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Tema 8.- Transistores de efecto de campo

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TRANSITORES DE EFECTO DE CAMPO(Field effect transistor, FET)

INTRODUCCIÓN:Son dispositivos de estado sólidoTienen tres o cuatro terminalesEs el campo eléctrico el que controla el flujo de cargasEl flujo de portadores es de un único tipo ( o electrones ó huecos)Pueden funcionar en diferentes regiones de polarizaciónSegún en que región de polarización se encuentren, funcionan como:

Resistencias controladas por tensiónAmplificadores de corriente ó tensiónFuentes de corrienteInterruptores lógicos y de potencia


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INTRODUCCIÓN (Continuación)

Hay de bastantes tipos, pero los mas importantes son los:MOSFET (Metal-óxido semiconductor)

Normalmente tienen tres terminales denominados:DrenadorPuertaFuente 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 NHuecos si son de canal P


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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


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TRANSISTOR MOSFET DE CANAL N DE ENRIQUECIMIENTO Ó ACUMULACIÓN


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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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óhmicaregiónvvvv tDGGD )(Si:

Entonces la corriente de drenador viene dada por:

22 )22

)2 DSDStoGSDSDStoGSD vvvvk

vvvvKi

N-MOS DE ENRIQUECIMIENTO EN REGIÓN ÓHMICA (CONT)


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Es decir:

22 )22

)2 DSDStoGSDSDStoGSD vvvvk

vvvvKi

Donde: ciatanctranscondudeparámetroCL

Wk oxn

N-MOS DE ENRIQUECIMIENTO EN REGIÓN ÓHMICA (CONT)

Siempre que se cumpla que: tDGtGD vvóvv

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 V2

DS puede despreciarse, y entonces:

tGStGSNMOS

DSNMOS

DStoGSDSDStoGSD

VVkVVKRDonde

VR

vvvKvvvvKi

1

2

1

1)2)2 2

Siempre que se verifique:

DStGSDSDStGSDS vVvvvVvv 2102 22

tGSDS Vvvó 2,0:


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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 óhmica: vGS> vt y además:vDS <vGS- vt o lo que es lo mismo:

vDG<-Vt

Zona activa: vDS >vGS- vt , además de vGS> vt

Zona de Corte:vGS<= (Vt>0)

Característica de transferencia en la regiónDe saturación (ó zona activa)


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TRANSISTOR MOSFET DE CANAL N DE DEPLEXIÓN

Es casi idéntico al de enriquecimiento. La única diferencia esque hay un delgado canal de semiconductor de tipo n que conectala fuente y el drenador, antes de aplicar ninguna tensión a la puerta


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TRANSISTOR MOSFET DE CANAL N DE DEPLEXIÓN (CONT)

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

Observe en el símbolo que D y S están unidos por un trazo continuo


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TRANSISTOR MOSFET DE CANAL N DE DEPLEXIÓN (CONT)


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TRANSISTOR MOSFET DE CANAL N DE DEPLEXIÓN (CONT):

Tensión umbral: vt esencialmente negativaIDSS= corriente de drenador para VGS=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


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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> vtEn 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


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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 MOSFETAnálisis 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 desconocidoEn 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


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POLARIZACIÓN DE LOS TRANSISTORES MOSFETAnálisis 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

ssssggggGS

DsdssddDS

VIRIRVV

IRRVVV

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


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POLARIZACIÓN DE LOS TRANSISTORES MOSFETAnálisis de transistores en estado activo (cont)

[1] iD=K (vGS-vt)2 = (k/2) (vGS-vt)2

iG=0; ID=IS

2

0

DsssggGS

DsdssddDS

G

ssssggggGS

DsdssddDS

IRVVV

IRRVVV

Iconque

VIRIRVV

IRRVVV

[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


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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.


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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 vR >= Vt, el está en

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”


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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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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 inversamenteExisten 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


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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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TRANSISTORES MESFET (CONT)


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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 PConectadas 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.


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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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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


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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<=0En 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

0 PGS VvEl J-FET es un dispositivo de tres estados:Zona de corte si : entonces: ID=IS=0

PDGPGD

PDGPGDPGS VVVVVsiactivaZona

VVVVVsióhmicaZonaVvconduccióndeZona

:

::

El límite entre la zona óhmica y la activa viene marcada en viene marcada por la igualdad VDG=-VP


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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 : PGSDSDG Vvvv 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


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ESTADO ÓHMICO DEL TRANSISTOR JFET

PDGPGS VVademásyVV :

22 DSDSPGSD vvVvi

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:D

Sin tNL

W

3

4

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


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Resistencia del JFET controlada por tensión

22 DSDSPGSD vvVvi

PGSJFETNDS

JFETNDSPGSD Vv

RvR

VVvi

2

1;

12

PGSDS Vvv 2,0

Si en la ecuación:vDS es tan pequeño que el término cuadrático es despreciable, entonces:

Esta expresión se podrá considerar válida si:

Discusión interpretativa:Compare la definición dada de RN-JFET

con la de resistencia dinámica rd,JFET,:

DSQDQ VIDS

D

JFETd v

i

r,

,

1


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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:

PDGPGS VVademásyVV :

Entonces, la corriente de drenador viene dada por la expresión:

2PGSD Vvi

La corriente iD que circula cuando VGS es igual a cero y el transistor está en estado activo, se denomina IDSS

2pDSS VI

IDSS es un parámetro que suele aparecer en las hojas de características, junto con VP, de los cuales se puede deducir β

(VP negativo en los JFET N)

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