diapositiva 1 además de los transistores de unión bipolares (bjt

Diapositiva 1

corriente e- del emisor al colector controlada por la corriente inyectada en la base

BJT dispositivo de 3 terminales

impedancia de entrada muy alta en la base

FET dispositivo de 3 terminales corriente e- de canal desde la fuente al drenador controlada por el campo eléctrico generado por la puerta

emisor

colector

base

fuente

drenador

puerta

Transistores de efecto de campo (npn)

16.071 Transkstores de efecto de campo

Además de los transistores de unión bipolares (BJT) que hemos analizado hasta ahora, existen otros tipos de transistores. Un tipo de transistores de 3 terminales son los dispositivos de efecto de campo. En ellos, el parámetro de control es el campo eléctrico que atraviesa la unión, en contraposición a la corriente del BJT. Dado que un campo eléctrico se asocia a una tensión, la gran ventaja de los dispositivos de efecto de campo reside en la ausencia de necesidad de que exista una corriente en el elemento de control (la puerta). El resultado es una impedancia muy elevada y una corriente de fuga realmente pequeña. El dispositivo más sencillo de analizar es el transistor de unión de efecto de campo (JFET) que trataremos en primer lugar de forma detallada. El metal-óxido-semiconductor FET (MOSFET) desempeña un papel realmente importante en las implementaciones de lógica digital.

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6.071 Transistores de efecto de campo 2

Tipos de FET

• Además del tipo portador (canal N o P), existen diferencias en la construcción del elemento de control (unión o aislante) y ambos dispositivos deben utilizarse de forma distinta

FET de unión de agotamiento (JFET) npn

pnp

npn

pnpFET de metal-óxido-semiconductor

(MOSFET) - agotamiento / enriquecimiento

- enriquecimiento

(los FET de puerta aislada (IGFET), son de funcionamiento equivalente a los MOSFET)

Al igual que ocurría con los BJT, existen dos tipos de transistores: npn y pnp. La diferencia reside en el portador mayoritario (electrones o huecos).

Dado que los FET están controlados por variaciones del campo eléctrico en la unión, es posible construir un condensador en el elemento de control y, de esta forma, reducir aún más la corriente de fuga. La estructura metal-óxido-semiconductor de un MOSFET a genera el condensador en la entrada del elemento de control (la puerta).

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Funcionamiento básico de un FET (1)

El ejemplo más sencillo de un JFET es el silicio dopado N.

Nfuente drenador

fuente: terminal por el que entra la corriente portadora (portadores e- de tipo n)

En este estado, el dispositivo se comporta simplemente como una resistencia. Por ello, la corriente circula a través del canal en proporción a la tensión de la fuente / drenador.

Comenzaremos describiendo el funcionamiento y el control de un JFET. Básicamente, la acción de un JFET podría entenderse teniendo en cuenta un canal de conducción formado por silicio dopado n y dos terminales, uno en cada extremo. El dispositivo se convierte en una resistencia cuyo valor viene dado por el nivel de dopaje. Los tres terminales del JFET reciben el nombre de fuente, drenador y puerta. La fuente equivaldría al emisor del BJT y es el portador mayoritario. Así, en un material de tipo n, los portadores son electrones y la fuente es, por tanto, la fuente de los electrones. El drenador equivaldría al colector del BJT y, por tanto, la corriente portadora mayoritaria circula desde la fuente al drenador. De nuevo, el material de los portadores está formado por electrones y la corriente convencional circula en dirección contraria.

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Se añade una estructura de puerta para formar un canal.

N

P

puerta

fuente drenador

puerta

En realidad, las dos regiones de la puerta están conectadas entre sí para definir el canal por el que circula la corriente portadora. El control de la corriente del FET (la resistencia) se obtiene modificando el tamaño de las zonas de agotamiento que rodean a las puertas.

Las puertas son dos regiones de material de tipo p que se establecen para la conducción desde la fuente al drenador. Las dos regiones de la puerta casi siempre están conectadas entre sí para que el usuario sólo vea una conexión entre ellas. Observe que el dispositivo que se muestra arriba es un JFET npn, ya que la fuente es de tipo n, la puerta de tipo p y el drenador de tipo n. Si no se analiza desde la perspectiva de puerta-canal-puerta, estaríamos ante una unión pnp.

