Apuntes de electrónica.
LIC. EN FSICAELECTRNICA Curso 03-04Tema 4 F. MUGARRA, DEP.
DENGINYERIA ELECTRNICA FACULTAT DE FSICA Universitat de Valncia 1
TEMA 4. TRANSISTORES UNIPOLARES. 4.1. Transistores unipolares: JFET
yMOSFET. LostransistoresJFET(JunctionFieldEffectTransistor)
yMOSFET(MetalOxide
SemiconductorFieldEffectTransistor),sondispositivossemiconductoresdetres
terminalescuyascorrientessecontrolanmedianteuncampoelctricocreadoporuna
tensin aplicada entre dos de sus terminales. Son dispositivos
controlados por tensin. Los BJT son dispositivos controlados por
corriente
TambinadiferenciadelosBJTlosprocesosdeconduccintienenlugarenellos
fundamentalmenteporlosportadoresmayoritarios,locualdapiealadenominacinde
transistores unipolares.
Existendostiposbsicosdetransistoresunipolares:FETdeunin(JFET)
yFETde puerta aislada (IGFET). Este ltimo tipo se conoce ms por las
denominaciones: MOS,
MOSToMOSFET.SeusarnlasdenominacionesFETparaelprimertipoy MOSFET
para el segundo. 4.2. El FET.
Decadaunodelosdostiposdetransistoresunipolares,FET o
MOSFET,existendos formas bsicas: canal n y canal p. Para el estudio
delFET se usar unFET canal n.
Lafigura4.1muestraelperfildelaestructuradeun
FETcanaln,juntocondosfuentesdealimentacin de tensin constanteVGG
yVDD,yunaresistenciaRD que servirn para polarizar el dispositivo.
UnFETcanalnesunabarradesemiconductor extrnseco tipo n, en cuyos
extremos S y D, terminales desurtidorydrenador,disponedecontactos
ohmicos.Enloslateralesdelabarrahaydosbloques
desemiconductorextrnsecotipop+concontactos Fig. 4.1hmicos
cortocircuitados externamente, es el terminalde puerta, G.
EntredrenadorysurtidorexisteunadiferenciadepotencialVDS,yparavalores
pequeosdeVGG,circularunacorrienteIDScuyovalorestarlimitadoporla
resistencia
externaRDyporlaresistenciadelcuerposemiconductorn.Estacorrientela
formanloselectroneslibresdelsemiconductorextrnsecon,portadoresmayoritarios.
Estos portadores circulan del surtidor hacia el drenador, por ello
los nombres que toman
dichosterminales.Lacorrientedehuecosenlabarransepuedeobviarporser
despreciable frente a la de los electrones..
SiseaumentaelvalordelafuenteVGG, sin disminuirVDD, disminuye la
corrienteIDS.
