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N-
Estructura de los transistores de efecto de campo de unión, JFET (canal N)
ATE-UO Trans 82
P+
P+
Puerta (G)
Drenador (D)
Fuente (S)
JFET (canal P)Símbolo
GD
S
Canal
JFET (canal N)Símbolo
GD
Scanal P
G D
Scanal N
G D
S
Otros símbolos
Principio de funcionamiento de los transistores de efecto de campo de unión, JFET (I)
ATE-UO Trans 83
N-
P+
P+
Puerta (G)
Drenador (D)
Fuente (S)
Zona de transición en zona muy dopada estrecha
Zona de transición en zona poco dopada ancha
N-
(G)
(S)
P+
P+
(D)
Principio de funcionamiento de los transistores de efecto de campo de unión, JFET (II)
ATE-UO Trans 84
V1V2
V1 < V2
Según aumenta la tensión drenador-fuente, aumenta la resistencia del canal, ya que aumenta la zona de transición, que es una zona de pocos portadores.
Principio de funcionamiento de los transistores de efecto de campo de unión, JFET (III)
ATE-UO Trans 85
GD
S
+
-VDS
ID
ID
VDS
V1 V2
Evolución si la resistencia no cambiara con la tensión.
Evolución real en un JFET (la resistencia cambia con la tensión aplicada).
Principio de funcionamiento de los JFET (IV)
ATE-UO Trans 86
VDSN-
(G)
(S)
P+
P+
(D)
Si se aumenta más la tensión drenador-fuente, la zona de transición llega a dejar una parte del canal con muy pocos portadores. La corriente de drenador no cesa (si cesara no se formaría el perfil de zona de transición que provoca esta situación). La tensión VDS a la que se produce la contracción total del canal recibe el nombre de tensión de contracción (“pinch-off”), VPO.
VDS=VPO > V2
VPO +-
Principio de funcionamiento de los JFET (V)
ATE-UO Trans 87
Si se aumenta la tensión drenador-fuente por encima de VPO, va aumentando la parte del canal que ha quedado con muy pocos portadores, LZTC (longitud de la zona de transición en el canal). Sin embargo, el aumento de LZTC al aumentar VDS es pequeño comparado con la longitud del canal, LC.
(G)
(S)
(D)
VDS
N-
P+
P+
VDS=V3 > VPO
LC
LZTC
Si L’ZTC << LC (hipótesis de canal largo) y admitimos que el perfil de portadores en la parte no contraída del canal no ha cambiado, tenemos que admitir que la tensión en dicha parte es VPO.
(G)
(S)
(D)
VDS
P+
P+N-
LZTC
VDS=V4 > V3
L’ZTCVPO +-
Luego la corriente que circula es la necesaria para dar la misma caída de tensión sobre el mismo perfil de canal misma corriente que cuando aplicábamos VPO corriente constante por el canal cuando VDS>VPO.
Principio de funcionamiento de los JFET (VI)
ATE-UO Trans 88
Resumen del principio de funcionamiento de los JFET cuando VGS = 0
ATE-UO Trans 89
ID
VDS
VDS=V4
V4VDS=V3
V3
VDS=VPO
VPO
VDS=V2
V2
VDS=V1
V1
VDS=0 Comportamiento resistivo Comportamiento como
fuente de corriente
Es decir: VDSPO = UA = VPO - UB
N-
(G)
(S)
P+
P+
(D)
VDS=VPO
¿Qué pasa si VGS 0?
ATE-UO Trans 90
•Con VGS=0, la contracción ocurre cuando VDS = VDSPO =VPO.
•La contracción se produce cuando:VDS=VDSPO=VPO + VGS
Cuando VGS < 0, la corriente que circula es menor y la contracción se produce a una VDS menor.
VPO+
-
(G)
(S)
P+
P+
(D)
N-
•El canal es siempre más estrecho, al estar polarizado más inversamente mayor resistencia
VGS
+-UB
UA
VDS
+
-
VPO+
-
Curvas características de un JFET (canal N)
ATE-UO Trans 91
VGS = 0V
VGS = -0,5V
VGS = -1VVGS = -1,5VVGS = -2V
Contracción del canal
Muy importante
ID [mA]
VDS [V]
4
2
42 60
•Curvas de salida
•Curvas de entrada:No tienen interés
(unión polarizada inversamente)
GD
S
+
-VDS
ID
+
-VGS
Referencias normalizadas
Contracción producida cuando:VDSPO=VPO + VGS
La tensión VPO
ATE-UO Trans 92
Cortocircuitamos el drenador y la fuente y aplicamos tensión entre puerta y fuente.
