TEMA 7 TRANSISTORES DE EFECTO CAMPO

TEMA 7
TRANSISTORES DE
EFECTO CAMPO
INTRODUCCIÓN
4 TRANSISTOR DE EFECTO CAMPO (FET)
Dispositivos semiconductores donde el control de la corriente se realiza
mediante un campo eléctrico
4 CARACTERÍSTICAS
* Dispositivo unipolar: un único tipo de portadores de carga
(portadores mayoritarios)
* Ocupa menos espacio en un circuito integrado que el bipolar
(grandes ventajas para aplicaciones de microelectrónica)
* Gran impedancia de entrada
* Menos afectado que el BJT por diferentes fuentes de ruido
* Carece de tensión umbral (JFET y MOSFET empobrecido)
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4 TIPOS DE TRANSISTORES DE EFECTO CAMPO
* De unión: JFET (Junction Field Effect Transistor)
o
FET
* De puerta aislada: IGFET (Insulated Gate Field Effect Transistor)
MOS (Metal Oxide Semiconductor)
MOST
MOSFET
ESTRUCTURA DE LOS JFET
* Barra semiconductora con contactos óhmicos en los extremos
* JFET puede ser de canal N o canal P
* Puerta muy impurificada con portadores distintos a los de la barra
* Elementos: Fuente o surtidor (S) -> por donde entran los portadores
Drenador (D) - > por donde salen los portadores
Puerta (G) -> elemento de control
Canal -> región situada entre las dos difusiones de puerta
* La tensión puerta fuente (VGS) polariza inversamente las uniones
2
La corriente entre drenador y fuente se controla mediante el campo
creado por la polarización inversa aplicada a la puerta.
Cualquiera de los extremos se puede usar como fuente
SÍMBOLOGÍA DE LOS JFET
D
G
D
G
S
Canal N
S
Canal P
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ESQUEMA BÁSICO DE
POLARIZACIÓN
+
IG
ID
+
VGG
VDS
IS
VDD
VGS
_
_
Para el canal P el esquema es idéntico pero con polaridades invertidas
CANAL N
VGS negativa
VDS positiva
ID positiva
CANAL P
VGS positiva
VDS negativa
ID negativa
CURVA CARACTERÍSTICA
ID = f(VDS, VGS)
4
4 PARA VGS = 0:
* VDS pequeña (<VP): Canal casi completamente abierto. Resistencia
pequeña y aproximadamente constante. Comportamiento lineal.
=> REGIÓN ÓHMICA
* VDS cercana a VP: Canal se va cerrando por un punto y la resistencia
aumenta con la tensión. Comportamiento no lineal.
=> REGIÓN DE CONTRACCIÓN
* VDS > VP: La resistencia rds es grande y aproximadamente constante.
No se puede cerrar completamente el canal porque dejaría de
circular corriente y desaparecería la tensión inversa en la unión
puerta-canal. JFET se comporta como fuente de corriente.
=> REGIÓN DE SATURACIÓN
* VDS muy elevada (VDS ≥ BVDS): Conducción inversa en las uniones
puerta-canal, lo que supone un aumento muy grande de la ID que
produce la destrucción del JFET.
=> REGIÓN DE RUPTURA
ZONAS DE FUNCIONAMIENTO
ID
ÓHMICA: |VDS| < ||Vp| - |VGS||
CONTRACCIÓN: |VDS| ≈ ||Vp| - |VGS||
SATURACIÓN: |VDS| > ||Vp| - |VGS||
VGS = 0
RUPTURA:
VDS elevada
|VGS|= |Vp|
VDS
CORTE: |VGS| > |Vp|
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4 REGIÓN ÓHMICA (Valores pequeños de VDS: |VDS| < | |VP| - |VGS| |)
* Resistencia óhmica:
Canal N => rds =
1
L
1
L
=
σ 2 ⋅ a ⋅ w q ⋅ N D ⋅ µn 2 ⋅ a ⋅ w
* Valores usuales de la resistencia entre 100 Ω y 100 KΩ
rds > Rcesat (transistor bipolar)
* Cada VGS define un valor de resistencia distinto
* ID = f (VDS) -> función lineal.
4 REGIÓN DE CONTRACCIÓN (|VDS| ≈ | |VP| - |VGS| |)
* Al elevar VDS, ID deja de crecer linealmente => se entra en la zona
de contracción => se alcanza la anchura mínima del canal (δ)
* Al aumentar más VDS, el canal no se estrecha más (δ permanece
constante) y aumenta la longitud de la zona de estrechamiento
máximo => se entra en la zona de saturación
4 REGIÓN DE SATURACIÓN (|VDS| > | |VP| - |VGS| |)
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4 REGIÓN DE SATURACIÓN (|VDS| > | |VP| - |VGS| |)
La anchura mínima del canal es δ. Al aumentar la tensión entre
drenador y fuente, δ permanece constante y aumenta L’ y se entra
en la zona de saturación.
