TransistoresTransistores
Presentación por José Quiles Hoyo
ObjetivosObjetivos
• 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
Presentación por José Quiles Hoyo
• El transistor de unión– 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
TransistoresTransistores
Presentación por José Quiles Hoyo
Presentación por José Quiles Hoyo
TransistoresTransistores
Presentación por José Quiles Hoyo
I---e-
-ColectorEmisor
Base
ColectorEmisor
Base
Colector Emisor Base
P N P
Colector Emisor Base
N P N
Base poco dopadaEmisor más dopado que colector
El transistor bipolar de unión (BJT)El transistor bipolar de unión (BJT)
Presentación por José Quiles Hoyo
p
r
E
pn
V V0
r
E
Unión no polarizadaUnión no polarizada
Presentación por José Quiles Hoyo
similar a dos diodos con polarización directa
p
r
E
pn
V V0
r
E
IE IB IC
IB + IC = IE
El transistor polarizado (saturación)El transistor polarizado (saturación)
Presentación por José Quiles Hoyo
p
r
E
pn
V
V0
r
E
IE = IC = IB = 0
similar a dos diodos con polarización inversa
El transistor polarizado (corte)El transistor polarizado (corte)
Presentación por José Quiles Hoyo
p
r
E
pn
r
E
(P) Emisor (P) Colector(N) Base
IE
IB
InB
IBB
InC
IpB
ICBC II β=
Transistor polarizado en forma activaTransistor polarizado en forma activa
Presentación por José Quiles Hoyo
(P) Emisor (P) Colector(N) Base
IE
IB
InB
IBB
InC
IpB
IC
BC inversa puede conducir si BE directaLos huecos que se difunden de E a B llegan a C
β factor de gananciaBC II β=
Transistor polarizado en forma activaTransistor polarizado en forma activa
Presentación por José Quiles Hoyo
(P) Emisor (P) Colector(N) Base
IE
IB
InB
IBB
InC
IpB
IB = -InC + IBB +InB IC = IpB - IBB + InCIE = IpB + InB
ICIpB, huecos que por difusión pasan del emisor a la base.
InB, electrones que pasan de la base al emisor.
IBB, electrones procedentes del circuito para cubrir las
recombinaciones.
InC, débil corriente de electrones del colector a la base.
Presentación por José Quiles Hoyo
Hay 4 variables que dependen el tipo de conexión:Vsalida , Ventrada , Isalida , Ientrada.
Base común
Variables:
VBE, VCB, IE, IC
E
B
C
Emisor común
Variables:
VBE, VCE, IB, IC
B
E
C B E
C
Colector común
Variables:
VCB, VCE, IB, IE
Configuraciones del transistorConfiguraciones del transistor
Presentación por José Quiles Hoyo
RC
VCCIB = 1 mA
VBB
RB
n
C
B p
n
IC = 99 mA
IE = 100 mAE100 %
99 %
1 %
99≅=βE
c
II
RC
RB
VBE VCCVBB
VCE
IC
IB
Configuración en emisor comúnConfiguración en emisor común
E
C
B
Presentación por José Quiles Hoyo
RC
RB
VBEVBB
VCE
IC
VCCE
C
B
Curva característica de entradaCurva característica de entrada
IB
VBE
IB
0,7 VVBE = VBB - IB RB
VBE ≈ 0,7 V
Presentación por José Quiles Hoyo
Curva característica de salidaCurva característica de salida
VCE (V)
IC
IB = 20 µA
IB = 40 µA
IB = 60 µA(mA)RC
RB
VBEVBB
VCE
IC
VCCE
C
B
IB
VCE = VCC - IC RC
Presentación por José Quiles Hoyo
Variables: VBE, VCE, IB, IC
RB
RC
+VCC
Vsalida
Ventrada
RC
RB
VBE VCCVBB
VCE
IC
IBVBE ≈ 0,7 V para silicio
IC = βIB
VBE = VBB - IB RB
VCE = VCC - IC RC
IC
IB
Emisor común: variablesEmisor común: variables
Presentación por José Quiles Hoyo
• 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.
