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Tema 8.- Transistores de efecto de campo 1 TRANSITORES DE EFECTO DE CAMPO (Field effect transistor, FET) INTRODUCCIÓN: Son dispositivos de estado sólido.

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1 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 1 TRANSITORES DE EFECTO DE CAMPO (Field effect transistor, FET) INTRODUCCIÓN: Son dispositivos de estado sólido Tienen tres o cuatro terminales Es el campo eléctrico el que controla el flujo de cargas El flujo de portadores es de un único tipo ( o electrones ó huecos) Pueden funcionar en diferentes regiones de polarización Según en que región de polarización se encuentren, funcionan como: Resistencias controladas por tensión Amplificadores de corriente ó tensión Fuentes de corriente Interruptores lógicos y de potencia

2 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 2 INTRODUCCIÓN (Continuación) Hay de bastantes tipos, pero los mas importantes son los: MOSFET (Metal-óxido semiconductor) Normalmente tienen tres terminales denominados: Drenador Puerta Fuente ó surtidor Son dispositivos gobernados por tensión La corriente de puerta es prácticamente nula (func. Normal) Utilizan un solo tipo de portadores de carga, (Por eso se llaman también unipolares): Electrones si son de canal N Huecos si son de canal P

3 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 3 COMPARACIÓN ENTRE FETs y BJTs Los FETs necesitan menos área del chip, y menos pasos de fabr. Los BJts pueden generar corrientes de salida mas elevadas para conmutación rápida con cargas capacitivas. Los FETs tiene una impedancia de entrada muy alta En los Fets el parámetro de transconductancia (g m ) es menor que en los BJts, y por lo tanto tienen menor ganancia.

4 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 4 DIFERENTES TIPOS DE TRANSISTORES FET

5 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 5 TRANSISTOR MOSFET DE CANAL N DE ENRIQUECIMIENTO Ó ACUMULACIÓN

6 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 6 TRANSISTOR MOSFET DE CANAL N (N-MOS) DE ENRIQUECIMIENTO Ó ACUMULACIÓN(CONT)

7 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 7 EL N-MOS DE ACUMULACIÓN (CONT) CREACIÓN DEL CANAL

8 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 8 EL N-MOS DE ACUMULACIÓN (CONT) ESTANGULACION DEL CANAL

9 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 9 Si: Entonces la corriente de drenador viene dada por: N-MOS DE ENRIQUECIMIENTO EN REGIÓN ÓHMICA (CONT)

10 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 10 Es decir: Donde: N-MOS DE ENRIQUECIMIENTO EN REGIÓN ÓHMICA (CONT) Siempre que se cumpla que: Y teniendo en cuenta que v DG =v DS -v GS Es lo mismo que decir: siempre que se cumpla que: v DS v t

11 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 11 EL N-MOS EN LA ZONA ÓHMICA: RESISTENCIA LINEAL CONTROLADA POR TENSIÓN En la zona óhmica, el mosfet se comporta como una resistencia controlada por la tensión puerta-surtidor. Par valores de V DS pequeños, el término V 2 DS puede despreciarse, y entonces: Siempre que se verifique:

12 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 12 FUNCIONAMIENTO EN LA REGIÓN DE SATURACIÓN (ZONA ACTIVA) LÍMITE DE REGIONES Cuando v DS se hace igual a v GS - v t, la anchura del canal se hace cero, y el dispositivo entra a funcionar en la zona de saturación (también llamada zona activa), y la corriente de drenador se hace constante

13 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 13 FUNCIONAMIENTO EN LA REGIÓN DE SATURACIÓN LÍMITE DE REGIONES (CONT) El límite de las dos regiones viene marcado por la igualdad: v DS =v GS - v t Y sustituyendo en la expresión de i D : i D =K (v DS ) 2 = (k/2) (v DS ) 2, que es la parábola que fija la zona límite entre las dos regiones

14 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 14 FUNCIONAMIENTO EN LA REGIÓN DE SATURACIÓN (O TAMBIÉN LLAMADO ESTADO ACTIVO) Por tanto:Cuando v DS >v GS - v t, además de v GS > v t el transitor está en la región de saturación, y entonces i D se hace constante y vale: i D =K (v GS -v t ) 2 = (k/2) (v GS -v t ) 2 Fig The i D - v GS characteristic for an enhancement-type NMOS transistor in saturation (V t = 1 V and k n (W/L) = 0.5 mA/V 2 ).