IDS : Corriente de drenador en saturación
2
⎛ |V | ⎞
I DS = I DSS ⎜⎜1 − GS ⎟⎟
| VP | ⎠
⎝
I DS
IDSS: Corriente de drenador en saturación
para VGS = 0
⎛ |V | ⎞
= I DSS ⎜⎜1 − GS ⎟⎟
| VP | ⎠
⎝
2
IDS
CANAL N
IDSS
Vp
Vp
IDSS
VGS
CANAL P
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4 REGIÓN DE CORTE (|VGS| ≥ |VP|)
|VGS| ≥ |VP| => El canal desaparece => IDS ≈ 0
G
Región de deplexión
S
D
G
4 REGIÓN DE RUPTURA (|VDS| ≥ BVDS)
Cuando la tensión drenador fuente es muy grande, la corriente de
drenador se eleva mucho y se llega a la destrucción del FET
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CÁLCULO DE LA TENSIÓN DE CONTRACCIÓN (VP)
N A >> N D ⇒ Wn ≈ W >> W p
q ⋅ N D ⋅ w2
V j = V0 + VI =
2ε
Demostrado cuando se
calculó la capacidad de
transición del diodo
w( x ) = a − b ( x ) =
w( x ) = a − b ( x ) =
2ε
(Vo + V ( x ) )
q ⋅ ND
2ε
(Vo + V ( x ) )
q ⋅ ND
Si b = δ ≈ 0 (estrangulamiento máximo) y Vo << V(x), entonces:
a=
2ε
q ⋅ ND 2
Vp ⇒ Vp =
a
q ⋅ ND
2ε
Vp es la VDS que provoca el estrangulamiento o estrechez máxima en
un punto para VGS=0
Vp es la VGS que corta completamente el canal
Si VDD = 0 => ID = 0 => Vo + V(x) = |VGS| independientemente de x
2ε
2ε
⎛ b⎞
2
VGS ⇒ (a − b ) =
VGS ⇒ VGS = ⎜1 − ⎟ V p
q ⋅ ND
q ⋅ ND
⎝ a⎠
2
a−b =
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EL TRANSISTOR MOS
MOS: Metal Oxide Semiconductor
Los transistores de efecto campo de puerta aislada de acumulación
tienen la característica de presentar una ID nula con VGS = 0, lo cual
es interesante para trabajar en conmutación.
Estos transistores tienen una impedancia de entrada elevada, del orden
de 1010 a 1015 Ω
Canal P (sustrato N
impur. P+)
de enriquecimiento o acumulación
Canal N (sustrato P
impur. N+)
MOS
Canal P (sustrato N
impur. P+)
de empobrecimiento o de deplexión
Canal N (sustrato P
impur. N+)
ESTRUCTURA DE UN MOSFET DE
ACUMULACIÓN DE CANAL P
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ESTRUCUTRA DE UN MOSFET DE
DEPLEXIÓN DE CANAL N
MOS DE ACUMULACIÓN
ID = f(VDS, VGS)
Región de no saturación u óhmica: |VDS| < |VGS - VTH|
|ID|
Región de contracción: |VDS| ≈ |VGS - VTH|
Región de saturación: |VDS| > |VGS - VTH|
|VGS|
|VDS|
|BV|
Región de corte: |VGS| < |VTH|
Tensión de ruptura
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4 CURVAS CARACTERÍSTICAS EN SATURACIÓN
Transistores enriquecidos
CANAL N
CANAL P
ID
V TH
ID
VGS
VGS
VTH
I D = K (VGS − VTH )
para VGS > VTH
mA
K = 0,3 2
Valor típico
V
2
Transistores empobrecidos
CANAL P
CANAL N
ID
ID
Vp
Deplexión
VGS
Acumulación
IDSS
IDSS
VGS
⎛ V
I D = I DSS ⎜⎜1 − GS
VP
⎝
-Vp
⎞
⎟
⎟
⎠
2
4 SÍMBOLOS GRÁFICOS
C anal P
C anal N
D
G
S
D
D
E M P O B R E C ID O S O
D E D E P L E X IÓ N
( D E P L E T IO N )
G
S
D
E N R IQ U E C ID O S O
G
D E A C U M U L A C IÓ N
S
(E N H A C E M E N T )
O tr o tip o d e s ím b o l o :
G
S
D
D
D E P L E X IÓ N
G
G
S
S
D
D
A C U M U L A C IÓ N
G
G
S
S
E n e le c tr ó n ic a d ig ita l:
D
G
D
A C U M U L A C IÓ N
G
S
S
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EL MOS EN CONMUTACIÓN
ID
+VDD
VGS = VDD
RL
B
+
V’’’GS > V’’GS
D
G
+
Vent
Vsal
V’’GS > V’GS
S
_
_
V’GS > VTH
VGS = VTH
≈0
Vent
0
+VDD
Vsal
Vent
Vsal
+VDD
“0”
“1”
≈0
“1”
“0”
En lógica digital
VDS
A +VDD
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