IB = 0 µA
IB = 40 µA
IB = 20 µA
I C(
mA
)
VCE (V)
Región de saturación
Región activa
Región de corte
IB = 80 µA
IB = 60 µA
RCRB
VBEVCCVBB VCE
Ruptura
Curvas características del transistor CECurvas características del transistor CE
Presentación por José Quiles Hoyo
VBB (V) VCE (V) Ic (mA) IB (µA)0,7 10 0 00,8 9,375 0,625 6,250,9 8,75 1,25 12,5
1 8,125 1,875 18,751,2 6,875 3,125 31,251,4 5,625 4,375 43,751,6 4,375 5,625 56,251,8 3,125 6,875 68,75
2 1,875 8,125 81,252,2 0,625 9,375 93,752,3 0 10 100
VBE = -IB RB+ VBB
RC =1 kΩ
RB=16 kΩ
VBE VCC=10 VVBB = 2 V
VCE
IC
VCEVCC = 10 V
C
CC
RV
IB1
IB2
IB4
IB3
β = 100 VBE ≈ 0,7 V
VCE = VCC - IC RC = 10 - 8,125 = 1,875 V
A25,8116000
7,02 µ=−=−=B
BEBBB R
VVI
Ic = βIB = 8,125 mA
Q
Q
Q
Saturación
Corte
IC
IB
Reg
ión
activ
a
Línea de carga y punto de funcionamientoLínea de carga y punto de funcionamiento
Presentación por José Quiles Hoyo
Línea de carga y punto de funcionamientoLínea de carga y punto de funcionamiento
VBE 0,7 V VCE (V) Ic (mA)
0 12,00 5,550 6,4501000 Ω 12 0,00
100 κΩβ 150
12 V
5 V
43,000 IB 43,00 µA 30,1 PEB 30,10 µW6,450 Ic 6,45 mA 35,7975 PCE 35,80 mW6,493 IE 6,49 mA PT 35,83 mW5,550 VCE 5,55 V4,850 VCB 4,85 V
VCC
VB
RB
RC
0
2
4
6
8
10
12
14
0 2 4 6 8 10 12 14
Vcc (V)Ic
(mA
)
43,00 µA 6,45 mA
6,49 mA
5,55 V
E
C
B
Presentación por José Quiles Hoyo
VCE = -IC RC+ VCC
IC
VCE
Q
O
VCE IC RC
VCC
C
CECCC R
VVI
−=
C
CC
RV
RCRB
VBEVCCVBB VCE
IB1
IB2
IB4
IB3
Línea de carga y punto de funcionamientoLínea de carga y punto de funcionamiento
Presentación por José Quiles Hoyo
IC
VCE
IB1
IB2
IB4
IB3
RC
RB
VBE VCCVBBVCE
IC
IB
VCC
C
CC
RV
Punto de funcionamiento: IBPunto de funcionamiento: IB
Presentación por José Quiles Hoyo
IC
VCE
IB1
IB2
IB4
IB3
RC
RB
VBE VCCVBBVCE
IC
IB
VCC
1C
CC
RV
2C
CC
RV
3C
CC
RV
Punto de funcionamiento: RCPunto de funcionamiento: RC
Presentación por José Quiles Hoyo
IC
VCE
IB1
IB2
IB4
IB3
RC
RB
VBE VCCVBBVCE
IC
IB
VCC3
C
CC
RV 3
C
CC
RV 2
C
CC
RV 1
VCC2VCC1
Punto de funcionamiento: VCCPunto de funcionamiento: VCC
Presentación por José Quiles Hoyo
B E
B
C
IC
VCEVCC
Si VBB ↑, IB = ↑, IE ≈IC = VCC/RC
zona de saturación
cortocircuito CE VCE = 0
Si VBB = 0 o < 0,7 V, IB = 0,
IE ≈IC ≈ 0, VCE = VCC
Zona de corte
circuito abierto VCE = VCC
El transistor como conmutadorEl transistor como conmutador
Presentación por José Quiles Hoyo
VBB (V) VCE (V) Ic (mA) IB (µA)0,7 10 0 00,8 9,375 0,625 6,250,9 8,75 1,25 12,5
1 8,125 1,875 18,751,2 6,875 3,125 31,251,4 5,625 4,375 43,751,6 4,375 5,625 56,251,8 3,125 6,875 68,75
2 1,875 8,125 81,252,2 0,625 9,375 93,752,3 0 10 100
RB
RC
+VCC
Vsalida
Ventrada
Ventrada Vsalida
A Y
Y = not AINVERSOR
Circuito inversor simpleCircuito inversor simple