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Funcionamiento básico de un FET (3) Al igual que ocurre en cualquier unión PN, la puerta está rodeada por una zona de agotamiento.

N

P

puerta

fuente drenador

puerta

zona de agotamiento

zona de agotamiento

La zona de agotamiento reduce el tamaño eficaz del canal dopado N y, con ello, aumenta la resistencia aparente de dicho canal. Al modular el potencial entre el drenador y la puerta, el campo eléctrico de la zona de agotamiento entre la puerta y el drenador varía y también lo hace la zona de agotamiento.

Como ocurre con cualquier unión pn, existe una zona de agotamiento que rodea la puerta.Evidentemente, esta zona reduce el área de la sección cruzada del canal de tipo n disponible para la conducción de electrones. La acción del JFET se controla variando el potencial entre la puerta y el drenador, con lo que también cambia el tamaño de la zona de agotamiento.

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N

Pzona de agotamiento

VDS

En este caso, la tensión del drenador a la fuente, VDS, equivale a la tensión entre la puerta y el drenador. Cuando VDS aumenta, las zonas de vaciamiento se aproximan y la resistencia de la fuente aumenta.

Un sencillo ejemplo sería conectar a tierra el voltaje de la puerta a la fuente para que el voltaje de drenador a la puerta sea igual que el voltaje del drenador a la fuente. Al aumentar el voltaje entre el drenador y la puerta, la zona de vaciamiento aumenta y la conducción del canal disminuye. En el caso de voltajes pequeños, la resistencia aumenta con el voltaje y recibe el nombre de zona óhmica. Por encima del voltaje de estrangulamiento, el canal entra en saturación y la resistencia se vuelve constante. El voltaje de estrangulamiento podría describirse como el voltaje en el que coinciden las zonas de vaciamiento de las dos puertas.

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Caracterizaremos el dispositivo por su resistencia eficaz de unión. Por supuesto, en este momento la medición típica para caracterizar un transistor se basa en medir la corriente de drenador como una función del voltaje de drenador-fuente para un conjunto de corrientes (o voltajes) aplicados a la puerta. Recuerde que así es exactamente como se llevan a cabo las comprobaciones en el BJT. Una vez medida la corriente de drenador como función del voltaje de drenador-fuente, ya contamos con la información necesaria para calcular el valor eficaz de la resistencia CC para este punto de funcionamiento.

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A la izquierdapuerta en una La zona entre plana represenruptura en la qrompen al funfuncionar en eEl gráfico de lresistencia aumEs importantedrenador-fuenen breve, en esPor ello, si quedefecto un disbuscamos es cdispositivo en

se muestra la característica de la corriente de drenador / voltaje drenador-puerta conectada a tierra. cero y el voltaje de estrangulamiento representa la zona óhmica, la curva ta la zona de saturación y, a voltajes elevados, se produce una región de ue la conducción en el canal aumenta rápidamente. Muchos dispositivos se cionar en esta zona de ruptura, aunque existen dispositivos diseñados para sta zona de avalancha, como es el caso de los diodos zener. a derecha muestra la resistencia correspondiente. En la zona óhmica, la enta de forma lenta y en la zona de saturación, lo hace con mayor rapidez.

señalar que la corriente de drenador del JFET es independiente del voltaje te de la zona de saturación. Como tendremos la oportunidad de comprobar ta zona la corriente es muy sensible al potencial drenador-puerta. remos controlar el dispositivo a través de la puerta, deberemos diseñar por

positivo que funcione en la zona de saturación. Sin embargo, si lo que ontrolar el dispositivo mediante el voltaje de drenador, situaremos el la zona óhmica.

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Control de la puerta del FET • El tamaño de la zona de vaciamiento puede aumentarse mediante la polarización de la unión PN en la puerta. Así, la puerta controlará la ID y, como la puerta estará polarizada, fundamentalmente no habrá corriente de puerta.

