dispositivos semiconductores clase h
DESCRIPTION
para dispositivos y semiconductoresTRANSCRIPT
TRANSISTORES DE EFECTO DE
CAMPO.
(FET)
2
Los transistores de efecto de campo o transistores
FET (field effect transistor), se diferencian
principalmente de los transistores bipolares, en
que la corriente que conducen depende de la
tensión, es decir, son controlados por tensión.
Dentro de los transistores FET, hay dos tipos, los
llamados transistores FET de unión (JFET),
también llamados simplemente FET, y los
transistores FET de puerta aislada, también
llamados MOSFET.
Con los transistores bipolares observábamos
como una pequeña corriente en la base de los
mismos se controlaba una corriente de colector
mayor. Los Transistores de Efecto de Campo
son dispositivos en los que la corriente se
controla mediante tensión. Cuando funcionan
como amplificador suministran una corriente
de salida que es proporcional a la tensión
aplicada a la entrada.
La Figura a muestra un fragmento de un semiconductor
de tipo n. El extremo inferior es la fuente y el extremo
superior se denomina drenador. La fuente de alimentación
VDD fuerza a que los electrones libres fluyan desde la
fuente hacia el drenador. Para fabricar un JFET, el
fabricante difunde dos áreas de semiconductor de tipo p en
el semiconductor de tipo n, como se muestra en la Figura b.
Estas regiones p están conectadas internamente para
conseguir un sólo terminal externo de puerta.
POLARIZACIÓN INVERSA DE PUERTA
En la Figura siguiente la puerta de tipo p y la fuente de
tipo n forman el diodo puerta-fuente. En un JFET, el
diodo puerta-fuente siempre se polariza en inversa. Debido
a la polarización inversa, la corriente de puerta IG es
aproximadamente cero, lo que equivale a decir que el
JFET presenta una resistencia de entrada casi infinita.
Un JFET típico tiene una resistencia de entrada de cientos
de megaohmios. Esta es la gran ventaja que un JFET
tiene sobre un transistor bipolar y es por lo que constituye
una excelente solución para las aplicaciones en las que se
requiere una alta impedancia de entrada.
En la Figura siguiente, los electrones que fluyen desde
la fuente al drenador tienen que atravesar el estrecho
canal que hay entre las zonas de deplexión. Cuando la
tensión de puerta se hace más negativa, las zonas de
deplexión se expanden y el canal de conducción se hace
más estrecho. Cuanto más negativa sea la tensión de
puerta, menor será la corriente entre la fuente y el
drenador.
Figura.- Polarización normal del JFET.
El JFET es un dispositivo controlado por tensión porque
una tensión de entrada controla una corriente de salida.
En un JFET, la tensión puerta-fuente VGS determina la
cantidad de corriente que fluye entre la fuente y el
drenador. Si VGS es cero, la corriente máxima de
drenador circula a través del JFET. Por esto, se dice que
el JFET es un dispositivo normalmente en conducción.
Por el contrario, si VGS es lo suficiente negativa, las
zonas de deplexión se tocarán y la corriente de drenador
se cortará.
El JFET de la Figura anterior es un JFET de canal n
porque el canal entre la fuente y el drenador es un
semiconductor de tipo n. La Figura (a) muestra el símbolo
esquemático de un JFET de canal n.
La Figura b muestra un símbolo alternativo para un
JFET de canal n. Muchos ingenieros y técnicos prefieren
este símbolo con la puerta desplazada, la cual apunta a la
fuente del dispositivo, para poder diferenciar mas
fácilmente la ubicación de la fuente.
También existe un JFET de canal p. El símbolo
esquemático de un JFET de canal p, mostrado en la
Figura c, es similar al del JFET de canal n, excepto en
que la flecha de la puerta apunta en la dirección
contraria. El funcionamiento de un JFET de canal p
es complementario: es decir, todas las tensiones y
corrientes están invertidas. Para polarizar en inversa
un JFET de canal p, la puerta tiene tanto, VGS se hace
positiva.