Presentación por José Quiles Hoyo
IE
IB
P
Emisor
P
Colector
N
Base
IC
RL
A
D
VEB V
E
B
C
gm : transconductancia
∆VAD = RL∆IC
∆(-IC) = gm ∆VEB
mLEB
AD gRVV =
∆∆
Transistor de unión: amplificadorTransistor de unión: amplificador
Presentación por José Quiles Hoyo
• Transistor de efecto campo de unión (JFET)
• Transistor de efecto campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET)
Transistores de efecto campoTransistores de efecto campo
Presentación por José Quiles Hoyo
n
Drenador D
Fuente S
Puerta Gp p
Región de agotamiento
Contactos óhmicos
Transistores de efecto de campo de unión (JFET)
Transistores de efecto de campo de unión (JFET)
Presentación por José Quiles Hoyo
D S
G
S D
G
n p n
n
p
p
a) b)
Canal n Canal p
Fuente Drenador
Puerta
+VDD
D
S
G
IG
VG
-VDD
D
S
G
IG
VG
Transistor de efecto campo de unión (JFET)Transistor de efecto campo de unión (JFET)
Presentación por José Quiles Hoyo
n
p
p
S
G
DIDID
VDD
ID
VDS
IDSS
VP Voltaje de estrechamiento
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.
Tra
nsis
tore
s de
efec
to d
e ca
mpo
de
unió
nT
rans
isto
res
de
efec
to d
e ca
mpo
de
unió
n
Presentación por José Quiles Hoyo
VDD VDD
n n p
pp
pS S
G G
D D
IDID IDID
VGS=0
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 .
Transistores de efecto de campo de unión (JFET)
Transistores de efecto de campo de unión (JFET)
Presentación por José Quiles Hoyo
VDD
n p
p
S
G
D
IDID
VDS
IDSSID
Región de comportamiento óhmico
Estrechamiento del canal, aumento de la resistencia
ParaVGS=0
VP
Voltaje de estrechamiento, VP
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 agotamientoEl pasillo se cierra para VDS = VP
Corriente de saturación, IDSat
Estrechamiento del canalEstrechamiento del canal
Presentación por José Quiles Hoyo
VGS< 0
ID
VDD
nS
G
D
IDID
p
p
VDS
ID
VGS= -1 V
VGS= -3 V
VGS= 0 V
VP (para VGS=0)
2
1
−=
P
GSDSSDsat V
VII
IDSat3
VGS= -VP
Con valores negativos de VGS el pasillo se cierra antes, siendo la corriente de saturación menor
VP
IDSS
IDSat2
IDSat1
Estrechamiento del canalEstrechamiento del canal
Presentación por José Quiles Hoyo
VDS (V)
ID (mA)
VGS= -1 V
VGS= -2 V
VGS= 0 V
2
518,7
−= GSDsat
VI
IDSS
VGS= -VP
S
GD
5 10 15
1
5
VP = 5 V
-2-4 0VGS (V) -5 -3 -1
VP
VGS= -3 V
Intensidad de saturación IDS=f(VGS)Intensidad de saturación IDS=f(VGS)
Presentación por José Quiles Hoyo
D
G sustraton
S
D
G sustratop
S
D
G sustraton
S
D
G sustratop
S
DS G
np
n
DS G
np
n
Metal
Óxido
Semiconductor
Metal
de enriquecimiento de agotamiento
pMOS-FETde enriquecimiento
nMOS-FETde enriquecimiento
pMOS-FETde agotamiento
nMOS-FETde agotamiento
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.