VGS=0 -1V

-2V

VDS

ID

VP

VDS

-VGS

IB

N

P

N PVGS VGS =

Aquí se muestra la variación de la curva IV como función del voltaje de la puerta. Recuerde que en el estrangulamiento las zonas de vaciamiento de las dos puertas coinciden y, como cambia el voltaje de la puerta, el punto de funcionamiento se desplaza. Lo más frecuente es invertir la puerta (como se indica en el circuito) para aumentar el campo en la unión PN y, en consecuencia, aumentar el tamaño de la zona para un voltaje drenador-fuente constante. Observe que la puerta se polariza.

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El diseño de los circuitos FET suele funcionar con ecuaciones relativamente sencillas para la corriente de drenador, en términos de parámetros de dispositivo y de condiciones de funcionamiento. Evidentemente, éstos dependen de si el punto de funcionamiento se encuentra en la zona óhmica o en la de saturación. Dado que el rendimiento del dispositivo no debe depender fundamentalmente de los parámetros del circuito, se suelen adoptar una serie de atajos y al final el circuito se evalúa con un paquete de simulación (como un Spice). Ayuda en gran medida a poder simplificar el diseño a sus partes funcionales y, entonces, ver claramente cómo debería funcionar. Esto, por supuesto, requiere práctica y en este curso le guiaremos en el proceso.

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Una característica importante, aunque algo difícil de entender, de un dispositivo de tres parámetros es la transconductancia, gm. Recuerde que estamos diseñando el FET como una resistencia de voltaje controlado, por lo que la corriente de drenador es una función del voltaje entre la puerta y la fuente. Evidentemente, esto se aprecia en las representaciones IV del FET en la zona de saturación. La transconductancia es la tasa de cambio de la corriente de drenador con un cambio en el voltaje a tensión constante drenador-fuente. Las unidades de la transconductancia es la inversa del ohmio (mhos). Por norma general, las fichas técnicas incluyen las dos transconductancias para una puerta en cortocircuito. A menudo, en el análisis de los circuitos FET, las propiedades del circuito pueden simplificarse a una función de la transconductancia.

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Aquí planteamos un ejemplo sencillo de una fuente con corriente derivada JFET. La puerta se ha cortocircuitado a tierra) (observe que no está cortocircuitada a la fuente). La resistencia de la fuente introduce un voltaje de fuente y, con ello, se produce un voltaje puerta-fuente negativo. Debemos encontrar la corriente de drenador como una función de la resistencia de la fuente. El voltaje de drenador es lo suficientemente grande para que podamos asumir que el dispositivo trabaja en la zona de saturación. Así, podemos detectar inmediatamente la corriente de drenador como una función del voltaje de puerta-fuente. El voltaje de puerta-fuente es exactamente menos el voltaje de fuente y éste es la caída de voltaje de la corriente de drenador que atraviesa la resistencia de la fuente.

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Igualamos ambas ecuaciones y obtenemos la ecuación de segundo grado para la corriente de drenador. Como el FET se apaga a -4V, la solución -8V no es posible y optamos por la solución -2V, de la que se desprende una corriente de 2 mA. A partir de este dato podemos calcular también la resistencia drenador-fuente del dispositivo y la caída del voltaje en el FET.

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Un segundo ejemplo de una aplicación del FET es una resistencia controlada por tensión. En este caso nos fijamos en la variación de la caída del voltaje en el FET para controlar el brillo de una lámpara (el brillo es una función no lineal de la corriente que atraviesa la lámpara). Cuando la puerta se cortocircuita con la fuente, la corriente aumenta y la lámpara se enciende. Si la puerta se polariza en negativo, la corriente de drenador disminuye y la lámpara se atenúa. El proceso continúa hasta que se apaga. Es posible combinar este circuito con el anterior para crear un potenciómetro de luz que se accione mediante una resistencia variable, pero normalmente lo apropiado es diseñar un dispositivo controlado por tensión.

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El seguidor de fuente JFET es funcionalmente similar al seguidor de emisor BJT. Asimismo, no proporciona ganancia de voltaje, pero sí modifica la impedancia, creando ganancia de corriente (y de potencia). Seguimos utilizando buenas prácticas de diseño, por lo que al pensar en el seguidor de fuente como una fuente de voltaje, conseguimos que la resistencia de fuente sea mucho menor que la de carga y, así, podemos obviar la carga en nuestro análisis. La caída de voltaje en la resistencia de fuente es, por lo tanto, la resistencia de fuente es una potencia de la corriente de drenador. Podemos relacionar la corriente de drenador con el voltaje puerta-fuente mediante la transconductancia. Y también comprobamos que el voltaje de fuente coincide con el de salida. Observe que la transconductancia típica corresponde a una resistencia más pequeña (aproximadamente de 200 ohmios) que la resistencia de fuente y, por lo tanto, la ganancia se aproxima a 1.