PN N
Drenador
(D)
Surtidor
(S)
Puerta
(G)
Drenador
(D)
Puerta
(G)
Surtidor
(S)
ID
IS
IG
VGS
VSD
JFET de canal N JFET de canal P
Los tres terminales de un transistor FET son la puerta (gate
en inglés), el drenador y la fuente o surtidor.
12
Anotaciones Importantes:
• Fuente =
• Drenaje =
• Compuerta =
urtidor
renador
ate
S
D
G
JFET
13
El JFET esta constituido por una barra de silicio tipo N o canal N,
D S
G
S D
G
n p
n
n
p
p
VDS
El voltaje aplicado entre el Drenador y el Surtidor (VDS), no debe sobrepasar
el voltaje de ruptura (típicamente 50V) porque destruiría el dispositivo.
VALORES COMERCIALES PARA EL JFET
Voltaje VDS (V) 25,30,40,50
Potencia (W) 0.15,0.3,1.8,30
Transistores
BJT FET
Terminales Emisor (E)Colector (C)
Base (B)
Fuente (S)Drenador (D)
Puerta (G)
Símbolo
Puerto de entradaPuerto de salida
Base-emisorColector-emisor
Puerta-fuenteDrenador-fuente
Funciona como fuente de corriente
Controlada por corriente
Controlada por tensión
Zonas de funcionamiento
CorteSaturación
activa
CorteTriodo
saturación
16
EJEMPLO
Un JFET 2N5486 tiene una corriente de puerta de 1
nA cuando la tensión inversa de puerta es 20 V. ¿Cuál
es la resistencia de entrada de este JFET?
SOLUCIÓN Utilizando la ley de Ohm, obtenemos:
LA CURVA CARACTERÍSTICA DEL FET.
Este gráfico muestra que al aumentar el voltaje Vds
(voltaje drenador - fuente), para un Vgs (voltaje de
compuerta) fijo, la corriente aumenta rápidamente (se
comporta como una resistencia) hasta llegar a un punto
A (voltaje de estricción), desde donde la corriente se
mantiene casi constante hasta llegar a un punto B (entra
en la región de disrupción o ruptura), desde donde la
corriente aumenta rápidamente hasta que el transistor
se destruye.
Si ahora se repite este gráfico para más de un
voltaje de puerta a fuente (Vgs), se obtiene un
conjunto de gráficos. Ver que Vgs es "0" voltios o
es una tensión de valor negativo.
20
Zona activa. Se observa en cada curva una zona en que,por más que aumente la tensión drenador – surtidor, noaumenta la intensidad.
Zona óhmica. En los tramos iniciales de cada curva, seobserva que hasta poco antes de llegar a la zona activa,la curva es una línea recta. Esta zona lineal, se llamazona óhmica, precisamente por esta relación lineal entrela tensión y la intensidad.
Región de disrupción o ruptura, desde donde la corriente aumenta rápidamente hasta que el transistor se destruye.
CURVA DE TRANSCONDUCTANCIA
La curva de transconductancia de un JFET es la gráfica
de ID en función de VGS. A partir de los valores de ID y
VGS de cada una de las curvas de drenador. Observe que
la curva no es lineal porque la corriente aumenta
rápidamente cuando VGS se aproxima a cero.
Cualquier JFET tiene una curva de transconductancia
como la mostrada en la Figura. Los puntos extremos de
la curva son VGS(off) e IDSS. La ecuación de esta gráfica es:
POLARIZACIÓN EN LA REGIÓN ÓHMICA
El JFET puede polarizarse en la región óhmica o en la
región activa. Cuando está polarizado en la región
óhmica, el JFET es equivalente a una resistencia.
Cuando está polarizado en la región activa, el JFET se
comporta como una fuente de corriente.
Como Vgs es el voltaje que controla el paso de la
corriente ID (regula el ancho del canal), se puede
comparar este comportamiento como un resistor cuyo
valor depende del voltaje VDS. Esto es sólo válido para
VDS menor que el voltaje de estricción (ver punto A en
el gráfico).
