Comparando JFETs, MOSFETs e HFETs

Um transistor é um dispositivo que controla a corrente que flui para o canal de uma aplicação de sinal elétrico de baixa potência. Eles são classificados de duas maneiras:

1. Transistores de junção bipolar (BJTs). Um dispositivo controlado por corrente, uma vez que uma pequena quantidade de corrente é usada para controlar seu fluxo em um canal.

2. Transistores de efeito de campo (FETs). Um dispositivo controlado por tensão porque uma pequena tensão é usada para controlar a corrente que flui em um canal.

Este artigo concentra-se nos vários tipos de FETs e inclui um gráfico de comparação.

Transistor de efeito de campo de junção (JFET)
Em um JFET, uma fina camada de material semicondutor resistivo do tipo N ou P forma um canal. Normalmente, é usado silício do tipo N ou P, o que permite que a maioria dos portadores fluam através de duas conexões elétricas ôhmicas (chamadas de “dreno” e “fonte”) formadas em cada extremidade do canal. A o terceiro contato ôhmico (a “porta”) também é formado.

Diagrama mostrando várias camadas de JFET

As várias camadas de um JFET.

Uma tensão aplicada ao portão controla a corrente que flui através do canal. Quando uma tensão dreno-fonte faz com que a corrente de dreno flua para o canal resistivo, a corrente é distribuída igualmente por todas as partes.

No entanto, devido à sua natureza resistiva, forma-se um pequeno gradiente que diminui de magnitude à medida que o fluxo se move do dreno para o terminal da fonte. Isto resulta em uma junção PN com uma polarização reversa maior no terminal de dreno e uma polarização reversa menor no terminal da fonte.

Essa tendência forma uma camada de esgotamento dentro do canal. Sua largura aumenta com o viés.

FETs são classificados como:

1. JFET de canal N – impurezas dopantes que formam uma corrente de fluxo negativa na forma de elétrons.

2. JFET do canal P impurezas aceitadoras que formam uma corrente de fluxo positiva na forma de buracos.

Os JFETs do canal N são preferidos aos JFETs do canal P porque os elétrons oferecem mais condução do que os buracos.

Formulários

  • Como um amplificador de baixo ruído e alta impedância.
  • Como um amplificador buffer com alta impedância de entrada e baixa impedância de saída.
  • Como amplificadores de RF na seção receptora da unidade de comunicação (porque um JFET é ideal em operações de sinal de baixa corrente).
  • Como multiplexadores analógicos, que podem ser feitos usando JFETs.

Transistor de efeito de campo semicondutor de óxido metálico (MOSFET)
Um MOSFET é um dispositivo de três terminais com um eletrodo de porta que é um semicondutor de óxido metálico, isolado eletricamente do canal de transporte de corrente por uma fina camada de dióxido de silício (chamada “vidro”).

O isolamento do eletrodo da porta torna a resistência de entrada extremamente alta – da ordem de alguns mega-ohms. Como resultado, os MOSFETs são facilmente danificados por um elevado acúmulo de cargas estáticas.

Figura explicando a construção do MOSFET

O Cconstrução de um MOSFET.

O terminal gate utiliza um campo elétrico para alterar o fluxo de portadores no canal. O eletrodo da porta é colocado no topo de um material isolante fino com um par de regiões N abaixo dos terminais do dreno e da fonte.

Conforme mencionado, um JFET é polarizado e normalmente polariza reversamente a junção PN, mas tais condições não existem em um MOSFET. No entanto, eles podem ser influenciados por uma polaridade positiva ou negativa. Além de classificar um MOSFET como tipo N e P, existem dois tipos adicionais disponíveis.

1. Tipo de esgotamento MOSFET o transistor pode ligar sem aplicar a polarização da porta, o que é equivalente a um “normalmente fechado trocar.”

2. Tipo de aprimoramento MOSFET o transistor pode ligar com a aplicação de polarização de porta, o que é equivalente a um “normalmente abrir trocar.”

