Transistores

Objetivos Entender la distribución y movimientos de carga en los transistores Conocer las estructuras, funcionamiento y características de los diferentes tipos de transistor Ser capaz de explicar les diferencias entre el transistor de unión, el JFET y el MOSFET Conocer algunas aplicaciones

Transistores El transistor de unión El transistor de efecto campo Polarización El amplificador Modelos El transistor de efecto campo El JFET El MOSFET Circuitos lógicos, memorias, CCDs, TFTs Fundamentos físicos de la informática, cap. 10 L. Montoto, Fundamentos físicos de la informática y las comunicaciones, Thomson, 2005 A.M. Criado, F. Frutos, Introducción a los fundamentos físicos de la informática, Paraninfo, 1999

Transistores

El transistor bipolar de unión (BJT) Emisor Colector Base - - I - - e- Emisor Colector Base Base poco dopada Emisor más dopado que colector

Unión no polarizada p n p r E r E V0 V

El transistor polarizado (saturación) B C r r E E V V I + I = I B C E similar a dos diodos con polarización directa

El transistor polarizado (corte) V IE = IC = IB = 0 V0 similar a dos diodos con polarización inversa

Transistor polarizado en forma activa (P) Emisor (N) Base (P) Colector I pB I I E C I I nB nC I BB I B

Transistor polarizado en forma activa (P) Emisor (N) Base (P) Colector I pB I I E C I I nB nC I BB I B BC inversa puede conducir si BE directa Los huecos que se difunden de E a B llegan a C b factor de ganancia

IE = IpB + InB IB = -InC + IBB +InB IC = IpB - IBB + InC (P) Emisor (P) Colector (N) Base IpB, huecos que por difusión pasan del emisor a la base. IpB IE IC InB InC IBB InB, electrones que pasan de la base al emisor. IB InC, débil corriente de electrones del colector a la base. IBB, electrones procedentes del circuito para cubrir las recombinaciones. IE = IpB + InB IB = -InC + IBB +InB IC = IpB - IBB + InC

Configuraciones del transistor Hay 4 variables que dependen el tipo de conexión: Vsalida, Ventrada, Isalida, Ientrada. E B C B E C B E C Base común Variables: VBE, VCB, IE, IC Emisor común Variables: VBE, VCE, IB, IC Colector común Variables: VCB, VCE, IB, IE

Configuración en emisor común IC = 99 mA RC C C RB B IC n RC IB VCE VBB VBE VCC RB E 99 % p B 1 % VCC IB = 1 mA n VBB 100 % E IE = 100 mA

Control de temperatura básico con AO ventiladores

Curva característica de entrada IB RC C RB B IC VCE IB VBE VCC VBB E VBE 0,7 V VBE = VBB - IB RB VBE  0,7 V

Curva característica de salida RC (mA) IB = 60 µA C RB B IC IB = 40 µA VCE IB IB = 20 µA VBE VCC VBB E VCE (V) VCE = VCC - IC RC

Emisor común: variables Variables: VBE, VCE, IB, IC RB IC VBE  0,7 V para silicio IB VCE VBB VBE VCC VBE = VBB - IB RB +VCC IC IC = bIB RC RB Vsalida VCE = VCC - IC RC IB Ventrada

Curvas características del transistor CE IB = 80 µA  Región de saturación   „ IC ( mA)  Región activa IB = 60 µA  Región de corte IB = 40 µA „ Ruptura IB = 20 µA RC RB VBE VCC VBB VCE IB = 0 µA  VCE (V) En región activa: unión EB con polarización directa, BC con polarización inversa. Aplicación en amplificación. En región de corte: las dos uniones polarizadas inversamente: circuito abierto. En región de saturación: las dos uniones polarizadas directamente: cortocircuito.