Entonces si se tiene la curva característica de un FET,
se puede encontrar La resistencia RDS con la siguiente
fórmula: RDS = VDS / ID
El transistor JFET en la zona óhmica
•En esta región el canal conductor
entre drenador y fuente se comporta
como una resistencia RDS
•La zona óhmica o lineal se sitúa cerca
del origen, para VDS<<VDS sat
•La RDS va aumentando a medida que se
estrecha el canal, a consecuencia de la
polarización inversa producida por VGS
•Llegará un momento en que
la zona de transición invada
toda la región N, impidiéndose
totalmente la conducción.
(Corte del canal)
•La tensión VGS que corta el el
canal se llama tensión de corte
VP=Vt
P
GS
ONDSDS
V
VRR
1
1)(
El transistor JFET en la zona óhmica
•La ley que rige la resistencia del canal en la
zona óhmica es la que sigue:
CUIDADOS
27
Si se aplica polarización directa a la compuerta, circulará una
alta corriente por la compuerta que puede destruir el JFET si no
esta limitada por una resistencia en serie con la compuerta.
El voltaje aplicado entre el Drenador y el Surtidor (VDS), no
debe sobrepasar el voltaje de ruptura (típicamente 50V)
porque destruiría el dispositivo.
HOJAS DE CARACTERÍSTICAS DE LOS
FET
En las hojas de características de los fabricantes
de FETs se encuentra los siguientes parámetros :
VGS y VGD.- son las tensiones inversas máximas
soportables por la unión PN.
IG.- corriente máxima que puede circular por la
unión puerta - surtidor cuando se polariza
directamente.
PD.- potencia total disipable por el componente.
IDSS.- Corriente de saturación en la zona activa
cuando VGS=0.
IGSS.- Corriente que circula por el circuito de
puerta cuando la unión puerta - surtidor se
encuentra polarizado en sentido inverso.
Teoría Previa
Teoría Previa
Polarización Fija
32
Análisis
Analisis
Analisis
Autopolarización
36
Autopolarización
Analisis
38
Polarización por
divisor de voltaje
Convirtiendo a su Circuito
Thevenin Equivalente
Polarización por
divisor de voltaje
41
Polarización por
divisor de voltaje
Analisis
PARÁMETROS
POLARIZACION
CENTRADA:• ID = IDSS/2
•VGS = VGS(apag) /4• RS = 1/gmo
• VP = | VGS(apag)|
• VGS(apag) = -2IDSS/gm0
• gm = dID/Dvgs
• gm = gm0(1-VGS/VP)
• IS = ID
• IG = 0
• VD = VDD – ID(RD)
• VG = IG(RG)
• VS = ID(RS)
• VDS = VDD – ID(RD+RS)
• VGS = -ID(RS)
•
Curvas de drenador
PRUEBAJFET
44
Se comprueba con un ohmímetro en la escala de Rx1 ó Rx10.
Entre Drenador y
surtidor, el valor óhmico
exclusivamente del
material del canal.
Entre 2K y 10K, siendo el
mismo en ambos sentidos.
Alta resistencia en un sentido
y baja en el inverso.
Alta resistencia en un
sentido y baja en el inverso.
PROBLEMA 1
45
Calcular, para el circuito de autopolarización de la figura, la tensión VGS
y el valor de la corriente de drenador
RESUMEN
En FET
•Se analiza la malla de entrada (puerta-fuente), con laaproximación ig=0 obteniéndose vgs para ver si está en corte oen conducción
•Si está en conducción se supone zona de corriente constantey se halla la corriente de drenador. Con la malla de salida secalcula el voltaje de salida (vds) y se comprueba que cumple lacondición de estar en zona de corriente constante.
•Si está en zona de triodo se resuelve el sistema de dosecuaciones:
•Malla de salida
•Ecuación que liga id con vgs y vds
Conclusiones
El FET es un dispositivo controlado por voltaje y no por corriente como lo es el transistor BJT. El control de esta corriente (IDS) se efectúa por medio de la aplicación de un voltaje de polarización inverso, aplicado entre la compuerta y el surtidor (VGS)
Formando un campo eléctrico el cual limita el paso de la corriente a través de Drenador y Source. Al aumentar el voltaje inverso, aplicado a la compuerta, aumenta el campo eléctrico, y la corriente de Source a Drenador disminuye.