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Configuración típica del amplificador del seguidor de fuente. Simplificando mucho, los condensadores sirven para eliminar la corriente continua, la resistencia de puerta para polarizar y la resistencia de carga puede obviarse debido a la resistencia de fuente. Por lo tanto, podemos observar la misma ganancia.

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La configuración típica de fuente es un amplificador con ganancia. En nuestro caso, el voltaje se divide en la resistencia de drenador, en el FET y en la resistencia de fuente. La resistencia de fuente sólo establece el punto de funcionamiento de CC. Observe que que existe un condensador conectado en paralelo que cortocircuita la resistencia a altas frecuencias.

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Cuándo utilizar JFET

• El JFET tiene impedancias de entrada mucho más altas y corrientes de salida mucho más bajas que los BJT.

• Los BJT son más lineales que los JFET.

• La ganancia de un BJT es mucho más alta que la de un JFET.

Por norma general, los JFET sólo se utilizan cuando los BJT no son la solución más conveniente, por ejemplo, cuando la corriente de fuga de la base de un BJT es demasiado elevada.

En aplicaciones de lógica digital, el uso de los FET es importante, ya que son mucho más rápidos y disipan menos energía. Sin embargo, la mayoría de estas aplicaciones utilizan MOSFET, que presentan impedancias mucho más elevadas incluso que los JFET.

Diapositiva 20 Diapositiva 2

En algunas ocasiones resulta más útil el funcionamiento en la zona óhmica que en la de saturación. El análisis no cambia en absoluto, pero las ecuaciones son menos complicadas. En nuestro caso, calculamos el comportamiento de un JFET empleado como resistencia controlada por tensión. Como cabría esperar, volvemos a obtener una función cuadrática.

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La curva generarespecto al voltacontrolable.

Gráficos generados por Mathematica™

da con Mathematica muestra la variación de la corriente de drenador con je de entrada. Esto puede resultar útil para conseguir un desfase preciso y

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Dada la variación en corriente, resulta bastante sencillo mostrarla como una resistencia con ayuda de Mathematica. Observe que en la zona óhmica podemos permitir que el voltaje puerta-fuente sea positivo. Suele ser bastante acertado en cualquier aplicación calcular la potencia disipada en el FET, que, evidentemente, será una función del voltaje de control. En este caso, la potencia máxima disipada tiene lugar cuando la resistencia del FET es igual a la resistencia de drenador.

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Podremos comprobar más adelante que con un amplificador operacional es posible obtener amplificadores diferenciales óptimos y que su ganancia viene controlada por las resistencias de retroalimentación. Con un JFET se obtiene fácilmente una resistencia de voltaje controlado y, en consecuencia, una ganancia de voltaje controlada.

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Estamos ante un circuito que mide la dependencia de frecuencia de la transconductancia (en este caso, yfs como suele entenderse para frecuencias altas). La resistencia elevada de puerta se utiliza sólo por motivos de estabilidad.

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Símbolos del JFET

puerta puerta

drenador drenador

fuente fuente

NPN PNP

• A menudo, las zonas de las puertas están dopadas en distinta medida para las especificaciones de drenador / fuente. • En algunos dispositivos, el drenador y la fuente son intercambiables. • En ocasiones, las dos puertas no están interconectadas y se obtiene un dispositivo de cuatro terminales.

Al igual que ocurre con los BJT, existen JFET de tipo npn y pnp. Los de tipo NPN suelen denominarse de canal n para evitar confusiones con la configuración de puertas.

Es posible intercambiar el drenador y la fuente o no hacerlo, dependiendo de sus niveles relativos de dopaje.

