Transistores de Efecto de Campo.

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
Tema 8.- Transistores de efecto de
campo
1
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
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campo
2
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 (gm) es menor
que en los BJts, y por lo tanto tienen menor ganancia.
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DIFERENTES TIPOS DE TRANSISTORES FET
Tema 8.- Transistores de efecto de
campo
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TRANSISTOR MOSFET DE CANAL N DE
ENRIQUECIMIENTO Ó ACUMULACIÓN
Tema 8.- Transistores de efecto de
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TRANSISTOR MOSFET DE CANAL N (N-MOS) DE
ENRIQUECIMIENTO Ó ACUMULACIÓN(CONT)
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EL N-MOS DE ACUMULACIÓN (CONT)
CREACIÓN DEL CANAL
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EL N-MOS DE ACUMULACIÓN (CONT)
ESTANGULACION DEL CANAL
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8
N-MOS DE ENRIQUECIMIENTO EN REGIÓN ÓHMICA (CONT)
Si:
vGD  (vG  vD )  vt  región óhmica
Entonces la corriente de drenador viene dada por:

iD  K 2 vGS  vto )vDS  v
2
DS


k
2

2 vGS  vto )vDS  vDS
2
Tema 8.- Transistores de efecto de
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
9
N-MOS DE ENRIQUECIMIENTO EN REGIÓN ÓHMICA
(CONT)
Es decir:

iD  K 2 vGS  vto )vDS  v
2
DS


k
2

2 vGS  vto )vDS  vDS
2

W
 n Cox  parámetro de transconduc tan cia
Donde:
L
Siempre que se cumpla que: vGD  vt ó vDG  vt
k
Y teniendo en cuenta que vDG=vDS-vGS
Es lo mismo que decir: siempre que se cumpla que:
vDS <vGS- vt , además de vGS> vt
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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 VDS pequeños, el término V2DS puede
despreciarse, y entonces:


2
iD  K 2 vGS  vto )vDS  vDS
 K  2vGS  vto )vDS  
Donde
RNMOS 
1
2 K VGS  Vt 

1
RNMOS
VDS
1
k VGS  Vt 
Siempre que 2
2
vDS  2vGS  Vt vDS  vDS
 10  2vGS  Vt vDS
se verifique:
ó : vDS  0,2 vGS  Vt
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FUNCIONAMIENTO EN LA REGIÓN DE
SATURACIÓN (ZONA ACTIVA)
LÍMITE DE REGIONES
Cuando vDS se hace igual a vGS- vt , 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
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FUNCIONAMIENTO EN LA REGIÓN DE
SATURACIÓN
LÍMITE DE REGIONES (CONT)
El límite de las dos regiones viene marcado por la igualdad:
vDS =vGS- vt
Y sustituyendo en la expresión
de iD :
iD=K (vDS)2 = (k/2) (vDS)2 ,
que es la parábola que fija la
zona límite entre las dos
regiones
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FUNCIONAMIENTO EN LA REGIÓN DE
SATURACIÓN
(O TAMBIÉN LLAMADO ESTADO ACTIVO)
Por tanto:Cuando vDS >vGS- vt , además de vGS> vt el transitor
está en la región de saturación, y entonces iD se hace constante y vale:
iD=K (vGS-vt)2 = (k/2) (vGS-vt)2
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MODELOS DE GRAN SEÑAL PARA EL NMOS DE
ENRIQUECIMIENTO
Zona de Corte:
vGS<= (Vt>0)
Zona óhmica: vGS> vt y además:
vDS <vGS- vt o lo que es lo mismo:
vDG<-Vt
Característica de transferencia en la región
De saturación (ó zona activa)
Zona activa: vDS >vGS- vt , además de vGS> vt
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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
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TRANSISTOR MOSFET DE CANAL N DE
DEPLEXIÓN (CONT)
Observe en el símbolo que D y S
están unidos por un trazo continuo
Ahora aún con vGS cero, existe un canal de conducción, y podrá
haber corriente de circulación entre drenador y surtidor.
Habrá que aplicar una tensión vGS negativa para que el canal
desaparezca y el transistor deje de conducir
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TRANSISTOR MOSFET DE CANAL N DE
DEPLEXIÓN (CONT)
Tema 8.- Transistores de efecto de
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TRANSISTOR MOSFET DE CANAL N DE
DEPLEXIÓN (CONT):
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
Carcterística de transferencia en la
Zona activa (ó región de saturación)
Tensión umbral: vt esencialmente negativa
IDSS= corriente de drenador para VGS=0 (en zona activa)
Expresiones y zona límites idénticas a los NMOS de enriquecimiento
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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
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TRANSISTOR MOSFET DE CANAL P (P-MOS),
DE ENRIQUECIMIENTO
El transistor estará a corte si vGS> vt
En los transistores P-MOS de enriquecimiento,
Vt es esencialmente negativa
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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, Vt esencialmente positiva
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TRANSISTOR MOSFET DE CANAL P (P-MOS)
DE DEPLEXIÓN (CONT)
Tensión umbral: vt esencialmente positiva
IDSS= corriente de drenador para VGS=0 (en zona activa)
Expresiones y zona límites idénticas a los PMOS de enriquecimiento
Tema 8.- Transistores de efecto de
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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)
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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
Tema 8.- Transistores de efecto de
campo
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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:
iD=K (vGS-vt)2 = (k/2) (vGS-vt)2
iG=0; ID=IS
Que junto a las ecuaciones impuestas por la red
de polarización (ecuaciones de polarización)
VDS  Vdd  Vss  Rd  Rs I D
VGS  Vgg  Rg I g  Rs I s  Vss
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
Tema 8.- Transistores de efecto de
campo
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POLARIZACIÓN DE LOS TRANSISTORES MOSFET
Análisis de transistores en estado activo (cont)
[1]
iD=K (vGS-vt)2 = (k/2) (vGS-vt)2
iG=0; ID=IS
VDS  Vdd  Vss  Rd  Rs I D
VGS  Vgg  Rg I g  Rs I s  Vss
que con I G  0 
VDS  Vdd  Vss  Rd  Rs I D 
2
VGS  Vgg  Vss  Rs I D

