Tema 4. Transistores de Efecto Campo - OCW

Tema 4 – Transistor de Efecto Campo. Rev3
TEMA 4
TRANSISTORES DE EFECTO CAMPO
Profesores:
Germán Villalba Madrid
Miguel A. Zamora Izquierdo
Departamento de Ingeniería de la Información y Comunicaciones
Universidad de Murcia
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Tema 4 – Transistor de Efecto Campo. Rev3
CONTENIDO
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•
Introducción
El transistor JFET
Análisis de la recta de carga.
Circuitos de polarización.
El transistor MOSFET.
El FET en conmutación.
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Tema 4 – Transistor de Efecto Campo. Rev3
INTRODUCCION
• Los transistores de efecto campo (FET) son dispositivos que, al igual
que los BJT, se utilizan como amplificadores e interruptores lógicos.
• Existen dos grandes grupos de FET: los de unión (JFET) y los metalóxido semiconductor (MOSFET). Dentro de los MOSFET está el de
acumulación, el cual ha propiciado los rápidos avances de los
dispositivos digitales.
• Diferencias entre BJT y FET:
– El BJT es un dispositivo no lineal controlado por corriente.
– El BJT tiene tres modos de funcionamiento: corte, activa y saturación.
– Los FET son la siguiente generación de transistores después de los BJT.
– El flujo de corriente del FET depende solo de los portadores mayoritarios
(Unipolares).
– La corriente de salida es controlada por un campo eléctrico (fuente de
tensión).
– El apagado y encendido por tensión es más fácil que por corriente.
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MOSFET Y BJT. VENTAJAS E INCONVENIENTES
•
Ventajas
– Los FET son dispositivos sensibles al voltaje, con una gran impedancia de entrada
(del orden de 10 Mohm a 1 Gohm). Al ser mucho más alta que la correspondiente a
los BJT, se prefieren como etapa de entrada en amplificadores multietapa.
– Los JFET generan menos ruido que los BJT.
– Los FET son más fáciles de fabricar que los BJT; pudiéndose incluir un mayor
número de FET en un solo chip (requieren menor área), de aquí que memorias y
microprocesadores se implementen únicamente con MOSFET.
– Los FET funcionan como resistencias variables controladas por voltaje para valores
pequeños de voltaje de drenaje a fuente.
– La elevada impedancia de entrada de los FET permite que almacenen la carga
durante tiempo suficientemente largo como para usarlos como elementos de
almacenamiento.
– Los FET de potencia controlan potencia elevadas y conmutan grandes corrientes.
– Los FET no son tan sensibles a la radiación como los BJT.
•
Inconvenientes
– Los FET exhiben una pobre respuesta en frecuencia, debido a la alta capacidad de
entrada.
– Algunos FET tienen una pobre linealidad.
– Los FET se dañan con el manejo debido a la electricidad estática.
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CLASIFICACION DE LOS FET
CANAL N
TRANSISTOR
DE EFECTO CAMPO
DE UNIÓN (JFET)
CANAL P
CANAL N (NMOS)
ACUMULACION
O
ENRIQUECIMIENTO CANAL P (PMOS)
TRANSISTORES
DE METAL OXIDO
SEMICONDUCTOR
DE EFECTO
CAMPO
(MOSFET)
CANAL N
DEPLEXION
O
EMPOBRECIMIENTO
CANAL P
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EL TRANSISTOR JFET
•
•
La estructura física de un JFET (transistor de efecto campo de unión)
consiste en un canal de semiconductor tipo n o p dependiendo del tipo de
JFET, con contactos óhmicos (no rectificadores) en cada extremo, llamados
FUENTE y DRENADOR. A los lados del canal existen dos regiones de
material semiconductor de diferente tipo al canal, conectados entre sí,