15 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 15 MODELOS DE GRAN SEÑAL PARA EL NMOS DE ENRIQUECIMIENTO Zona óhmica: v GS > v t y además: v DS v GS - v t, además de v GS > v t Zona de Corte: v GS 0) Característica de transferencia en la región De saturación (ó zona activa)

16 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 16 TRANSISTOR MOSFET DE CANAL N DE DEPLEXIÓN Es casi idéntico al de enriquecimiento. La única diferencia es que hay un delgado canal de semiconductor de tipo n que conecta la fuente y el drenador, antes de aplicar ninguna tensión a la puerta

17 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 17 TRANSISTOR MOSFET DE CANAL N DE DEPLEXIÓN (CONT) Ahora aún con v GS cero, existe un canal de conducción, y podrá haber corriente de circulación entre drenador y surtidor. Habrá que aplicar una tensión v GS negativa para que el canal desaparezca y el transistor deje de conducir Observe en el símbolo que D y S están unidos por un trazo continuo

18 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 18 TRANSISTOR MOSFET DE CANAL N DE DEPLEXIÓN (CONT) Fig The current-voltage characteristics of a depletion-type n- channel MOSFET for which V t = -4 V and k n (W/L) = 2 mA/V 2 : (a) transistor with current and voltage polarities indicated; (b) the i D - v DS characteristics; (c) the i D - v GS characteristic in saturation.

19 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 19 TRANSISTOR MOSFET DE CANAL N DE DEPLEXIÓN (CONT): Tensión umbral: v t esencialmente negativa I DSS = corriente de drenador para V GS =0 (en zona activa) Expresiones y zona límites idénticas a los NMOS de enriquecimiento Carcterística de transferencia en la Zona activa (ó región de saturación) Salvo que la tensión umbral en los nmos de deplexión es negativa, las ecuaciones que describen su comportamiento en las diferentes zonas, son idénticas a las de los nmos de enriquecimiento

20 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 20 TRANSISTORES MOSFET DE CANAL P Ahora el sustrato es semiconductor de tipo N, y los pozos drenador y fuente son de tipo P. Ahora los portadores de corriente son huecos

21 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 21 TRANSISTOR MOSFET DE CANAL P (P-MOS), DE ENRIQUECIMIENTO El transistor estará a corte si v GS > v t En los transistores P-MOS de enriquecimiento, V t es esencialmente negativa

22 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 22 TRANSISTOR MOSFET DE CANAL P (P-MOS) DE DEPLEXIÓN En los P-MOS de deplexión, previamente existe un canal de conducción de tipo P. En los P-MOS de deplexión, V t esencialmente positiva

23 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 23 TRANSISTOR MOSFET DE CANAL P (P-MOS) DE DEPLEXIÓN (CONT) Tensión umbral: v t esencialmente positiva I DSS = corriente de drenador para V GS =0 (en zona activa) Expresiones y zona límites idénticas a los PMOS de enriquecimiento

24 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 24 TRANSISTORES MOSFET DE CANAL P (CONT) circuitos equivalentes de gran señal Las definiciones de estados de los PMOS son las mismas que las de los N-MOS, salvo que el sentido de todas las desigualdades se invierte, y las corrientes drenador fuente se consideran positivas en sentido contrario (positivas de surtidor a drenador)

25 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 25 POLARIZACIÓN DE LOS TRANSISTORES MOSFET Análisis del Punto de Operación El procedimiento a seguir es idéntico al estudiado con los transistores bipolares. Existen dos posibilidades: Hallar el P.O. Cuando se conoce el estado del transistor. Hallar el P.O. Cuando el estado es desconocido En el primer caso, en el circuito equivalente de continua, sustituiremos el transistor por su modelo, y realizaremos el análisis correspondiente. En el segundo caso, al igual que hicimos con diodos y transistores bipolares, supondremos un estado, realizaremos el análisis correspondiente, y posteriormente comprobaremos si los resultados de corrientes y tensiones obtenidos son coherentes con el estado supuesto del transistor

26 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 26 POLARIZACIÓN DE LOS TRANSISTORES MOSFET Análisis de transistores en estado activo En el circuito equivalente de continua sustituimos el mosfet por su modelo de gran señal en la zona activa: i D =K (v GS -v t ) 2 = (k/2) (v GS -v t ) 2 i G =0; I D =I S Que junto a las ecuaciones impuestas por la red de polarización (ecuaciones de polarización) Da lugar a resolver dos ecuaciones, una de ellas cuadrática, con dos incógnitas, que matemáticamente tiene dos posibles soluciones (P.O.), de los cuales, solamente una de ellas tendrá significado físico