Tra
nsis
tor
de
efec
to c
ampo
met
al-
óxid
o-se
mic
onduc
tor
(MO
SF
ET
)T
rans
isto
r de
efec
to c
ampo
met
al-
óxid
o-se
mic
onduc
tor
(MO
SF
ET
)
Presentación por José Quiles Hoyo
p
D
G
n n
SiO2S
Contactos metálicos
D
G sustrato
p
S
MOSFET de enriquecimiento nMOSFET de enriquecimiento n
Presentación por José Quiles Hoyo
p
S D
G
VDS
+++++++++++++
n n
e- atraídos por la puerta +VGS>VT
ID
Región de agotamiento
D
G sustrato
p
S
- - - - - - - - - - - - - - - - -
Formación del canal en el MOSFET de enriquecimiento n
Formación del canal en el MOSFET de enriquecimiento n
Presentación por José Quiles Hoyo
D
G sustrato
p
S
p
S D
G
VDS
+++++++++++++
n n
VGS>VT
ID
- - - - - - - - - - - - - - - - -
Al aumentar VDS, se estrecha el canal, alcanzándose la I de saturación, IDS
Formación del canal en el MOSFET de enriquecimiento n
Formación del canal en el MOSFET de enriquecimiento n
Presentación por José Quiles Hoyo
Car
acte
ríst
ica
MO
SF
ET
de
enri
quec
imie
nto
de
cana
l n
VDS
ID (mA)
VGS= 4 V
VGS= 6 V
VGS= 5 V
VGS= VT
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
VGS= 7 V
2)( TGSSatD VVKI −=
53 7
ID (mA)
VGS (V)1 2 4 6 8
VT
n+
p
GS D
+ VD
- - - - - - - -- - - - - - - - -
+ VG
+ + + + + +
n+
p
GS D
+ VDS=VDsat
n+n+ - - - - - - - - -- - - - - - - - -+ + + + +
n+ n+
p
GS D
+ VDS+ VG
Presentación por José Quiles Hoyo
p
S D
G
n nn
D
G sustrato
p
S
MOSFET de agotamiento nMOSFET de agotamiento n
Presentación por José Quiles Hoyo
p VDS
n n
VGS = 0ID
Con VGS=0 ya existe canal y los e- del canal son atraídos por D
S D
G
D
G sustrato
p
S
- - - - - - - - - - - - - - - - -n
MOSFET de agotamiento nMOSFET de agotamiento n
Presentación por José Quiles Hoyo
D
G sustrato
p
S
p VDS
VGS < 0ID
n
S D
G -
— — — — — —
- - - - - - - - - - - - - - -
+ + + + + + + + + + + + + + +n n- - - - - - - - - - - -
+ + + + + + + + + +
Con VGS<0, los e- del canal son repelidos hacia la zona p, recombinándose con huecos. La corriente de saturación disminuye.
MOSFET de agotamiento nMOSFET de agotamiento n
Presentación por José Quiles HoyoCar
acte
ríst
ica
MO
SF
ET
de
agot
amie
nto
de
cana
l n
Car
acte
ríst
ica
MO
SF
ET
de
agot
amie
nto
de
cana
l n
VDS (V)
ID (mA)
VGS= -3 V
VGS= -2 V
VGS= -1 V
VGS= 0 V
VGS= 1 V
5 10 15
2
1
−=
p
GSDSSD V
VII
2
418
−= GSD
VI
5
10
D
G sustrato
p
S
n+
n+
p
GS D+ VDS
n
VGS (V)-3 -2 -1 0 1
VP
5
10
IDSS
ID (mA)
-4
- VG
- - - - - - -
n+
p
GS D
+ VDS=VDsat
n+
- - - - - - - - -- - - - - - - - -
Presentación por José Quiles Hoyo
Aplicaciones: circuitos lógicospuertas AND y OR, lógica de diodos
Aplicaciones: circuitos lógicospuertas AND y OR, lógica de diodos
1N914
1N914
A
B
R
Vs
10 V
Puerta “AND” con diodos
Vs
R
Puerta “OR” con diodos
Presentación por José Quiles Hoyo
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
Del vacío al CMOSDel vacío al CMOS
Presentación por José Quiles Hoyo
Inversor (NOT)
Aplicaciones: circuitos lógicostecnología CMOS
Aplicaciones: circuitos lógicostecnología CMOS
Presentación por José Quiles Hoyo
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
DRAM
Aplicaciones: memorias RAMAplicaciones: memorias RAM
Presentación por José Quiles Hoyo
EPROM
MOSFET ROM
Aplicaciones: memorias ROMAplicaciones: memorias ROM
Presentación por José Quiles Hoyo
CCD
CMOS sensor
Aplicaciones: CCDAplicaciones: CCD
Presentación por José Quiles Hoyo
Estructura DRAM con celda
LCD i LEDRGB
Aplicaciones: TFTAplicaciones: TFT
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