em (como esperado, um aumento de menos negativo aumenta ).\n - Em projeto, uma forma prática é avaliar
no ponto de polarização desejado para estimar ganho em amplificadores.
Passo 7
Exemplo numérico (para fixar a ideia):\n
- Suponha
e (valores típicos para exemplificar). Seja .\n - Primeiro calcule o
mínimo para estar em saturação:
Logo, para
estamos na região ativa.\n
- Agora calcule
pela fórmula:
- Interpretação: com
o JFET fornece na região ativa, desde que seja maior ou igual a .
Passo 8
Resumo prático e dicas para prova (coisas que caem com frequência):\n
- Lembre-se sempre das duas condições: (i) condição de saturação em termos de tensões (
) e (ii) equação de corrente ( ).\n - Explique rapidamente em palavras: na região ativa o canal está pinchado perto do dreno;
é controlada por e é aproximadamente independente de .\n - Se pedirem cálculos, plugue valores em
e e cheque a condição em antes de usar a equação de Shockley.\n - Não esqueça das convenções de sinal (para n-canal
). Se for p-canal, inverta os sinais nas condições.
Resposta
Condição de região ativa:
.\n
Corrente na região ativa (equação de Shockley):