ATE-UO Trans 82 N- P+ Canal Fuente (S) Drenador (D) JFET (canal N)

Presentación del tema: "ATE-UO Trans 82 N- P+ Canal Fuente (S) Drenador (D) JFET (canal N)"— Transcripción de la presentación:

1 Estructura de los transistores de efecto de campo de unión, JFET (canal N)
ATE-UO Trans 82 N- P+ Canal Fuente (S) Drenador (D) JFET (canal N) Símbolo G D S Puerta (G) JFET (canal P) Símbolo G D S canal P G D S canal N Otros símbolos

2 Principio de funcionamiento de los transistores de efecto de campo de unión, JFET (I)
ATE-UO Trans 83 N- P+ Puerta (G) Drenador (D) Fuente (S) Zona de transición en zona poco dopada Þ ancha Zona de transición en zona muy dopada Þ estrecha

3 Principio de funcionamiento de los transistores de efecto de campo de unión, JFET (II)
ATE-UO Trans 84 N- (G) (S) P+ (D) V2 V1 < V2 V1 Según aumenta la tensión drenador-fuente, aumenta la resistencia del canal, ya que aumenta la zona de transición, que es una zona de pocos portadores.

4 Principio de funcionamiento de los transistores de efecto de campo de unión, JFET (III)
ATE-UO Trans 85 ID Evolución si la resistencia no cambiara con la tensión. G D S + - VDS ID VDS V1 V2 Evolución real en un JFET (la resistencia cambia con la tensión aplicada).

5 Principio de funcionamiento de los JFET (IV)
ATE-UO Trans 86 VDS N- (G) (S) P+ (D) VDS=VPO > V2 VPO + - Si se aumenta más la tensión drenador-fuente, la zona de transición llega a dejar una parte del canal con muy pocos portadores. La corriente de drenador no cesa (si cesara no se formaría el perfil de zona de transición que provoca esta situación). La tensión VDS a la que se produce la contracción total del canal recibe el nombre de tensión de contracción (“pinch-off”), VPO.

6 Principio de funcionamiento de los JFET (V)
ATE-UO Trans 87 (G) (S) (D) VDS N- P+ VDS=V3 > VPO LZTC LC Si se aumenta la tensión drenador-fuente por encima de VPO, va aumentando la parte del canal que ha quedado con muy pocos portadores, LZTC (longitud de la zona de transición en el canal). Sin embargo, el aumento de LZTC al aumentar VDS es pequeño comparado con la longitud del canal, LC.

7 Principio de funcionamiento de los JFET (VI)
ATE-UO Trans 88 (G) (S) (D) VDS P+ N- LZTC VDS=V4 > V3 L’ZTC VPO + - Si L’ZTC << LC (hipótesis de canal largo) y admitimos que el perfil de portadores en la parte no contraída del canal no ha cambiado, tenemos que admitir que la tensión en dicha parte es VPO. Luego la corriente que circula es la necesaria para dar la misma caída de tensión sobre el mismo perfil de canal Þ misma corriente que cuando aplicábamos VPO Þ corriente constante por el canal cuando VDS>VPO.

8 Resumen del principio de funcionamiento de los JFET cuando VGS = 0
ATE-UO Trans 89 VDS=0 Comportamiento resistivo ID VDS Comportamiento como fuente de corriente VDS=V1 V1 VDS=V4 V4 VDS=VPO VPO VDS=V3 V3 VDS=V2 V2

9 ¿Qué pasa si VGS ¹ 0? + »VPO - + »VPO - + + - -
ATE-UO Trans 90 N- (G) (S) P+ (D) VDS=VPO Con VGS=0, la contracción ocurre cuando VDS = VDSPO =VPO. »VPO + - El canal es siempre más estrecho, al estar polarizado más inversamente Þ mayor resistencia (G) (S) P+ (D) N- UA VDS + - VGS + - UB »VPO + - La contracción se produce cuando: VDS=VDSPO=VPO + VGS Es decir: VDSPO = UA = VPO - UB Cuando VGS < 0, la corriente que circula es menor y la contracción se produce a una VDS menor.