[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
Tema 8.- Transistores de efecto de
campo
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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)
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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.
Tema 8.- Transistores de efecto de
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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 vR=vGS<= vt, el transistor no está en conducción, y por tanto
iR=0.
Cuando v >= V , el está en
R
t
conducción y además en la zona
activa (saturación), ya que se
cumple la desigualdad VDG>-Vt
iR=K (vR-vt)2 = (k/2) (vR-vt)2
Aunque la característica i-v es una cuadrática
en vez de una exponencial, se puede hablar
de “transistor conectado como diodo”
Tema 8.- Transistores de efecto de
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RESISTENCIAS NO LINEALES DE
ENRIQUECIMIENTO (CONT)
CONEXIÓN CON FUENTE DE POLARIZACIÓN:
La figura muestra una variación que utiliza una fuente de
polarización externa. Con VGS=VR+Vt ,, si VR<=0 el transistor no
está en conducción; si VR >=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.
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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 VGS=0.
Cuando VR=VDG <= -Vt
(Vt es negativo en lo transistores de deplexión)
El dispositivo es óhmico.
Cuando VR=VDG >-Vt el dispositivo se comportará como una
fuente de corriente constante
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campo
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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 vx puede ajustarse
fácilmente en función de las dimensiones w1
,L1 y w2, L2 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.
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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
Tema 8.- Transistores de efecto de
campo
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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
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campo
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TRANSISTORES MESFET (CONT)
Tema 8.- Transistores de efecto de
campo
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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.
Tema 8.- Transistores de efecto de
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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
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campo
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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 Vto (VP) es valor necesario de la
tensión puerta - canal para que desaparezca el canal conductor
Tema 8.- Transistores de efecto de
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TRANSISTOR J-FET DE CANAL N (CONT)
La tensión de estrangulamiento Vto (Vp), 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 VGS debe ser: Vto<=VGS<=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 VGS
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CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UN JFET DE
CANAL N
El J-FET es un dispositivo de tres estados:
Zona de corte si : vGS  VP  0 entonces: ID=IS=0
Zona de conducción : vGS
Zona óhmica si : VD  VG  VP VDG  VP
 VP 
Zona activa si : VD  VG  VP  VDG  VP
El límite entre la zona óhmica y la activa viene marcada en viene
marcada por la igualdad VDG=-VP
Tema 8.- Transistores de efecto de
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ZONAS DE FUNCIONAMIENTO DE UN JFET DE
CANAL N
El JFET es un dispositivo muy parecido a los MOSFET.
A tensiones VDS pequeñas, el dispositivo funciona como
una resistencia controlada por la tensión VGS
Cuando VDS alcanza tensiones suficientemente elevadas, es
decir cuando :
vDG  vDS  vGS  VP
Entonces polarización inversa de drenador es tan grande que el
canal se estrangula, y un incremento adicional de VDS 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
Tema 8.- Transistores de efecto de
campo
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ESTADO ÓHMICO DEL TRANSISTOR JFET
El JFET de canal N, se encuentra en el estado óhmico o zona
óhmica si:
VGS  VP y además : VDG  VP
Entonces, la corriente de drenador viene dada por la expresión:
iD
  2  v
2

GS  VP v DS vDS 
4 Si
W
n
Donde β (K), tiene la expresión:  
L
3tN D
W,L,t, son la anchura, longitud, y espesor del canal. µn la movilidad de los
electrones, ND la concentración del dopado, y εSi la constante dieléctrica del
silicio
Tema 8.- Transistores de efecto de
campo
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Resistencia del JFET controlada por tensión
2
Si en la ecuación:

iD   2  vGS  VP  v DS vDS
vDS es tan pequeño que el término cuadrático es despreciable,
1
1
entonces:
iD  2 vGS  VP VDS 
vDS ; RN  JFET 
RN  JFET
2 vGS  VP 
Esta expresión se podrá considerar válida si: v  0,2v  V 
DS
GS
P
Discusión interpretativa:
Compare la definición dada de RN-JFET
con la de resistencia dinámica rd,JFET,:
1
rd , JFET
iD

vDS
I DQ ,VDSQ
Tema 8.- Transistores de efecto de
campo
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ESTADO ACTIVO DEL TRANSISTOR JFET
El JFET de canal N, se encuentra en el estado activo o zona de
saturación del canal si:
VGS  VP y además : VDG  VP (VP negativo en los JFET N)
Entonces, la corriente de drenador viene dada por la expresión:
iD   vGS  VP 
2
La corriente iD que circula cuando VGS es igual a cero y el
transistor está en estado activo, se denomina IDSS
I DSS  Vp2
IDSS es un parámetro que suele aparecer en las hojas de
características, junto con VP, de los cuales se puede deducir β
Tema 8.- Transistores de efecto de
campo
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