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

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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

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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
• 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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N-MOS DE ENRIQUECIMIENTO EN REGIÓN ÓHMICA (CONT)
Si
Entonces la corriente de drenador viene dada por
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N-MOS DE ENRIQUECIMIENTO EN REGIÓN ÓHMICA (CONT)
Es decir
Donde
Siempre que se cumpla que
Y teniendo en cuenta que vDGvDS-vGS
Es lo mismo que decir siempre que se cumpla
que vDS ltvGS- vt , además de vGSgt vt
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EL N-MOS EN LA ZONA ÓHMICARESISTENCIA 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
Siempre que se verifique
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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 SATURACIÓNLÍMITE
DE REGIONES (CONT)
El límite de las dos regiones viene marcado por
la igualdad vDS vGS- vt
Y sustituyendo en la expresión de iD iDK
(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 tantoCuando vDS gtvGS- vt , además de vGSgt
vt el transitor está en la región de
saturación, y entonces iD se hace constante y
vale iDK (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 kn(W/L) 0.5 mA/V2).
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MODELOS DE GRAN SEÑAL PARA EL NMOS DE
ENRIQUECIMIENTO
Zona óhmica vGSgt vt y además vDS ltvGS- vt o lo
que es lo mismo vDGlt-Vt
Zona de Corte vGSlt (Vtgt0)
Característica de transferencia en la región De
saturación (ó zona activa)
Zona activa vDS gtvGS- vt , además de vGSgt 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)
Fig. 5.21 The current-voltage characteristics of
a depletion-type n-channel MOSFET for which Vt
-4 V and kn(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)
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 VGS0 (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 vGSgt 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 VGS0 (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 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 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 iDK (vGS-vt)2 (k/2)
(vGS-vt)2 iG0 IDIS
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 iDK (vGS-vt)2 (k/2)
(vGS-vt)2 iG0 IDIS
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 vRvGSlt vt, el transistor no
está en conducción, y por tanto iR0.
Cuando vR gt Vt, el está en conducción y además
en la zona activa (saturación), ya que se cumple
la desigualdad VDGgt-Vt
iRK (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 VGSVRVt ,, si VRlt0
el transistor no está en conducción si VR gt0 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 VGS0. Cuando VRVDG lt -Vt
(Vt es negativo en lo transistores de
deplexión) El dispositivo es óhmico. Cuando
VRVDG gt-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 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

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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 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.
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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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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

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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 VtoltVGSlt0
• 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 entonces
IDIS0
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
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
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 ß (K), tiene la expresión
W,L,t, son la anchura, longitud, y espesor del
canal. µn la movilidad de los electrones, ND la
concentración del dopado, y eSi la constante
dieléctrica del silicio
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Resistencia del JFET controlada por tensión
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,
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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
(VP negativo en los JFET N)
Entonces, la corriente de drenador viene dada por
la expresión
La corriente iD que circula cuando VGS es igual
a cero y el transistor está en estado activo, se
denomina IDSS
IDSS es un parámetro que suele aparecer en las
hojas de características, junto con VP, de los
cuales se puede deducir ß