TRANSITORES DE EFECTO DE CAMPO - Sitio...
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1 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
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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
2
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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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 V2DS puede
despreciarse, y entonces:
tGStGS
NMOS
DS
NMOS
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
Fig. 5.12 The iD - vGS characteristic for an enhancement-type NMOS transistor in saturation (Vt = 1 V and k’n(W/L) =
0.5 mA/V2).
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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 región
De saturación (ó zona activa)
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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)
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)
Fig. 5.21 The current-voltage characteristics of a depletion-type n-
channel MOSFET for which Vt = -4 V and k’n(W/L) = 2 mA/V2: (a)
transistor with current and voltage polarities indicated; (b) the iD - vDS
characteristics; (c) the iD - vGS characteristic in saturation.
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TRANSISTOR MOSFET DE CANAL N DE
DEPLEXIÓN (CONT):
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
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> 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
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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
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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
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 MOSFET
Análisis 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)
Transistor de efecto de campo de Potencia
(MOSFET)
Características
• Son controlados por voltaje If se aproxima a cero
• Entre el contacto metálico y la capa N existe un contacto metálico
• Tiempos de encendido y Apagado pequeños
• No tienen zona de segunda avalancha, por lo que son térmicamente estables
• Tienen un Vds alto (Vce) (2 a 4V) por lo que las pérdidas estáticas aumentan
• Tienen problemas con descargas electrostáticas
• Son de costo alto, sirven para trabajo a alta frecuencia y media potencia
Características
• El Mosfet no tiene portadores minoritarios, hace que las
conmutaciones se produzcan en tiempos muy cortos
Típico:
» Toff = 100ns
» Ton = 50ns
• Circuitos de disparo simples
• Habilidad para el paralelaje
BJT vs MOSFET
• BJT
– Recombinación, limita velocidad de operación
– Controlado por corriente
– Dispositivo de portadores minoritarios
BJT vs MOSFET
• MOSFET
– Controlado por voltaje
– Dispositivo de portadores mayoritarios
– Compuerta eléctricamente aislada, por lo que
presenta una alta impedancia de entrada
Control del MOSFET
Un voltaje positivo aplicado a la
compuerta genera un campo eléctrico
que convierte la región p en una región
n.
Este fenómeno se conoce como
inversión de superficie y permite la
circulación de corriente entre el drain y
el source
Características
RDS= Resistencia de salida D-S
RDS= DVDS /Dio
Es alta en la región de
estrechamiento (MW)y baja en
la región lineal (mW
Protecciones
• Igual que el BJT
• Cuidas que VGS no exceda el voltaje,
normalmente esta entre 20V – 30V