27 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 27 POLARIZACIÓN DE LOS TRANSISTORES MOSFET Análisis de transistores en estado activo (cont) [1] i D =K (v GS -v t ) 2 = (k/2) (v GS -v t ) 2 i G =0; I D =I S [1] y [2] dan lugar a resolver dos ecuaciones, una de ellas cuadrática, con dos incógnitas, que dará lugar matemáticamente a dos posibles soluciones (P.O.), de los cuales, solamente uno de ellos tendrá significado físico

28 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 28 ANÁLISIS DE TRANSISTORES EN ESTADO DESCONOCIDO Se sigue el mismo procedimiento que con los transistores bipolares: 1º) Hacer una suposición sobre el estado de cada transistor. 2º) Reemplazar cada transistor con el modelo apropiado. 3º) Utilizar los resultados del análisis y las definiciones de estados para confirmar cada estado del transistor. 4º) Si hay alguna contradicción, hacer una nueva suposición y repetir el análisis. (Ver ejemplos del Malik Capítulo 5)

29 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 29 RESISTENCIAS FET Y LINEAS DE CARGA NO LINEALES En circuitos integrados donde se necesiten resistencias de elevado valor, fabricadas mediante proceso de difusión, éstas ocupan excesivo espacio. Una alternativa ampliamente utilizada es utilizar transistores de efecto de campo como resistencias no lineales, para lo que sirven tanto transistores de enriquecimiento como transistores de deplexión. Ahora la relación I-V en lugar de ser una recta como lo es en una resistencia lineal, será una parábola.

30 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 30 RESISTENCIAS NO LINEALES DE ENRIQUECIMIENTO CONEXIÓN BÁSICA: Si en un NMOS de enriquecimiento, unimos la puerta con el drenador, el dispositivo tendrá ahora dos terminales. Para v R =v GS <= v t, el transistor no está en conducción, y por tanto i R =0. Cuando v R >= V t, el está en conducción y además en la zona activa (saturación), ya que se cumple la desigualdad V DG >-V t i R =K (v R -v t ) 2 = (k/2) (v R -v t ) 2 Aunque la característica i-v es una cuadrática en vez de una exponencial, se puede hablar de transistor conectado como diodo

31 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 31 RESISTENCIAS NO LINEALES DE ENRIQUECIMIENTO (CONT) CONEXIÓN CON FUENTE DE POLARIZACIÓN: La figura muestra una variación que utiliza una fuente de polarización externa. Con V GS =V R +V t,, si V R =0 el transistor está en conducción y en la zona activa. En c.i. es muy fácil modificar las características variando la relación W/L.

32 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 32 RESISTENCIAS NO LINEALES DE DEPLEXIÓN En la figura se muestra un NMOS de deplexión con la puerta y el surtidor conectados entre si. La característica I-V será la correspondiente a la del transistor, para V GS =0. Cuando V R =V DG <= -V t (V t es negativo en lo transistores de deplexión) El dispositivo es óhmico. Cuando V R =V DG >-V t el dispositivo se comportará como una fuente de corriente constante

33 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 33 DIVISORES DE TENSIÓN MOS Las resistencias de enriquecimiento crean divisores de tensión que ocupan poco espacio en el chip y manejan corrientes bajas. En la figura a), la tensión v x puede ajustarse fácilmente en función de las dimensiones w 1,L 1 y w 2, L 2 de los transistores M1 y M2, con el adecuado diseño de las máscaras Análogamente para conseguir dos o mas tensiones, tal como se indica en al figura b) Todas ellas estarán comprendidas dentro de los valores de las alimentaciones.