Dadoquelauninp-nestpolarizadainversamente,laconduccinenellaes
despreciable,ladisminucindeIDSsolosepuedejustificarporunaumentodela
resistenciadelabarrasemiconductoran.Setratardeanalizarendetallequeesloque
est sucediendo. VVDDGGGDSp+ +pnRDELECTRNICALIC. EN FSICA Tema
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2LapilaVGGpolarizainversamentelauninp-n.La zona p+ est mucho ms
dopada que la zona n(NA >>
ND),laprofundidaddelazonadecargasdescubiertas en la zona nser mucho
mayor que la profundidad de la zona de cargas descubiertas en la
zona p (ln >> lp). AlaumentarVGGseaumentalazonadecargas
descubiertasfundamentalmenteenlazonan(ln)lo
cualestrechaelcanaldeconduccinendichazona hasta una anchurax,
figura 4.2.Ladisminucindela seccindelcanaldeconduccinaumentala
resistenciaequivalentedelcuerposemiconductorn Fig. 4.2 y disminuye
la corriente dedrenador a surtidor, IDS. Tal como muestran las
curvas caractersticas de salida delFET canal n 2N3819, figura 4.3,
para un valor fijo deVGS, VGS = -VGG, en el intervalo de valores 0V
> VGS > -3V al aumentar VDS paulatinamente desde 0V, en
unprincipioIDS aumentarpido yconuna dependencia casi lineal conVDS,
hasta que se llega a un valor de saturacin a partir del cual casi
no aumenta conVDS. La razndeelloesquelosincrementosenladiferencia
de
potencialVDSsesumanaladiferenciadepotencialVGS,dandolugaraunagran
diferencia de potencial negativapuerta-drenadormayor que la
diferencia de potencial
puerta-surtidor,elcanaldeconduccinseestrechamsenlasproximidadesdel
drenador que delsurtidor, figura 4.2. Para cada valor deVGSexiste
unvalordeVDS que contrae el canal de conduccin hasta que solo deja
un pequeo paso que estabiliza
elvalordelaintensidaddecorrientequepasa.Sehaalcanzadounvalortanaltode
campo elctrico en el canal que la corriente elctrica deja de
cumplir la ley de Ohm. Fig. 4.3 VVDDGGGDSp++pRDxnLIC. EN
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ELECTRNICA FACULTAT DE FSICA Universitat de Valncia 3 Antes de
continuar con un anlisis ms detallado de la grfica de lafigura 4.3,
conviene introducirelparmetrotensindeestrangulamientoVp,el
subndicepprocededesu denominacineninglspinch-off.Sienelcircuito
delafigura4.2secortocircuitanlosterminalesde
drenadorysurtidordelFET,lacorrienteIDSse
anulayelnuevoperfildelazonadecargas
descubiertaseselquemuestralafigura 4.4.Segn se vio en eltema 2
(2-19), la longitud de la zona de cargas descubiertas en una unin
p-n: l = ln + lpln ND = lp NA Fig. 4.4 ya que en esta unin: ND
(zona n)VTVDDRDCANAL INDUCIDOIDSLIC. EN FSICAELECTRNICA Curso
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11Enlagrficadelafigura4.16sedanlascurvasdesalidadeunMOSFETde
enriquecimientocanaln,.EnellassemuestraqueparaVGSpordebajode2,7Vla
corriente de drenador-surtidor es despreciable. Las curvas de
salida de un MOSFET de
empobrecimientocanaln,sonigualesperoelvalordeVPes negativo.
Enlafigura4.17semuestraelsmbolodeunMOSFETde enriquecimientocanaln,
donde como es habitual el
terminaldesustrato,laflecha,estinterconectadoconelterminalde
surtidor.ElsmbolodelMOSFETdeenriquecimientoFig. 4.17 canal p es el
mismo que el de canal n pero con la flecha en sentido contrario
4.6. Polarizacin del MOSFET.
SeusanlosmismostiposdepolarizacinqueparaelFET,peroparaseleccionarel
puntodefuncionamientosehadetenerencuentaquelacurvaqueseobtienedela
relacinentreIDS yVGSparaunMOSFETcanalnesdiferenteparalostiposde
empobrecimiento y enriquecimiento, tal como muestra la figura 4.18.
Fig. 4.18
ParaseleccionarelpuntodefuncionamientodeunMOSFETdeempobrecimiento
canal nsepartedelosparmetrosIDSSyVP,queelfabricantedaenlashojasde
especificaciones del dispositivo, en la figura 4.18, estos
parmetros son VP = -4V e IDSS
=10mA.ParaunMOSFETdeenriquecimientocanaln,elfabricantesuministrael
parmetro VT y un punto en conduccin del dispositivo (VGS, IDS) que
en la figura 4.18 son: VT = 3V y (5V, 5mA). 4.7. Modelo de pequea
seal del MOSTFET.