17 26-28

Visite el sitio Web del fabricante para obtener la ficha técnica del producto. Siga estos pasos:

1. Vaya al sitio Web de Fairchild Semiconductor: http://www.fairchildsemi.com/ 2. Consulte las condiciones de uso del sitio en el enlace llamado “Site Terms & Conditions” o haciendo clic en el siguiente enlace: http://www.fairchildsemi.com/legal/index.html 3. Vuelva a la página de inicio. 4. En el cuadro de búsqueda escriba el número del producto (2N5457), seleccione “Product Folders and Datasheets” y haga clic en “go”. La ficha técnica que necesitaes “N- Channel General Purpose Adapter”. 5. Se le ofrecerán varias opciones (descargar el PDF, correo electrónico, etc.).

Seleccione el método que desee para recibir la ficha técnica.

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MOSFET (1) Los transistores de efecto de campo de semiconductores de metal-óxido difieren bastante de los JFET y se presentan en una gama muy variable. La función que los caracteriza es que la puerta está acoplada con un condensador.

MOSFET npn de vaciamiento ausencia de campo en la puerta = fuente drenador

∴ corriente de fuga muy pequeña

fuente drenadorpuerta

metalaislante

P

N N

Hoy día, los MOSFET son más comunes que los JFET, y su funcionamiento es demasiado extenso para analizarlo con detalle. El hallazgo inteligente fue darse cuenta de que, al interesarse sólo por el campo eléctrico entre la puerta y el drenador, no había necesidad de establecer una conexión galvánica y que bastaba con una conexión de condensación que tuviese el mismo efecto. Por ello, en los MOSFET existe una capa de aislante (vidrio) entre el conector de la puerta y el semiconductor dopado p. Obsérvese que, en ausencia de un voltaje de puerta, el semiconductor funciona como uniónNPN entre el drenador y la fuente y tiene el aspecto de dos diodos bidireccionales (con la consiguiente corriente pequeña entre drenador y fuente). Compare este hecho con los BJT (donde la zona de las puertas es pequeña) y los JFET (en los que el drenador y la fuente conforman un canal de conducción).

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MOSFET de enriquecimiento

P

NN

conector de sustrato

Un voltaje de sustrato de puerta positivo induce una carga negativa entre la fuente y el drenador y crea un canal de tipo n. Ahora la corriente puede circular.

VG

Para analizar el funcionamiento de un MOSFET, comenzamos por estudiar la unión capacitiva de la puerta y preguntarnos cuál será la distribución de cargas en el semiconductor para distintos potenciales de puerta. Observe que ahora nos interesa la diferencia de potencial entre el electrodo de la puerta y el sustrato (hasta ahora no hemos mencionado ni la fuente ni el drenador). Si la puerta del sustrato está cargada positivamente, obtendremos una concentración de electrones entre los canales de tipo n de la fuente y del drenador y la corriente podrá circular. Estará formada, evidentemente, por portadores mayoritarios en las zonas de la fuente y del drenador y por portadores minoritarios en la zona de la puerta (que hemos concentrado nosotros). Se trata, pues, del mecanismo normal de conducción de los llamados MOSFET de enriquecimiento.

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Símbolos del MOSFET

drenador

fuentesustrato

puerta

drenador

fuentesustrato

puerta

drenador

fuentesustrato

puerta

drenador

fuentesustrato

puerta

Canal N

Canal N Canal P

Canal P

Vaciamiento

Enriquecimiento

Además de los MOSFET de enriquecimiento, existen los de vaciamiento Los distintos símbolos se muestran en la figura. Al utilizar estos dispositivos es importante prestar atención a la conexión del sustrato, ya que forma el segundo terminal del condensador de la puerta.

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MOSFET de vaciamiento

fuente drenador puerta

aislante

P

N+ N+ N

Las zonas de la fuente y el drenador están más dopadas que el canal, pero cuando la puerta está polarizada a cero, existe corriente.

En los dispositivos de vaciamiento, la cara secundaria del condensador es una región pequeña de material de tipo n. Ahora, sin polarización en la puerta, tenemos un canal de tipo n desde el drenador a la puerta y la corriente circula. Esta zona de la puerta está muy dopada y el campo eléctrico del condensador de la puerta se utiliza para manipular las concentraciones de portadores en la zona y poder, así, controlar la corriente drenador-fuente.

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MOSFET de vaciamiento (2)

N N

P

N

Un voltaje negativo entre la puerta y el sustrato induce un canal de tipo p en la zona dopada de la puerta y desactiva la corriente drenador-fuente.