Cuando la tensión VGS alcanza un valor negativo suficientemente grande, la zona de transición invade totalmente el canal. Este valor es el de contracción del canal, VPO.
UB2 VGS
+-
(G)
(S)
P+
P+
(D)N-
(G)
(S)
P+
P+
(D)
UB1
N-
VGS
+-
= -VPOUB1<
Análisis gráfico de un JFET en fuente común
ATE-UO Trans 93
VDS [V]
ID [mA]
4
2
84 120
GD
S
+
-VDS
ID
+
-VGS
2,5K
10VVGS = -2V
VGS = -1,5V
VGS = -1V
VGS = -0,5V
VGS = 0V
VGS = 0V > -0,5V > -1V > -1,5V > -2V
Comportamiento resistivo
Comportamiento como fuente de corriente
VGS = -2,5V> -2,5V
Comportamiento como circuito abierto
Muyimportante
VDS [V]
ID [mA]
4
2
84 120
VGS = -2V
VGS = -1,5V
VGS = -1V
VGS = -0,5V
VGS = 0V
VGS = -VPO
Cálculo de las corrientes en la zona de fuente de corriente (canal contraído)
ATE-UO Trans 94
ID0PO
Partimos de conocer el valor de la corriente de drenador
cuando VGS = 0 y el canal está contraído, ID0PO.
También se conoce la tensión de contracción
del canal, VPO
Ecuación ya conocida:
VDSPO = VPO + VGS
Muy importante
Ecuación no demostrada:
IDPO ID0PO·(1 + VGS/VPO)2
IDPO
Comparación entre transistores bipolares y JFET (I)
ATE-UO Trans 95
G (P)D
S
V1
R
V2N
R
V1
V2
B (P)C (N)
E (N)
IDIC
+
-VBE
-VGS
+
•En ambos casos, las tensiones de entrada (VBE y VGS) determinan las corrientes de salida (IC e ID).
IB
•En zona de comportamiento como fuente de corriente, es útil relacionar corrientes de salida y entrada (transistor bipolar) o corriente de salida con tensión de entrada (JFET).
IG 0
• La potencia que la fuente V1 tiene que suministrar es mucho más pequeña en el caso del JFET (la corriente es casi cero, al estar polarizada inversamente la unión puerta-canal).
Muy importante
(G)
(S)
P+
P+
(D)
N-
VGS
+-UB
UA
VDS
+
-
Comparación entre transistores bipolares y JFET (II)
ATE-UO Trans 96
Corriente de electrones en todo el dispositivo
(transistor unipolar)
•El JFET es más rápido al ser un dispositivo unipolar (conducción no determinada por la concentración de minoritarios).
•El JFET puede usarse como resistencia controlada por tensión, ya que tiene una zona de trabajo con característica resistiva.
•Para conseguir un comportamiento tipo “cortocircuito” hay que colocar muchas celdas en paralelo.
Muyimportante
Estructura real de un JFET de canal N
ATE-UO Trans 97
G (N)D
S
V1
R
V2
P
-ID
-VGS
+
IG 0
Uso de un JFET de canal P
Hay que invertir los sentidos reales de tensiones y corrientes para operar en los mismas zonas de trabajo.