Línea de carga y punto de funcionamiento b = 100 VBE  0,7 V RC =1 kW VBE = -IB RB+ VBB RB=16 kW IC VBB = 2 V IB VCE VBE VCC=10 V Ic = bIB = 8,125 mA IC VCE = VCC - IC RC = 10 - 8,125 = 1,875 V Q IB4 Q Corte IB3 IB2 Región activa línea de carga IB1 Saturación Q VCE VCC = 10 V

Línea de carga y punto de funcionamiento

Línea de carga y punto de funcionamiento RC RB IC VCC VBB VBE VCE IB4 VCE = -IC RC+ VCC IB3 Q IB2 línea de carga IB1 O VCC VCE VCE IC RC

Punto de funcionamiento: IB IC IB4 RC IB3 RB IC IB2 IB VCE VBE VBB VCC IB1 VCC VCE

Punto de funcionamiento: RC IC IB4 RC IB3 RB IC IB2 IB VCE VBE VBB VCC IB1 VCC VCE

Punto de funcionamiento: VCC IC IB4 RC IB3 RB IC IB2 IB VCE VBE VBB VCC IB1 VCE VCC1 VCC2 VCC3

El transistor como conmutador Si VBB , IB = , IE IC = VCC/RC zona de saturación cortocircuito CE VCE = 0 B E C IC Si VBB = 0 o < 0,7 V, IB = 0, IE IC  0, VCE = VCC Zona de corte circuito abierto VCE = VCC VCC VCE

Circuito inversor simple +VCC RC RB Vsalida Ventrada A Y Y = not A INVERSOR Ventrada Vsalida

Transistor de unión: amplificador IE IC P Emisor N Base P Colector E C A B IB RL D VEB V DVAD = RLDIC (-IC) = gm VEB gm : transconductancia

Transistores de efecto campo Transistor de efecto campo de unión (JFET) Transistor de efecto campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET)

Transistores de efecto de campo de unión (JFET) Contactos óhmicos Drenador D n Región de agotamiento p p Puerta G Fuente S

Transistor de efecto campo de unión (JFET) Puerta Drenador Fuente -VDD +VDD IG D IG D G G VG VG S S Canal n Canal p

Transistores de efecto de campo de unión ID ID p VDD G Transistores de efecto de campo de unión ID IDSS Al aumentar la tensión entre Drenador y Fuente VDS, la intensidad ID aumenta, al tiempo que se estrecha el pasillo debido al incremento de la de las uniones p-n y la ampliación de la región de agotamiento. El pasillo se cierra para VDS = VP; tensión para la que ID deja de aumentar. VP Voltaje de estrechamiento VDS

Transistores de efecto de campo de unión (JFET) ID p n n ID S ID S ID p VDD p VDD VGS=0 G G Manteniendo nula la tensión entre la fuente y G, VGS, al aumentar la tensión entre Drenador y Fuente VDS, la intensidad ID aumenta, al tiempo que se estrecha el pasillo debido al incremento de la de las uniones p-n y la ampliación de la región de agotamiento .

Estrechamiento del canal Para VGS=0 n p ID S ID Corriente de saturación, IDSat p VDD ID IDSS Estrechamiento del canal, aumento de la resistencia G Al aumentar la tensión entre Drenador y Fuente VDS, la intensidad ID aumenta, al tiempo que se estrecha el pasillo debido al incremento de la de las uniones p-n y la ampliación de la región de agotamiento El pasillo se cierra para VDS = VP Región de comportamiento óhmico Voltaje de estrechamiento, VP VP VDS

Estrechamiento del canal Con valores negativos de VGS el pasillo se cierra antes, siendo la corriente de saturación menor n p ID ID S ID p VDD G ID IDSS VGS= 0 V VGS< 0 IDSat3 VGS= -1 V IDSat2 VGS= -3 V IDSat1 VGS= -VP VDS VP (para VGS=0) VP

Intensidad de saturación IDS=f(VGS) ID (mA) IDSS VGS= 0 V 5 VGS= -1 V VGS= -2 V VP 1 VGS= -3 V VGS (V) -5 -4 -3 -2 -1 5 10 15 VDS (V) VP = 5 V VGS= -VP