formando el terminal de PUERTA.
En el caso del JFET de canal N, la unión puerta – canal, se encuentra
polarizada en inversa, por lo que prácticamente no entra ninguna corriente
a través del terminal de la puerta.
•
•
•
El JFET de canal p, tiene una estructura
inversa a la de canal n; siendo por tanto
necesaria su polarización de puerta
también inversa respecto al de canal n.
Los JFET se utilizan preferiblemente a los
MOSFET en circuitos discretos.
En el símbolo del dispositivo, la flecha
indica el sentido de polarización directa de
la unión pn.
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JFET DE CANAL N
•
•
En la unión pn, al polarizar en inversa la puerta y el canal, una capa del
canal adyacente a la puerta se convierte en no conductora. A esta capa
se le llama zona de carga espacial o deplexión.
Cuanto mayor es la polarización inversa, más gruesa se hace la zona de
deplexión; cuando la zona no conductora ocupa toda la anchura del
canal, se llega al corte del canal. A la tensión necesaria para que la zona
de deplexión ocupe todo el canal se le llama tensión puerta-fuente de
corte (VGSoff ó Vto). Esta tensión es negativa en los JFET de canal n.
•
•
•
Estados del JFET canal N
En funcionamiento
normal del JFET canal n,
D es positivo respecto a
S.
La corriente va de D a S
a través del canal.
Como la resistencia del
canal depende de la
tensión GS, la corriente
de drenador se controla
por dicha tensión.
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CURVAS CARACTERISTICAS DEL JFET CANAL N
•
Para obtener las curvas características
del JFET de canal n, se hace uso del
circuito mostrado. Haciendo Vgs = 0
y variando Vds:
–
–
–
A medida que aumenta Vds, Id
aumentará. El canal es una barra de
material conductor con contactos
óhmicos en los extremos, exactamente
igual al tipo de construcción utilizada en
las resistencias. Así, para valores de
Vds pequeños, Id es proporcional a
Vds (zona óhmica).
A valores mayores de Vds, la
corriente aumenta cada vez mas
lentamente, debido a que el extremo del
canal próximo D se halla polarizado en
inversa. Al aumentar Vds, la zona de
deplexión se hace más ancha, y la
resistencia del canal se incrementa,
haciendo que Id sea casi constante para
siguientes incrementos de Vds (zona
saturación).
El paso entre las dos zonas se produce
en el valor de tensión de
estrangulamiento Vp, para Vgs=0.
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CURVAS CARACTERISTICAS DEL JFET DE CANAL N
Esta gráfica nos define la relación
Id=f(Vgs) solo para la zona de
saturación de la gráfica de abajo
(a la derecha de la curva azul
discontinua).
•
Idss
•
•
Vgs(off)
•
Ahora lo que hacemos variar es Vgs. Si Vgs<0, la
unión puerta canal está polarizada en inversa, incluso con Vds
= 0. Así, la resistencia del canal es elevada. Esta es evidente
VGS ≤ VGSoff
para valores de Vgs próximos a VGSoff. Si
(tensión de corte), la resistencia se convierte en un circuito
abierto y el dispositivo está en CORTE.
La zona donde Id depende de Vds se llama REGIÓN LINEAL
U ÓHMICA, y el dispositivo funciona como una resistencia. El
valor de esta resistencia (pendiente de recta) varía con Vgs.
La zona donde Id se hace constante (fte de Intensidad cte)
es la REGIÓN DE SATURACIÓN. Id es máxima para Vgs =
0 (Idss), y es menor cuanto más negativa es Vgs. Para Vgs=0
la región comienza a partir de Vp.
Siempre se cumple que Vgsoff = -Vp. Idss y Vp (ó Vgsoff)
son datos dados por el fabricante.
Zona Saturación : VDS ≥ (VGS − VGSoff ) , VGS ≥ VGSoff
2