10 Curvas características de un JFET (canal N) Referencias normalizadas
ATE-UO Trans 91 G D S + - VDS ID VGS Referencias normalizadas ID [mA] VDS [V] 4 2 6 Curvas de salida VGS = 0V Contracción del canal VGS = -0,5V VGS = -1V VGS = -1,5V Curvas de entrada: No tienen interés (unión polarizada inversamente) VGS = -2V Muy importante Contracción producida cuando: VDSPO=VPO + VGS

11 La tensión VPO + - + = -VPO - UB1 VGS
ATE-UO Trans 92 (G) (S) P+ (D) UB1 N- VGS + - Cortocircuitamos el drenador y la fuente y aplicamos tensión entre puerta y fuente. Cuando la tensión VGS alcanza un valor negativo suficientemente grande, la zona de transición invade totalmente el canal. Este valor es el de contracción del canal, VPO. UB2 VGS + - (G) (S) P+ (D) N- = -VPO UB1<

12 Análisis gráfico de un JFET en fuente común
ATE-UO Trans 93 VDS [V] ID [mA] 4 2 8 12 G D S + - VDS ID VGS 2,5KW 10V VGS = 0V VGS = -0,5V Comportamiento resistivo Comportamiento como fuente de corriente VGS = -1V VGS = -1,5V VGS = -2V VGS = -2,5V Comportamiento como circuito abierto VGS = 0V > -0,5V > -1V > -1,5V > -2V > -2,5V Muy importante

13 También se conoce la tensión de contracción del canal, VPO
Cálculo de las corrientes en la zona de fuente de corriente (canal contraído) ATE-UO Trans 94 ID0PO Partimos de conocer el valor de la corriente de drenador cuando VGS = 0 y el canal está contraído, ID0PO. VDS [V] ID [mA] 4 2 8 12 VGS = -2V VGS = -1,5V VGS = -1V VGS = -0,5V VGS = 0V VGS = -VPO También se conoce la tensión de contracción del canal, VPO Ecuación ya conocida: VDSPO = VPO + VGS Ecuación no demostrada: IDPO » ID0PO·(1 + VGS/VPO)2 IDPO Muy importante

14 Comparación entre transistores bipolares y JFET (I)
ATE-UO Trans 95 ID IC + - VBE VGS G (P) D S V1 R V2 N B (P) C (N) E (N) Muy importante IB IG » 0 En ambos casos, las tensiones de entrada (VBE y VGS) determinan las corrientes de salida (IC e ID). En zona de comportamiento como fuente de corriente, es útil relacionar corrientes de salida y entrada (transistor bipolar) o corriente de salida con tensión de entrada (JFET). La potencia que la fuente V1 tiene que suministrar es mucho más pequeña en el caso del JFET (la corriente es casi cero, al estar polarizada inversamente la unión puerta-canal).

15 Comparación entre transistores bipolares y JFET (II)
ATE-UO Trans 96 Corriente de electrones en todo el dispositivo (transistor unipolar) (G) (S) P+ (D) N- VGS + - UB UA VDS Muy importante El JFET es más rápido al ser un dispositivo unipolar (conducción no determinada por la concentración de minoritarios). El JFET puede usarse como resistencia controlada por tensión, ya que tiene una zona de trabajo con característica resistiva. Para conseguir un comportamiento tipo “cortocircuito” hay que colocar muchas celdas en paralelo.

16 Estructura real de un JFET de canal N
ATE-UO Trans 97 D S G P+ N- SiO2 N+ Contactos metálicos Canal N Uso de un JFET de canal P G (N) D S V1 R V2 P -ID - VGS + IG » 0 Hay que invertir los sentidos reales de tensiones y corrientes para operar en los mismas zonas de trabajo.

