TRANSITORES DE EFECTO DE CAMPO

(Field effect transistor, FET) Generalidades Clasificación Principio de Funcionamiento y Simbología Característica V-I de Salida Característica de Transferencia Circuitos de Polarización MOSFET. Descripción. Simbología . Característica V-I

Características Generales Son dispositivos de estado sólido Tienen tres terminales denominados:

Drenador Puerta Fuente ó surtidor

Es el campo eléctrico el que controla el flujo de Cargas, por ello son dispositivos gobernados por tensión La corriente de puerta es prácticamente nula en func. Normal

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

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

Clasificaciones de los Transistores FET

FET

JFET

Canal N

Canal P

Canal P

MOSFET Decremental

Incremental

Canal N

FET: Transistores de efecto de campo.

JFET: Transistores de efecto de campo de unión.

MOSFET: Trans. de efecto de campo de metal-oxido-semiconductor

Analogía entre Transistores Bipolar y transistores FET

Colector Drenador Emisor Surtidor Base Compuerta

Analogía en el sistema hidráulico Fuente: Surtido (S) Drenaje: Drenador (D) Compuerta: Compuerta (G)

JFET de canal N

Simbología de los transistores JFET

JFET (canal P) Símbolo

G

D

S JFET (canal N)

Símbolo

G

D

S

canal P

G D

S canal N

G D

S

Otros símbolos

Principio de funcionamiento de los transistores de efecto de campo de unión, JFET

Con Tensión Compuerta Surtidor en corto circuito (VGS= 0V) y VDS > 0v

N-

(G)

(S)

P+

P+

(D)

Principio de funcionamiento de los transistores de efecto de campo de unión, JFET

V1

Según aumenta la tensión drenador-fuente, la corriente ID= IS sigue la ley de Ohm, quedando limitada por la resistencia del canal. El canal se comporta como una resistencia fija.

Principio de funcionamiento de los JFET

VDS

N-

(G)

(S)

P+

P+

(D)

Si se continúa aumentando más la tensión drenador-fuente, la zona de deplexión llega a dejar una parte del canal con muy pocos portadores. La corriente de drenador llega a su máximo valor IDSS y el canal se satura. La tensión VDS a la que se produce la saturación del canal recibe el nombre de tensión de contracción (“pinch-off”), VPO.

VDS ≥ VPO

IDSS + -

ID

VDS VPO

Comportamiento resistivo

Comportamiento como fuente de corriente

Caraterística V-I de los JFET cuando VGS = 0

IDSS

N-

(G)

(S)

P+

P+

(D)

VDS =VPO

¿Qué pasa si VGS < 0?

•Con VGS=0, la saturación ocurre cuando VDS = VPO y la ID= IDSS

•La saturación se produce cuando: •VDS =VP e Isat< IDSS

siendo Vp= |VPO |- |VGS|

Cuando VGS < 0, la corriente que circula es menor y la saturación 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

+

-

VP

VGS = 0V

VGS = -0,5V

VGS = -1V

VGS = -1,5V

VGS = -2V

Saturación del canal

ID [mA]

VDS [V]

4

2

4 2 6 0

•Curvas de salida

•Curvas de entrada:

No tienen interés (unión polarizada inversamente)

G

D

S

+

-

VDS

ID

VGS

Referencias normalizadas

Saturación producida cuando: VP=|VPO |- |VGS |

Curvas características de un JFET (canal N)

VDS [V]

ID [mA]

4

2

8 4 12 0

G

D

S

+

-

VDS

ID

+

-

VGS

2,5KW

10V

VGS = -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

Análisis gráfico de un JFET en fuente común

G (P) D

S

V1

R

V2 N

R

V1

V2

B (P) C (N)

E (N)

ID IC

+

-

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

Comparación entre transistores bipolares y JFET

Zonas de Funcionamiento Característica V-I de salida en configuración Surtidor Común

Resistor controlado por voltaje

• La región a la izquierda es conocida como la región óhmica o de resistencia controlada por voltaje. En esta región el JFET puede ser utilizado en realidad como un resistor variable, controlado por el voltaje de la VGS.

• A medida que VGS se hace más y más negativo, la pendiente de cada curva se hace cada vez menor , correspondiendo con un nivel creciente de resistencia.

• La siguiente ecuación ofrecerá una buena primera aproximación al nivel de resistencia en términos del voltaje aplicado VGS.