DS G
P+
N-
G
SiO2
N+ N+P+ Contactos metálicos
Canal N
Los transistores de efecto de campo de unión metal-semiconductor MESFET
ATE-UO Trans 98
DS G
N+ N+N-
GaAs aislante
Contactos óhmicos
GaAs
Contacto rectificador (Schottky)
G
Pequeña polarización directa GS
G
Tensión GS nula
G
Polarización inversa GS,
zona resistiva
G
Polarización inversa GS, zona
f. de corriente
VDS
ID
VGS<0
VGS = 0
VGS > 0
Los transistores de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor, MOSFET
ATE-UO Trans 99
Substrato
Contactos metálicos GS D
NombreMetal
Óxido
Semiconductor
Estructura
MOSFET de enriquecimiento (acumulación) de canal N
G
D
S
Substrato
Símbolo
DS G
+
P-
N+ N+
SiO2
Metal
G
D
SMOSFET de enriquecimiento
de canal P
Símbolo
++ ++G
DS
+
P-
Substrato
N+ N+- - - -
GDS
+
P-
Substrato
N+ N+
Principios de operación de los MOSFET (I)
ATE-UO Trans 100
V1
+ + + +
- - - -
Zona de transición (con carga espacial)
V2 > V1
+ + + ++++ +++
- - - -
- -
- -
Se empieza a formar una capa de electrones
(minoritarios del substrato)
V3 = V TH > V2
GDS
+
P-
Substrato
N+ N+
++++ ++++
- - - -- - - -
Principios de operación de los MOSFET (II)
ATE-UO Trans 101
Esta capa de minoritarios es llamada “capa de inversión”
Esta capa es una zona de transición (no tiene casi
portadores de carga)
Cuando la concentración de los electrones en la capa formada es igual a la concentración de los huecos de la zona del substrato alejada de la puerta, diremos que empieza la inversión. Se ha creado artificialmente una zona N tan dopada como la zona P del substrato. La tensión a la que esto ocurre es llamada “tensión umbral” (“threshold voltage”), VTH.
Principios de operación de los MOSFET (III)
ATE-UO Trans 102
V4 > V TH
GDS
P
P-
Substrato
N+ N+
+++++ +++++
- - - -- - - - - -
Situación con tensión mayor que la de umbral
VGS
GDS
P-
Substrato
N+ N+
+++++ +++++
- - - -- - - - - -
VDS
•Conectamos la fuente al substrato.
•Conectamos una fuente de tensión entre los terminales fuente y drenador.
¿Cómo es la corriente de drenador?
ID
Principios de operación de los MOSFET (IV)
ATE-UO Trans 103
•Existe un canal entre drenador y fuente constituido por la capa de inversión que se ha formado.
•Con tensiones VDS pequeñas
(<<VGS), el canal es uniforme.
VGS
GDS
P-
Substrato
N+ N+
+++++ +++++
- - - -- - - - - -
VDS 0 ID 0
VGS
GDS
P-
Substrato
N+ N+
+++++ +++++
- - - - -
VDS =VDS1 >0ID
- - - - -
•El canal se empieza a contraer según aumenta la tensión VDS.
•La situación es semejante a la que se da en un JFET.
•El canal formado se contrae totalmente cuando VDS = VDSPO.
•Cuando VDS > VDSPO, el MOSFET
se comporta como una fuente de corriente (como en el caso de los JFET).
VGS
GDS
P-
Substrato
N+ N+
+++++ +++++
VDS2=VDSPO >VDS1
ID
- - - - - - - - - -
VGS
GDS
P-
Substrato
N+ N+
+++++ +++++
VDS3 >VDSPO
ID
- - - - - - - - - -
ATE-UO Trans 104
Principios de operación de los MOSFET (V)
Si VGS = 0, la corriente de drenador es prácticamente
nula. En general, si VGS <VTH, no hay casi canal
formado y, por tanto, no hay casi corriente de drenador.
VDS1
GDS
P-
Substrato
N+ N+
ID0
ATE-UO Trans 105
Principios de operación de los MOSFET (VI)
GDS
P-
Substrato
N+ N+
ID0
VDS2 > VDS1
Curvas características de un MOSFET de enriquecimiento de canal N
ATE-UO Trans 106
Muy importante
ID [mA]
VDS [V]
4
2
42 60
•Curvas de salida
•Curvas de entrada:No tienen interés
(puerta aislada del canal)
Referencias normalizadas
+
-VDS
ID
+
-VGS
G
D
S
VGS < VTH = 2V
VGS = 2,5VVGS = 3V
VGS = 3,5V
VGS = 4V
VGS = 4,5V
Análisis gráfico de un MOSFET en fuente común
ATE-UO Trans 107
VDS [V]
ID [mA]
4
2
84 120
VGS = 2,5V
VGS = 3V
VGS = 3,5V
VGS = 4V
VGS = 4,5V
VGS = 0V < 2,5V < 3V < 3,5V < 4V
Comportamiento resistivo
Comportamiento como fuente de corriente
VGS < VTH = 2V< 4,5V
Comportamiento como circuito abierto
Muyimportante
+
-VDS
ID
+
-VGS
2,5K
10VG
D
S
Cálculo de las corrientes en la zona de fuente de corriente (canal contraído) y de la tensión umbral
ATE-UO Trans 108
Ecuaciones no demostradas:
IDPO (VGS - VTH)2·Z·n·Cox/2LC
VTH 2·F + (rs·xox/rox)·(4·q·NA·F/(rs·0))1/2
Z = longitud en el eje perpendicular a la representación.