17 Los transistores de efecto de campo de unión metal-semiconductor MESFET
ATE-UO Trans 98 Contacto rectificador (Schottky) VDS ID VGS<0 VGS = 0 VGS > 0 D S G N+ N- GaAs Contactos óhmicos GaAs aislante G Pequeña polarización directa GS G Tensión GS nula G Polarización inversa GS, zona resistiva G Polarización inversa GS, zona f. de corriente

18 Los transistores de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor, MOSFET
ATE-UO Trans 99 Estructura Nombre Contactos metálicos D S G + P- N+ SiO2 Metal Metal G S D Óxido Semiconductor G D S MOSFET de enriquecimiento de canal P Símbolo Substrato Símbolo MOSFET de enriquecimiento (acumulación) de canal N G D S Substrato

19 Principios de operación de los MOSFET (I)
ATE-UO Trans 100 G D S + P- Substrato N+ V1 Zona de transición (con carga espacial) + Se empieza a formar una capa de electrones (minoritarios del substrato) ++ ++ G D S + P- Substrato N+ - V2 > V1 -

20 Principios de operación de los MOSFET (II)
ATE-UO Trans 101 V3 = V TH > V2 G D S + P- Substrato N+ Esta capa de minoritarios es llamada “capa de inversión” Esta capa es una zona de transición (no tiene casi portadores de carga) Cuando la concentración de los electrones en la capa formada es igual a la concentración de los huecos de la zona del substrato alejada de la puerta, diremos que empieza la inversión. Se ha creado artificialmente una zona N tan dopada como la zona P del substrato. La tensión a la que esto ocurre es llamada “tensión umbral” (“threshold voltage”), VTH.

21 Principios de operación de los MOSFET (III)
ATE-UO Trans 102 V4 > V TH G D S P P- Substrato N+ Situación con tensión mayor que la de umbral VDS ID VGS G D S P- Substrato N+ Conectamos la fuente al substrato. Conectamos una fuente de tensión entre los terminales fuente y drenador. ¿Cómo es la corriente de drenador?

22 Principios de operación de los MOSFET (IV)
VGS G D S P- Substrato N+ VDS » 0 ID » 0 Principios de operación de los MOSFET (IV) ATE-UO Trans 103 Existe un canal entre drenador y fuente constituido por la capa de inversión que se ha formado. Con tensiones VDS pequeñas (<<VGS), el canal es uniforme. VGS G D S P- Substrato N+ VDS =VDS1 >0 ID El canal se empieza a contraer según aumenta la tensión VDS. La situación es semejante a la que se da en un JFET.

23 Principios de operación de los MOSFET (V)
VGS G D S P- Substrato N+ VDS2=VDSPO >VDS1 ID ATE-UO Trans 104 Principios de operación de los MOSFET (V) El canal formado se contrae totalmente cuando VDS = VDSPO. VGS G D S P- Substrato N+ VDS3 >VDSPO ID Cuando VDS > VDSPO, el MOSFET se comporta como una fuente de corriente (como en el caso de los JFET).

24 Principios de operación de los MOSFET (VI)
ATE-UO Trans 105 Principios de operación de los MOSFET (VI) G D S P- Substrato N+ ID» 0 VDS2 > VDS1 VDS1 G D S P- Substrato N+ ID» 0 Si VGS = 0, la corriente de drenador es prácticamente nula. En general, si VGS <VTH, no hay casi canal formado y, por tanto, no hay casi corriente de drenador.

25 Curvas características de un MOSFET de enriquecimiento de canal N
Referencias normalizadas + - VDS ID VGS G D S ID [mA] VDS [V] 4 2 6 Curvas de salida VGS = 4,5V VGS = 4V VGS = 3,5V VGS = 3V Curvas de entrada: No tienen interés (puerta aislada del canal) VGS = 2,5V VGS < VTH = 2V Muy importante ATE-UO Trans 106

26 Análisis gráfico de un MOSFET en fuente común
ATE-UO Trans 107 VDS [V] ID [mA] 4 2 8 12 + - VDS ID VGS 2,5KW 10V G D S VGS = 4,5V VGS = 4V Comportamiento resistivo Comportamiento como fuente de corriente VGS = 3,5V VGS = 3V VGS = 2,5V VGS < VTH = 2V Comportamiento como circuito abierto VGS = 0V < 2,5V < 3V < 3,5V < 4V < 4,5V Muy importante