V 
I D = I DSS 1 − GS 
 VGS 
off 

Zona Óhmica : 0 ≤ VDS ≤ (VGS − VGSoff ) , VGS ≥ VGSoff
I D = I DSS
Corte : VGS
Vp
V

 GS − VDS − 1
 VGS

 off 2VGSoff

≤ VGSoff I D = 0
2VDS
VGSoff
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RUPTURA DEL JFET
•
•
Tensiones de Ruptura del JFET
Cuando la polarización inversa entre
puerta y canal se hace demasiado grande,
la unión sufre una ruptura inversa, y la
corriente de drenador aumenta
rápidamente.
La polarización inversa de mayor magnitud
tiene lugar en el extremo correspondiente
al drenador. La ruptura se producirá
cuando Vdg exceda de la tensión de
ruptura. Como Vdg= Vds – Vgs, la ruptura
tendrá lugar a valores más pequeños de
Vds a medida que Vgs se aproxime a Vp.
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RECTA DE CARGA
• La recta de carga se calcula de forma similar a los casos estudiados
para el BJT.
– Se determina la malla drenador – fuente, aplicando la 2LK.
– Se hallan los puntos de corte con los ejes coordenados suponiendo Id=0
mA, primero, y posteriormente Vds = 0v.
– Se representan dichos puntos y se unen por una recta.
– El punto de trabajo del transistor coincidirá con la intersección de la recta
de carga con la curva de Vgs correspondiente.
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AUTOPOLARIZACION DEL JFET
•
•
•
Se basa en que la puerta está conectada a masa a través de una
resistencia, siendo por tanto Vg=0v. En la fuente existe un potencial Vs
debido a la circulación de corriente a través de Rs.
Por tanto, Vgs = Vg-Vs = -Vs = -Id Rs
Si Id aumenta, Vgs se hace más negativa, aumentando la resistencia y
reduciendo la Id. Así pues, se puede decir que Rs realimenta
negativamente la polarización del transistor.
Vdd
2k2
Vsal
J2N3819
1Mohm
1Kohm
0
0
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CIRCUITO DE POLARIZACON CON DIVISOR DE TENSION
•
VCC
R1
R3
•
•
•
J2
J2N3819
•
R2
0
R4
0
•
Inicialmente, se analiza de forma análoga al del
BJT, es decir, el divisor de tensión se sustituye por
la tensión Thevenin y en serie su resistencia Rth.
Así, la Vs = Id Rs = Vth – Vgs
Id = (Vth – Vgs) / Rs
Si Vgs se pudiera despreciar frente a Vth, la Id
tomaría un valor constante (Id=Vth / Rs), aunque
se modifique la característica de transferencia del
JFET.
Sin embargo, tiene un problema de diseño, y es
que para una misma Id, dos transistores pueden
tener diferente Vgs (ver característica de
transferencia).
Este circuito es más estable que el de
autopolarización, pero no llega a ser tan estable
como en los BJT.
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EL TRANSISTOR MOSFET
•
•
•
La estructura de un MOSFET (Metal Oxido Semiconductor FET), consta de cuatro
terminales: Drenador (D), Fuente (S), Puerta (G) y Sustrato (B). En los NMOS
(MOSFET de canal N), el sustrato es un semiconductor tipo p. Generalmente, el
sustrato se conecta a la fuente.
La puerta se halla aislada del sustrato por una fina capa de dióxido de silicio y por
el terminal de la puerta fluye una corriente despreciable.
Cuando se aplica en G una tensión positiva respecto a S, los electrones se ven
atraídos a la región situada bajo G, induciéndose un canal de material de tipo n
entre D y S . Si se aplica entonces una tensión entre D y S, fluirá una corriente
desde S a D a través del canal. La corriente de drenador está controlada por la
tensión aplicada en G.
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MOSFET EN CORTE Y ZONA OHMICA
•
•
•
Canal
•
Incrementa Vgs
Si a D se aplica una tensión positiva respecto a S,
con Vgs=0, las uniones pn están polarizadas a la
inversa, por lo que no circula corriente, y se
encuentra en corte.
A medida que Vgs aumenta, el dispositivo
permanece en corte hasta que Vgs alcanza un
valor umbral Vt.
Si Vgs es mayor que la tensión umbral, el campo
eléctrico que resulta de la tensión aplicada a la
puerta ha repelido a los huecos de la región
situada bajo la puerta, y ha atraído electrones que
pueden fluir con facilidad. Esta repulsión y
atracción simultáneas crean un canal de tipo n
entre drenador y surtidor.
Para valores pequeños de Vds, la corriente Id es
proporcional a Vds. Además, para cada valor
(pequeño) de Vds, la corriente de drenador es
también proporcional al exceso de tensión de la
puerta (Vgs-Vt).
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MOSFET EN SATURACION
•
•
•
A medida que aumenta Vds, el canal se
estrecha en el extremo del drenador
debido a que los electrones son
atraídos por el terminal positivo de la
fuente de tensión del drenador, e Id se
incrementa con más lentitud. Cuando
Vds > Vgs – Vt, Id es constante.
En la curva característica de salida se
indica el límite de transición de la zona
óhmica a la de saturación.
Observar que esta saturación no
corresponde con la estudiada en los
BJT. La saturación equivale en este
caso a la zona activa de los BJT.
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CARACTERISTICA DE SALIDA DEL MOSFET
•
•
En la curva característica de salida
se muestran las tres zonas de
trabajo del MOSFET.
Las ecuaciones correspondientes
son:
Zona Saturación
K
(V GS−VT )2
2
Zona Ohmica
ID =
2