CARACTERÍSTICAS DE TRANSFERENCIA

CARACTERÍSTICAS DE TRANSFERENCIA

Característica de Transferencia obtenida a través de la ecuación Shockley

DETERMINACION DE gm El voltaje de dc compuerta-fuente controlaba el nivel de

la corriente de drenaje de dc (ecuación de Shockley) ID = IDSS (1 – VGS / VP)2. El cambio en la ID que se ocasionará por el cambio en el

VGS puede determinarse mediante el uso del factor de transconductancia gm de la forma siguiente:

El prefijo trans- de la terminología aplicada a gm indica

que éste establece una relación entre salida y entrada. La raíz conductancia se debe a que es una relación voltaje a corriente (conductancia de un resistor G = 1/R = I/V)

Determinación gráfica de gm En la característica de transferencia, gm es en realidad la pendiente de la curva en el punto de operación

Definición matemática de gm

Definición matemática de gm

Polarización del FET POLARIZACIÓN FIJA

a) Amplificador en conf. SC b)Análisis en CC con polarización fija

La solución gráfica, resulta de la

intercepción de la característica de

Transferencia con la recta de

polarización (Recta vertical VGSQ = - VGG

Cálculo de Av, configuración SC

Δvo + ΔId. Rd =0 y siendo ΔID= gm. ΔVGS Resulta Δvo= - gm. ΔVGS. Rd

→ 𝐴𝑣 =∆𝑉𝑜

∆𝑉𝑔𝑠 = -gm. Rd

Comportamiento en CA

AUTOPOLARIZADO

Análisis en CC

Determinación Gráfica La solución gráfica, resulta de la intercepción

de la característica de Transferencia con la

recta de polarización, cuya pendiente es -1/Rs

Cálculo de Av, configuración SC

Δvo + ΔId. Rd =0 y siendo ΔID= gm. ΔVGS Resulta Δvo= - gm. ΔVGS. Rd

→ 𝐴𝑣 =∆𝑉𝑜

∆𝑉𝑔𝑠 = -gm. Rd

Comportamiento en CA

𝑰𝑫 = 𝑰𝑫𝑺𝑺. (𝟏 +𝑽𝑮𝑺

𝑽𝑷𝑶)2 = -

𝑽𝑮𝑺

𝑹𝑺 → 𝟏 − 𝟐

𝑽𝒈𝒔

𝑽𝒑𝒐+

𝑽𝑮𝑺𝟐

𝑽𝒑𝒐𝟐

𝟐

+ 𝑽𝑮𝑺

𝑰𝑫𝑺𝑺.𝑹𝒔= 𝟎

Resolviendo la ecuación cuadrática resulta 2 valores para VGS . Uno -2,6 V y otro

de -14V. Este último se desprecia por ser > Vpo

El punto de operación resultante indica el voltaje compuerta-surtidor de VGSQ = ID. RS =2.6 V

Polarización por Divisor de Voltaje

𝐷𝑒𝑠𝑝𝑒𝑗𝑎𝑛𝑑𝑜 𝐼𝐷 =𝑉𝐺

𝑅𝑠−

𝑉𝐺𝑆

𝑅𝑆 𝑠𝑒 𝑜𝑏𝑡𝑖𝑒𝑛𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑹𝒆𝒄𝒕𝒂 𝒅𝒆 𝑷𝒐𝒍𝒂𝒓𝒊𝒛𝒂𝒄𝒊ó𝒏

La solución se obtiene, reemplazando en la ecuación de la Característica de Transferencia ( Ec. de Shockley).

Solución Gráfica

Cálculo de Av, configuración SC

Δvo + ΔId. Rd =0 y siendo ΔID= gm. ΔVGS Resulta Δvo= - gm. ΔVGS. Rd

→ 𝐴𝑣 =∆𝑉𝑜

∆𝑉𝑔𝑠 = -gm. Rd

Comportamiento en CA

MOSFET (transistores de efecto de campo de metal-

óxido-semiconductor) MOSFET del Tipo Incremental o de Enriquecimiento (Canal N)

D S G

+

P-

Substrato

N+ N+

SiO2

Contactos

metálicos Metal G S D

Metal

Óxido

Semiconductor

MOSFET de enriquecimiento

(acumulación) de canal N

G

D

S

Substrato

Símbolo G

D

S MOSFET de

enriquecimiento

de canal P

Símbolo

Estructura Nombre

++ ++

G D S

+

P

Substrato

N N - - - -

G D S

+

P

Substrato

N N

Principios de operación de los MOSFET

V1

+ + + +

- - - -

Zona de transición

(con carga espacial)

V2 > V1

+ + + +

+++ +++

- - - -

- -

- -

Se empieza a formar una

capa de electrones

(minoritarios del substrato)

VDS

VDS

Curvas características de un MOSFET de

enriquecimiento de canal N

ID [mA]

VDS [V]

4

2

4 2 6 0

•Curvas de salida

VGS=VT

VGS = 2,5V

VGS = 3V

VGS = 3,5V

VGS = 4V

VGS = 4,5V

Referencias

normalizadas

+

- VDS

ID

+

- VGS

G

D

S

Característica de Salida y Curva de Transferencia de un MOSFET de enriquecimiento de canal N

MOSFET del Tipo Decremental o de Empobrecimiento (Canal N)

MOSFET del Tipo Decremental o de Empobrecimiento. Simbología