Una polarización negativa en el condensador del sustrato de la puerta atrae a los huecos del material de tipo p hacia el canal de conducción y disminuye la corriente drenador-fuente. Con este funcionamiento, el dispositivo se comporta como un JFET, en el que el potencial negativo de la puerta retarda la corriente de drenador.

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Representación IV de una ficha técnica de un MOSFET de agotamiento; el resto de parámetros siempre se facilitan en alguna sección de la ficha técnica.

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Al igual que ocurre en los JFET, existe una serie de fórmulas que relacionan la corriente de drenador con los parámetros del circuito. Éstas se utilizan de la misma forma que en los JFET.

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Las fórmulas de enriquecimiento son bastante parecidas, pero incluyen el denominado parámetro de construcción, que describe la capacidad del canal. Suele aparecer de forma explícita en las fichas técnicas, por lo que no es necesario calcularlo.

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Características de transferencia de los tres tipos de FET


Aquí se muestran las características de transferencia de los tres tipos de MOSFET, (1) agotamiento, (2) enriquecimiento y (3) ambos. Las representaciones IV de la derecha muestran la corriente de drenador con respecto al voltaje drenador-fuente para distintos potenciales de puerta. Estos datos son los que suelen obtenerse en las fichas técnicas. Las curvas de la izquierda muestran la variación de la corriente de drenador como función del potencial de la puerta en la zona activa. No suele mostrarse este dato, pero es una buena forma de ver las diferencias entre los tres tipos de dispositivos. También es útil para deducir dónde deben ubicarse los puntos de funcionamiento.

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Como ejemplo, analizaremos el punto de funcionamiento de un amplificador MOSFET de agotamiento. El FET y la resistencia de drenador comparten el voltaje y, como la puerta está polarizada en inversa, el FET se apaga y el voltaje crece en el FET (el voltaje de salida, en consecuencia, aumenta).

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Como buscamos un cambio en la corriente (resistencia) con el voltaje de control, necesitamos centrarnos en la transconductancia, pero primero debemos decidir en qué punto calcularemos la ganancia. Estudiemos las proximidades del voltaje de entrada nulo. Ahora podemos obtener la corriente de la hoja de especificaciones y el voltaje de salida es 2 V (en un punto medio adecuado). También podemos calcular directamente la transconductancia, que es 200 mohs. Dado que con ello obtenemos la resistencia de drenador-fuente, podemos calcular también ahora la ganancia.

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En este caso, asumimos una pequeña señal y buscamos una solución lineal cercana a un voltaje de entrada nulo. Realizaremos algunas suposiciones y nos desharemos de algunos términos para evitar un problema cuadrático. Es válida cualquiera de las dos propuestas y la respuesta obtenida es, en esencia, la misma. Recuerde que todos los parámetros del circuito pueden variar. Modificamos el voltaje de salida para los pequeños cambios de la resistencia de drenador-fuente y nos damos cuenta de que, al hacerlo, el voltaje sufre pequeñas variaciones.

Diapositiva 41

Amplíe la resistencia drenador-fuente en términos de voltaje de entrada y aproveche el hecho de que el voltaje de entrada es pequeño para poder simplificar. El resultado es que el dispositivo se convierte en un atenuador (la ganancia se reduce a la mitad) más que en un amplificador. Debería detectar que, si aumentamos el voltaje (o disminuimos la resistencia de drenador) podríamos aumentar la ganancia.

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Uno de los usos más importantes de los MOSFET es la construcción de circuitos lógicos que disipen muy poca energía. Si implementamos la configuración del MOSFET que aparece en la figura, habrá una corriente en la carga y no en la otra. Observe que el sustrato se conecta a la fuente.

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En un dispositivo de canal p, la corriente se asocia con el estado de encendido. Observe aquí que el sustrato sigue conectado a la fuente (que ahora tiene voltaje positivo).

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En lógica complementaria de MOSFET (CMOS), la misma puerta se construye a partir de una combinación de dispositivos de canal p y n, de tal forma que no hay circulación de corriente en ninguno de los estados lógicos. Evidentemente, la ausencia de corriente implica que no se disipa ninguna energía.

diapositiva 1 además de los transistores de unión bipolares (bjt

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