VDS
I D = K (VGS − VT )VDS −

2 

•
Siendo K la constante del
dispositivo medida en mA/V2
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PROTECCION DE PUERTA DEL MOSFET
•
Los MOSFET presentan unas impedancias de entrada entre puerta y canal
superior a 1 Gohm. Al manejar estos dispositivos, es fácil que se generen
tensiones electroestáticas mayores que la tensión de ruptura dieléctrica
del aislamiento de puerta. La ruptura de la capa aislante da como
resultado un cortocircuito entre la puerta y canal.
• Para reducir este problema, los terminales de puerta pueden protegerse
con dos diodos zener.
• Si se expone el dispositivo a una carga
electroestática, se produce una avalancha
del diodo zener, lo que proporciona una ruta
de descarga no destructiva. Los diodos
zener se fabrican en el mismo chip que el
FET.
Protección contra
• Los diodos de protección no son necesarios
sobretensiones en la
para los dispositivos internos de los circuitos
entrada
integrados que no tengan conexiones
directas al exterior.
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MOSFET DE DEPLEXION
•
•
•
•
Tiene las curvas características casi idénticas a las de los JFET.
Existe un delgado canal de material semiconductor tipo n que comunica
la fuente con el drenador. Encima de éste canal, se encuentra el material
aislante y la capa metálica (aluminio o silicio policristalino), que forma la
puerta.
La diferencia de funcionamiento con el JFET de canal n reside en que el
MOSFET de deplexión puede funcionar con valores positivos de Vgs,
mientras que esto no se puede hacer en el JFET (polarización directa de
la puerta).
Las curvas de características de salida son casi idénticas, y las
ecuaciones del JFET de canal n se pueden aplicar al MOSFET de
deplexión de canal n.
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EL JFET EN CONMUTACION
•
•
•
•
Rd
Rd
Ven
Vsal
Ven
Vsal
1
•
Al igual que el BJT, los FET pueden trabajar como un interruptor, aunque en
este caso en vez de trabajar entre corte y saturación, se trabaja entre corte y
zona óhmica.
En el caso del JFET, la tensión Vgs se restringe a dos valores: 0 v o una
tensión negativa mayor o igual a Vgs(off), sin exceder la tensión de ruptura.
En el caso de trabajar como interruptor paralelo, el JFET precisa una Ven
menor de 100 mV. Además, Rd debe ser mucho mayor que Rds.
Cuando Vgs es cero, actúa en la zona óhmica como interruptor cerrado.
En este caso, Vsal es mucho menor que Ven debido al divisor de tensión.
Cuando es más negativa que Vgs(off), el JFET está en corte, por lo que Vsal
es igual a Ven.
Vgs
J2N3819
2
•
0
Rds
0
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EL JFET EN CONMUTACION
•
•
•
•
Cuando el JFET trabaja como interruptor serie, si la Vgs es cero, el interruptor
estará cerrado y el JFET equivale a una resistencia de valor Rds. En este caso
la salida es prácticamente igual a la entrada.
Si la Vgs es igual o más negativa que Vgs(off), el JFET está abierto y Vsal es
0V.
El JFET se utiliza más como interruptor serie porque su razón conexión –
desconexión es mucho más alta.
La razón conexión – desconexión es la relación entre la señal de salida a nivel
alto, y la señal de salida a nivel bajo. Cuanto mayor sea, más fácil será
discriminar entre ambos estados.
Rds
J2N3819
Ven
Vsal
Ven
1
2
Vsal
Rd
Vgs
0
Rd
0
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EL NMOS EN CONMUTACION
•
•
•
El NMOS por su tensión umbral, es ideal para emplearse en conmutación, de
ahí que haya revolucionado la industria de las computadoras.
Cuando la tensión de puerta es mayor que la tensión umbral, el dispositivo
conduce.
En la figura se muestra el inversor con carga pasiva (resistencia normal),
funciona con una Ven menor que la Vt o mayor que Vt. (Ej: 0 v y +5 v)
– Si Ven es menor que Vt, estará en corte, y la Vsal = Vdd.
– Si Ven es mayor que Vt, estará en conducción y Vsal cae a un valor pequeño.
•
Debe ser Rds<<Rd en la zona óhmica (funcionamiento correcto).
•
•
Vdd
Rd
Vsal
M1
Ven
IRF150
•
Inversor: la salida tiene nivel opuesto a la entrada.
Los circuitos de conmutación son menos exigentes
que los de amplificación. Sólo se requiere que se
pueda reconocer fácilmente dos estados diferentes.
Se puede simplificar a un interruptor, como en el
caso de los JFET.
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EL NMOS EN CONMUTACION
•
•
•
El inconveniente de utilizar una carga pasiva es que el tamaño de integración
es mucho mayor que el propio MOSFET.
En el primer esquema se muestra un inversor con carga activa.
El MOSFET inferior actúa como conmutador, mientras que el superior
sustituye a la carga pasiva el ejemplo anterior, trabajando como una
resistencia de elevado valor, ya que Vgs=Vds, y los puntos que cumplen dicha
igualdad sobre las curvas características del MOSFET (Vds vs Id; Vgs)
presentan mayor resistencia que la correspondiente a la zona óhmica
(MOSFET inferior).
•
Vdd
•
IRF150
Vsal
•
Ven
IRF150
El inversor CMOS (MOS complementarios),
se construyen con un transistor canal p y
otro n.
Es el más importante de todos por su
consumo extremadamente bajo.
Ven
Cuando uno conduce, el otro está en corte.
Así, se reduce la intensidad que circula por
el transistor en conducción.
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Vdd
Vsal
0
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