El transistor JFET tiene una alta resistencia de entrada (en Megaohm). Lo que hace que la corriente atraves del FET sea mas constante.
.
TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO
(MOSFET)
51
Transistores MOSFET.
En estos transistores, la puerta no se conectadirectamente al semiconductor, sino a través deuna fina capa de aislante (SiO2), de ahí que sellamen transistores FET de puerta aislada.
Las siglas MOS también están referidas al tipo decontacto de la puerta, ya que significan Metal (elpropio terminal de puerta), Óxido (la capa aislante)Semiconductor.
El hecho de que la puerta se encuentre aislada,hace que la intensidad que circula por ella seaprácticamente nula, menor incluso que en lostransistores JFET.
52
Existen los MOSFET de acumulación oenriquecimiento, y los MOSFET de deplexión oempobrecimiento, cada uno de los cuales puedeser de canal N o de canal P.
Tienen un nuevo terminal llamado sustrato (B),que debe ser conectado a la tensión más negativaen los MOSFET de canal N, y a la más positivaen los MOSFET de canal P. Como en ambos casossuele ser el surtidor, muchas veces se fabricancon el sustrato directamente unido al surtidor.
BJT VS MOSFET
MOSFET
Controlado por voltaje
Dispositivo de portadores mayoritarios
Compuerta eléctricamente aislada, por lo que
presenta una alta impedancia de entrada
54
Transistores MOSFET.
Enriquecimiento
Empobrecimiento
Canal N Canal P
D
D
D
G G
G
S
S
S
B B
B
D
G
S
B
55
1.- MOSFET de enriquecimiento.
P
GS D
N N
Sustrato (B)
N
GS D
P P
Sustrato (B)
MOSFET de enriquecimiento
de canal N
MOSFET de enriquecimiento
de canal P
Se observa que a diferencia de lo que ocurre en los transistores JFET, no
existe canal de conducción entre el drenador y el surtidor, en ausencia de
señales eléctricas externas.
56
1.- MOSFET de enriquecimiento.
Analizamos el caso de canal N.
Si se fija una tensión positiva desde la puerta alsurtidor, no hay prácticamente conducción deelectricidad, pero los electrones libres de la zona P(pocos, porque en esta zona lo abundante son loshuecos), se ven atraídos hacia la capa aislantepróxima a la puerta.
Esto es equivalente a agrandar la zona N.
Si se agranda lo suficiente, se crea un cierto canalde conducción que une las zonas N del drenador ydel surtidor.
La tensión mínima para la formación del canal, sellama tensión umbral o tensión threshold, ennomenclatura inglesa, cuyas siglas son VT.
P
GS D
N N
Sustrato (B)
57
1.- MOSFET de enriquecimiento.ID
VGS
Curvas de un transistor MOSFET de enriquecimiento de canal N.
58
De la gráfica de los transistores MOSFET se
observa que tienen las mismas zonas de
funcionamiento que los transistores JFET.
Ecuación aproximada:
K: constante referida a parámetros constructivos.
VT: tensión umbral (threshold).
2
TGSD )VV·(KI
Figura 5.1. MOSFET de acumulación de canal n, donde vemos la longitud de canal L y la
anchura de canal W.
Fuente
Puerta de
metalÓxido Drenador
Sustrato
Transistor MOSFET de Acumulación o Enriquecimiento
Figura 5.2. Símbolo esquemático de un MOSFET de acumulación de canal n.