Transistor de efecto campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET) G D S G D n n n n p p de enriquecimiento de agotamiento Transistor de efecto campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET) Formado por una placa de metal y un semiconductor, separados por una zona de óxido del semiconductor - por ejemplo SiO2 - de unos 100 nm de espesor. Posee cuatro electrodos: Compuerta, gate en inglés, simbolizado con G; que se conecta a la placa metálica. Fuente (Source) y drenador (Drain), ambos simétricos, que se internan en el sustrato. Sustrato (Body), generalmente conectado eléctricamente con la fuente. D D D D G sustrato G sustrato G sustrato G sustrato p n p n nMOS-FET de enriquecimiento pMOS-FET de enriquecimiento nMOS-FET de agotamiento pMOS-FET de agotamiento S S S S

MOSFET de enriquecimiento n G sustrato p S G Contactos metálicos D S SiO2 n n p

Formación del canal en el MOSFET de enriquecimiento n G sustrato p S VGS>VT G e- atraídos por la puerta + ID S +++++++++++++ D - - - - - - - - - - - - - - - - - n n p VDS Región de agotamiento

Formación del canal en el MOSFET de enriquecimiento n G sustrato p S VGS>VT G ID S +++++++++++++ D - - - - - - - - - - - - - - - - - n n p VDS Al aumentar VDS, se estrecha el canal, alcanzándose la I de saturación, IDS

Característica MOSFET de enriquecimiento de canal n En ausencia de canal para VGS = 0, no hay corriente ID. Es necesario un valor mínimo de voltaje umbral VT positivo de VGS para que se forme el canal. Aumentando VGS aumenta el valor de la corriente de saturación + VD - - - - - - - - - + + + + + n+ p G S D + VDS + VG - - - - - - - - - - - - - - - - - + VG + + + + + + n+ p G S D + VDS=VDsat G S D n+ n+ p Característica MOSFET de enriquecimiento de canal n ID (mA) 5 3 7 ID (mA) VGS (V) 1 2 4 6 8 VT VGS= 7 V VGS= 6 V VGS= 5 V VGS= 4 V VGS= VT VDS

MOSFET de agotamiento n G sustrato p S G S D n n n p

MOSFET de agotamiento n G sustrato p S G VGS = 0 ID S D - - - - - - - - - - - - - - - - - n n n p VDS Con VGS=0 ya existe canal y los e- del canal son atraídos por D

MOSFET de agotamiento n G sustrato p S G - VGS < 0 ID S — — — — — — D n - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + n n - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + p VDS Con VGS<0, los e- del canal son repelidos hacia la zona p, recombinándose con huecos. La corriente de saturación disminuye.

Característica MOSFET de agotamiento de canal n - VG - - - - - - - n+ p G S D + VDS=VDsat - - - - - - - - - + VDS D G sustrato p S G S D n+ n n+ p Característica MOSFET de agotamiento de canal n VGS (V) -3 -2 -1 1 VP 5 10 IDSS ID (mA) -4 ID (mA) VGS= 1 V 10 VGS= 0 V 5 VGS= -1 V VGS= -2 V VGS= -3 V 5 10 15 VDS (V)

Aplicaciones: circuitos lógicos puertas AND y OR, lógica de diodos Puerta “AND” con diodos Puerta “OR” con diodos 10 V A Vs B Vs R R 1N914 1N914

Del vacío al CMOS 1950: Abandono de las válvulas de vacío y sustitución por transistores individuales 1960: Circuitos integrados en sustrato de silicio 1980: Transistores de efecto campo 1993: Tecnología CMOS

Aplicaciones: circuitos lógicos tecnología CMOS Inversor (NOT)

Aplicaciones: memorias RAM DRAM G D S FILA BIT Se almacena un “1” en la celda cargando el condensador mediante una VG en fila y VD en bit La lectura se hace aplicando VG en fila y midiendo la corriente en la línea bit La lectura es un proceso destructivo. Hay que restaurar el valor leído SRAM

Aplicaciones: memorias ROM EPROM MOSFET ROM

Aplicaciones: CCD CMOS sensor CCD

Aplicaciones: TFT Estructura DRAM con celda LCD i LED RGB