27 IDPO » (VGS - VTH)2·Z·mn·Cox/2LC
Cálculo de las corrientes en la zona de fuente de corriente (canal contraído) y de la tensión umbral ATE-UO Trans 108 Ecuaciones no demostradas: IDPO » (VGS - VTH)2·Z·mn·Cox/2LC VTH » 2·fF + (ers·xox/erox)·(4·q·NA·fF/(ers·e0))1/2 Z = longitud en el eje perpendicular a la representación. Cox = Capacidad del óxido por unidad de área de la puerta. ers, erox y e0 = permitividades relativas del semiconductor y del óxido y permitividad absoluta. xox = grosor del óxido debajo de la puerta. fF =VT·ln(NA/ni)

28 Los MOSFET de deplexión (I)
ATE-UO Trans 109 G D S + P- Substrato N+ N- Existe canal sin necesidad de aplicar tensión a la puerta. Se podrá establecer circulación de corriente entre drenador y fuente sin necesidad de colocar tensión positiva en la puerta. Modo ACUMULACIÓN: Al colocar tensión positiva en la puerta con relación al canal, se refuerza el canal con más electrones procedentes del substrato. El canal podrá conducir más. V1 G D S + P- Substrato N+ N- - VGS=V1

29 Los MOSFET de deplexión (II)
ATE-UO Trans 110 G D S + P- Substrato N+ N- V1 + - VGS=-V1 Operación en modo DEPLEXIÓN: Se debilita el canal al colocar tensión negativa en la puerta con relación al substrato. El canal podrá conducir menos corriente.

30 Los MOSFET de deplexión (III)
ATE-UO Trans 111 Cuando se aplica tensión entre drenador y fuente se empieza a contraer el canal, como ocurre en los otros tipos de FET ya estudiados. Esto ocurre en ambos modos de operación. VDS ID V1 G D S + P- Substrato N+ N- + + Modo deplexión VDS ID V1 G D S + P- Substrato N+ N- - - Modo acumulación

31 Comparación entre las curvas características de los MOSFET de enriquecimiento y de deplexión
ATE-UO Trans 112 ID [mA] VDS [V] 4 2 6 VGS < VTH = 2V VGS = 2,5V VGS = 3V VGS = 3,5V VGS = 4V VGS = 4,5V Enriquecimiento Muy importante Deplexión ID [mA] VDS [V] 4 2 6 VGS < -1,5V VGS = -1V VGS = -0,5V VGS = 0V VGS = 0,5V VGS = 1V Modo acumulación Modo deplexión

32 Comparación entre los símbolos de los MOSFET de enriquecimiento y de deplexión con ambos tipos de canal ATE-UO Trans 113 Canal N G D S Tipo enriquecimiento G D S Tipo deplexión Canal P D Tipo enriquecimiento G S G D S Tipo deplexión

33 Comparación de los circuitos de polarización para trabajar en zona resistiva o en zona de fuente de corriente con MOSFET de ambos tipos de canal ATE-UO Trans 114 + - VDS ID VGS R V2 G D S V1 Canal N + - VDS -ID VGS R V2 G D S V1 Canal P Hay que invertir los sentidos reales de tensiones y corrientes para operar en los mismas zonas de trabajo.

34 Comparación entre transistores JFET y MOSFET
ATE-UO Trans 115 ID + - VGS R V2 G D S V1 MOSFET, canal N IG = 0 G D S V1 R V2 ID - VGS + IG » 0 JFET, canal N La potencia que la fuente V1 tiene que suministrar estáticamente en un MOSFET es cero. Por tanto, la corriente IG es más pequeña aún que en el caso del JFET (que es casi cero, al estar polarizada inversamente la unión puerta-canal). La tensiones V1 y V2 comparten terminales del mismo signo en el caso del MOSFET. Esto facilita el control. Muy importante

35 Precauciones en el uso de transistores MOSFET
ATE-UO Trans 116 G D S + P- Substrato N+ El terminal puerta al aire es muy sensible a los ruidos. El óxido se puede llegar a perforar por la electricidad estática de los dedos. A veces se integran diodos zener de protección. Existe un diodo parásito entre fuente y drenador en los MOSFET de enriquecimiento.