•Aplicando una VGS positiva se induce un canal de conducción, por la inversión
del semiconductor P a N
•A la tensión mínima necesaria para establecer el canal se la llama “Tensión de
umbral” ( Vt , VGS th )
•Al aplicar ahora una tensión VDS de pequeño valor, se establecerá un a intensidad
Drenador-Fuente
•En estas condiciones el canal creado se comporta como una resistencia RDS
A medida que VGS aumenta, el canal se enriquece de electrones, aumentando su
conductividad, y disminuyendo la resistencia entre Drenador y Fuente RDS
•Al ir aumentando la tensión VDS se
establece un gradiente de potencial en
el interior del canal
•El canal se deforma progresivamente,
causado la no constancia de la RDS
•Finalmente, para una tensión
VDS=VDS sat, el canal se estrangula por
el lado del drenador, saturándose, y
manteniendo constante la ID
•VDS sat = VGS - Vt
•Con el circuito especificado podemos construir la familia
de curvas características de salida
•Situándonos en la zona de saturación, trazando una línea
de carga hipotética, obtendremos la Característica de
transferencia del transistor
2
)(
)(
VtV
VtVII
onGS
GS
onDDSS
•Las intensidades de saturación
para cada VGS se llaman IDSS, y
responden a la siguiente ley:
IDSS= K (VGS-Vt)2
Parámetros más significativos del MOSFET Acumulación
ID(on)
VGS(on)
VDS(on)
RDS(on)
Vt=VGS th
Valores que el fabricante suministra en un
punto de funcionamiento, llamado ON,
que normalmente el de máxima
conducción del transistor, cuando trabaja
como interruptor
Tensión de umbral, mínima necesaria
para la conducción del canal
67
2.- MOSFET de empobrecimiento.
P
GS D
N N
Sustrato (B)
N
GS D
P P
Sustrato (B)
Se observa que a diferencia de lo que ocurre en
los MOSFET de acumulación, existe un
(pequeño) canal de conducción entre drenador y
surtirdor.
MOSFET de
empobrecimiento de canal N
MOSFET de
empobrecimiento de canal P
68
2.- MOSFET de empobrecimiento.
Para VGS = 0 V, el transistor puede conducir
pequeñas corrientes de drenador a surtidor.
Con tensiones VGS negativas en MOSFET de
canal N (o positivas en MOSFET de canal P), se
estrangula el canal hasta su eliminación, igual
que en los JFET.
Con tensiones VGS positivas en MOSFET de
canal N (o negativas en MOSFET de canal P), se
puede agrandar el canal, consiguiendo mayor
conducción de drenador a surtidor, igual que en
los MOSFET de enriquecimiento.
P
GS D
N N
Sustrato (B)
(b) Símbolo de circuito
Metal Óxido
Contacto no
rectificador
(a) Estructura física
Canal
Sustrato tipo p
Transistor MOSFET de Empobrecimiento o Deplexión
En este transistor ya existe, de
principio un canal de
conducción de tipo N
•Admite tensiones VGS tanto positivas como negativas
•Si VGS fuera positiva el canal se enriquece de electrones
y aumentará la conducción. (Actúa como el transistor de
enriquecimiento)
•Si VGS fuera negativa el canal se vacía de electrones
disminuyendo la intensidad de drenador (Actúa como un
JFET de canal N)
Parámetros más significativos del MOSFET empobrecimiento
IDSS=IDSo
VDSsat
Vt=VGS th
RDS(on)
Tensión de umbral, VGS que corta el canal o la mínima
necesaria para la conducción del canal
Corriente de saturación para VGS=0
Tensión VDS necesaria para entrar en saturación para VGS=0
Resistencia del canal para la máxima conducción del
transistor
VDS sat = VGS - Vt
2
1
Vt
VII
GS
DSoDSsat
Las ecuaciones de funcionamiento en la zona de saturación
son las mismas que las del transistor JFET:
Figura 5.47. Corriente de drenador en función de vGS en la región de saturación
para dispositivos de canal n.
(a) JFET (b) MOSFET de deplexión (c) MOSFET de acumulación
(a) JFET (b) MOSFET de deplexión (c) MOSFET de acumulación
73
En general, todo lo que se puede hacer contransistores BJT, se puede hacer también contransistores FET.
Ventajas fundamentales:
Alta impedancia de entrada, que permite un control con poca potencia.
Gran velocidad de conmutación.
Poco sensibles a la temperatura.
Ampliamente utilizados en circuitos integrados, tanto analógicos como digitales.
PROBLEMAS GRUPO