Cox = Capacidad del óxido por unidad de área de la
puerta.
rs, rox y 0 = permitividades relativas del semiconductor
y del óxido y permitividad absoluta.
xox = grosor del óxido debajo de la puerta.
F =VT·ln(NA/ni)
GDS
+
P-
Substrato
N+ N+N-
Los MOSFET de deplexión (I)
ATE-UO Trans 109
•Existe canal sin necesidad de aplicar tensión a la puerta. Se podrá establecer circulación de corriente entre drenador y fuente sin necesidad de colocar tensión positiva en la puerta.
V1
GDS
+
P-
Substrato
N+ N+
+++ +++
N-- - - - - -
+
-
VGS=V1
•Modo ACUMULACIÓN:Al colocar tensión positiva en la puerta con relación al canal, se refuerza el canal con más electrones procedentes del substrato. El canal podrá conducir más.
Los MOSFET de deplexión (II)
ATE-UO Trans 110
V1
+
-
VGS=-V1
GDS
+
P-
Substrato
N+ N+N-
•Operación en modo DEPLEXIÓN:Se debilita el canal al colocar tensión negativa en la puerta con relación al substrato. El canal podrá conducir menos corriente.
- - - - - -
+ + + + + +
Los MOSFET de deplexión (III)
ATE-UO Trans 111
•Cuando se aplica tensión entre drenador y fuente se empieza a contraer el canal, como ocurre en los otros tipos de FET ya estudiados. Esto ocurre en ambos modos de operación.
VDS ID
V1
GDS
+
P-
Substrato
N+ N+
+++ +++
N-- - - -
- -
Modo acumulación
VDS
ID
V1
GDS
+
P-
Substrato
N+ N+
- - - - - -
N-+ + + + + ++ +
Modo deplexión
Muy importante
DeplexiónID [mA]
VDS [V]
4
2
42 60VGS < -1,5V
VGS = -1VVGS = -0,5V
VGS = 0V
VGS = 0,5V
VGS = 1V
Modo acumulación
Modo deplexión
Comparación entre las curvas características de los MOSFET de enriquecimiento y de deplexión
ATE-UO Trans 112
ID [mA]
VDS [V]
4
2
42 60VGS < VTH = 2V
VGS = 2,5V
VGS = 3V
VGS = 3,5V
VGS = 4V
VGS = 4,5VEnriquecimiento
Canal N
Canal P
Comparación entre los símbolos de los MOSFET de enriquecimiento y de deplexión con ambos
tipos de canal
ATE-UO Trans 113
G
D
STipo enriquecimiento
G
D
STipo deplexión
D
Tipo enriquecimiento
GS
G
D
STipo deplexión
Comparación de los circuitos de polarización para trabajar en zona resistiva o en zona de fuente de corriente con MOSFET de ambos tipos de canal
ATE-UO Trans 114
+
-VDS
ID
+
-VGS
R
V2
G
D
S
V1
Canal N
+
-VDS
-ID
+
-VGS
R
V2
G
D
S
V1
Canal P
Hay que invertir los sentidos reales de tensiones y corrientes para operar en los mismas zonas de trabajo.
Comparación entre transistores JFET y MOSFET
ATE-UO Trans 115
• La potencia que la fuente V1 tiene que suministrar estáticamente en un MOSFET es cero. Por tanto, la corriente IG es más pequeña aún que en el caso del JFET (que es casi cero, al estar polarizada inversamente la unión puerta-canal).
Muy importante
ID
+
-VGS
R
V2
G
D
S
V1
MOSFET, canal N
IG =0G
D
SV1
R
V2
ID
-VGS
+
IG 0
JFET, canal N
• La tensiones V1 y V2 comparten terminales del mismo signo en el caso del MOSFET. Esto facilita el control.
Precauciones en el uso de transistores MOSFET
ATE-UO Trans 116
G
D
S
DS G
+
P-
Substrato
N+ N+
•El terminal puerta al aire es muy sensible a los ruidos.
•El óxido se puede llegar a perforar por la electricidad estática de los dedos. A veces se integran diodos zener de protección.
•Existe un diodo parásito entre fuente y drenador en los MOSFET de enriquecimiento.
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