Formulários:

  • Milhões de MOSFETs são integrados a CIs digitais, como microprocessadores e dispositivos de memória, para implementação de portas lógicas e armazenamento de dados.
  • Usado como fonte de alimentação comutada e inversores de frequência variável.
  • Usado como amplificador de sinal analógico e potência em amplificadores de RF até UHF.
  • Usado como osciladores e mixers para converter frequências em sistemas de rádio.

Transistor de efeito de campo de heterojunção (HFET)
Os transistores de efeito de campo usados ​​para aplicações de alta velocidade – como telefones celulares – são transistores de alta mobilidade eletrônica (HEMT) ou transistores de efeito de campo de heterojunção (HFET).

Esses transistores incorporam materiais com diferentes bandgaps. O canal é feito de dois materiais diferentes (em contraste com a dopagem usada nos MOSFETs), tornando-o ideal para aplicações de alta velocidade.

Diagrama mostrando a construção do HFET usado para aplicações de alta velocidade

Construção de um HFET utilizado para aplicações de alta velocidade.

Uma variedade de combinações de materiais pode ser usada dependendo das demandas da aplicação. O nitreto de gálio (GaN) e o nitreto de alumínio e gálio (AlGaAs) são agora os materiais mais comuns. Antes considerado como tendo desempenho de alta potência, o índio foi substituído pelo GaN, que possui respostas de alta frequência.

Ao contrário de outros FETs, os HFETs operam de forma diferente. Para uma condução eficaz, os semicondutores são dopados com materiais que fornecem uma quantidade suficiente de elétrons e buracos móveis. Porém, esses elétrons perdem toda a sua energia durante as colisões e não contribuem muito para a condução. Este não é o caso dos HFETs.

Como os HFETs usam dois materiais – AlGaN (com um bandgap largo altamente dopado) e GaN (um bandgap estreito não dopado) – alta mobilidade de elétrons é alcançada quando os elétrons de uma fina camada de AlGaN do tipo N caem livremente no GaN, formando um camada de AlGaN esgotada.

Esses elétrons “caintes” movem-se então livremente na banda de condução de Gan sem escapar ou colidir com impurezas. Isso ocorre porque o GaN não é dopado e tem maior afinidade. Os elétrons formam uma camada condutora muito fina e com maior concentração, conferindo ao canal baixa resistividade e alta mobilidade eletrônica. Esta camada é chamada de gás de elétrons 2D.

HFETs são:

1. pHEMT (HEMT pseudomórfico) usa materiais de heterojunção com diferentes constantes de rede.

2. mHEMT (HEMT metamórfico) tem uma camada tampão entre os dois materiais de heterojunção.

Formulários:

  • Como amplificadores de baixo ruído e pequenos sinais, amplificadores de potência, osciladores e mixers.
  • Como aplicações de projeto de RF quando incorporadas em circuitos integrados monolíticos.
  • Como sistemas de guerra eletrônica, como radar e radioastronomia.

Comparando JFETs, MOSFETs e HFETs

JFET

MOSFET

HFET

Material usado

Principalmente silício

Principalmente silício

III-V e Si, SiGe

Impedância de entrada

Alto

Muito alto

Alto

Terminal de portão

Junção PN

Portão isolado

Portão Schottky

Corrente do portão

Corrente de fuga

Sem corrente de portão

Corrente de porta pequena

Canal

Canal de esgotamento

Canal de inversão

Canal de acumulação

Tipos

Canais N e P Canais N e P

Principalmente HFET tipo N

Canal JFET

Canal MOSFET

Nó substrato

Enviesado

Enviesado

Não polarizado (conectado ao solo)

Não existe tal modo

Modo de operação Modo de esgotamento Modos de esgotamento e aprimoramento

Formulários

Multiplexadores analógicos,
amplificadores de buffer

SMPS, microprocessadores

Amplificadores de baixo ruído, design RF

Sistemas Amplificadores de RF Dispositivos de memória Guerra eletrônica

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