34 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 34 TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO CON PUERTA DE UNIÓN En este tipo de transistores, al contrario que en los MOS, la puerta no está aislada galvánicamente. Siguen siendo transistores unipolares, y la conductividad del canal se controla mediante una tensión aplicada a la unión puerta-fuente polarizada inversamente Existen dos tipos fundamentales de transistores FET con puerta de unión: Los MESFET ó FETs metal-semiconductor, donde el canal es un semiconductor compuesto, como arseniuro de galio, la puerta un metal, y el interfase puerta-canal una unión Schottky. Los J-FETs, donde la puerta y el canal consisten en Si dopado de forma inversa, y una unión PN polarizada inversamente forma la interfase puerta-canal

35 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 35 TRANSISTORES MESFET Aprovechan la alta movilidad del electrón en el arseniuro de galio. El resultado es un dispositivo muy superior en velocidad pero inferior en densidad de integración, y actualmente mucho mas caro que los transistores de Si. Se utiliza principalmente en circuitos lineales que funcionan a frecuencias de microondas, y en circuitos digitales de altísima velocidad. Su funcionamiento se asemeja al Mosfet de deplexión

36 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 36 TRANSISTORES MESFET (CONT)

37 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 37 TRANSISTORES JFET El transistor de efecto de campo de unión (JFET: junction field-effect transsitor) de canal N consiste en un canal semiconductor de tipo N con contactos óhmicos en cada extremo, llamados drenador y fuente (ó surtidor). A los lados del canal hay regiones de material semiconductor tipo P Conectadas eléctricamente entre si y al terminal denominado puerta. La unión PN entre puerta y el canal es similar a la unión PN de un diodo. En las aplicaciones normales, esta unión debe estar polarizada inversamente.

38 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 38 TRANSISTOR J-FET DE CANAL N (CONT) Cuanto mas negativa es la tensión inversa de polarización de una unión PN, mas ancha se hace la zona de deplexión (no conductora, libre de cargas),y por tanto en este caso mas se estrecha el canal conductor

39 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 39 TRANSISTOR J-FET DE CANAL N (CONT) Cuando la zona no conductora ocupa toda la anchura del canal, decimos que ocurre un fenómeno llamado de estrangulamiento. La tensión de estrangulamiento V to (V P ) es valor necesario de la tensión puerta - canal para que desaparezca el canal conductor

40 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 40 TRANSISTOR J-FET DE CANAL N (CONT) La tensión de estrangulamiento V to (V p ), es el valor necesario de la tensión puerta - canal para que desaparezca el canal conductor. En los JFET de canal N ésta tensión es esencialmente negativa: En funcionamiento normal, la tensión V GS debe ser: V to <=V GS <=0 En los JFET de canal N, el drenador es positivo respecto a la fuente. La corriente entra por el drenador y sale por la fuente. Como la resistencia del canal depende de la tensión puerta-fuente, la corriente de drenador se controla con V GS

41 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 41 CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UN JFET DE CANAL N El J-FET es un dispositivo de tres estados: Zona de corte si : entonces: I D =I S =0 El límite entre la zona óhmica y la activa viene marcada en viene marcada por la igualdad V DG =-V P

42 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 42 ZONAS DE FUNCIONAMIENTO DE UN JFET DE CANAL N El JFET es un dispositivo muy parecido a los MOSFET. A tensiones V DS pequeñas, el dispositivo funciona como una resistencia controlada por la tensión V GS Cuando V DS alcanza tensiones suficientemente elevadas, es decir cuando : Entonces polarización inversa de drenador es tan grande que el canal se estrangula, y un incremento adicional de V DS no afecta demasiado a la corriente de drenador, al igual que ocurre con los transistores MOSFET, el JFET entra en el estado activo, también llamado zona de saturación del canal. La corriente se hace prácticamente constante

43 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 43 ESTADO ÓHMICO DEL TRANSISTOR JFET El JFET de canal N, se encuentra en el estado óhmico o zona óhmica si: Entonces, la corriente de drenador viene dada por la expresión: Donde β (K), tiene la expresión: W,L,t, son la anchura, longitud, y espesor del canal. µ n la movilidad de los electrones, N D la concentración del dopado, y ε Si la constante dieléctrica del silicio

44 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 44 Resistencia del JFET controlada por tensión Si en la ecuación: v DS es tan pequeño que el término cuadrático es despreciable, entonces: Esta expresión se podrá considerar válida si: Discusión interpretativa: Compare la definición dada de R N-JFET con la de resistencia dinámica r d,JFET, :

45 Tema 8.- Transistores de efecto de campo 45 ESTADO ACTIVO DEL TRANSISTOR JFET El JFET de canal N, se encuentra en el estado activo o zona de saturación del canal si: Entonces, la corriente de drenador viene dada por la expresión: La corriente i D que circula cuando V GS es igual a cero y el transistor está en estado activo, se denomina I DSS I DSS es un parámetro que suele aparecer en las hojas de características, junto con V P, de los cuales se puede deducir β (V P negativo en los JFET N)


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