Elmodelodepequeasealparabajaymediafrecuenciaeselmismoqueparaeldel
FET,figura4.19,perohacefaltahaceralgunasprecisionesparacadatipode
MOSFET. VGSDSI5 mAV= 3VMOSFET DE ENRIQUECIMIENTOCANAL NVGSDSI I =
10 mAV= -4VMOSFET DE EMPOBRECIMIENTOCANAL NT5VPDSSELECTRNICALIC. EN
FSICA Tema 4Curso 03-04 F. MUGARRA, DEP. DENGINYERIA ELECTRNICA
FACULTAT DE FSICA Universitat de Valncia 12 Fig. 4.19 Para
unMOSFETdeempobrecimientocanal nlarelacin entreIDSyVGS,ygmy VGS es
la misma que para un FET canal n:
2PGSDSS DSVV1 I I
,_
,_
PGS0 m mVV1 g g PDSS0 mVI 2g En este
dispositivogm0noeselvalormximoquepuedetomargm ya que VGS admite
valores positivos. El
parmetrordlosuministraelfabricanteenlashojascaractersticas del
dispositivo en forma de una admitancia yOS (rd = 1 / yOS). Para
unMOSFETdeenriquecimientocanalnlarelacinentreIDSyVGStomauna
expresin diferente, que segn se vio en (4-14) es. IDS = k ( VGS VT
)2 De la definicin de gm en (4-9): ( )T GSCte VGSDmV V k 2vigDS
(4-15)
Elparmetrordseobtieneenlashojascaractersticasdeldispositivoapartirdela
admitancia yOS (rd = 1 / yOS). Para
altasfrecuenciaselcircuitoequivalentesemodificamediantelainclusindelas
capacidadesinterelectrodos.Elcircuitoresultanteeselmismoqueseobtuvoparael
FET canal n, figura 4.11. LIC. EN FSICAELECTRNICA Curso 03-04Tema 4
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Universitat de Valncia 13PROBLEMAS
1.Enlagrficaanexasemuestralacurva caracterstica IDS = f (VGS) de
valores mximos ymnimosdeunFETcanaln,dondelas variaciones son
debidas a incertidumbres en el
procesodefabricacin.Lagrficamuestraque VPpuedevariarentre2V
y6V,eIDSS entre 4mA y 12mA. Si se desea fijar un punto de
funcionamiento en continuatalqueVGS =-1V,evalacomo
puedevariarelpuntodefuncionamientopara
cadaunodelostrestiposdepolarizacinen continua que se muestran en la
figura anexa.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
ParaanalizarcomovariaelpuntodefuncionamientosepartirdelacurvaIDS=f(VGS)
enlaquesehantomadocomovaloresdelosparmetrosVPeIDSSlosvalores
intermedios de los valores posibles: VP = -4V e IDSS = 8mA. a)Este
tipo de polarizacin, fija el valor de VGS
alvalordelafuentedecontinuaVGG,.El
puntodefuncionamientodebeestarsobrela recta de carga, perpendicular
al eje x, VGS = -VGG.Talcomomuestralafiguraanexael
puntodefuncionamientopuedevariarentre los puntos: (-1V, 1mA) y
(-1V, 9mA). VGSDSI 12 mA4 mA-6V -2VVGSDSI9 mA1 mA-6V -2VV = - V =
-1VGSGGELECTRNICALIC. EN FSICA Tema 4Curso 03-04 F. MUGARRA, DEP.
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14b)Paraelcircuitob,larectadecargatienepor ecuacin: VGS = -RS IDS
ComosepartedeunvalordeVGS =-1Vparalacurva
intermedia,estacortaalarectadecargaenelpunto VGS =-1V e
IDS=5mA,locualdacomovalorparaRS 200 . La ecuacin de dicha recta es:
IDS = -(1/0,2k? ) VGS = 5 VGS(mA) Para obtener los puntos de corte
de dicha recta con las dos curvas extremas se resuelve la ecuacin
de la recta con la ecuacin de dichas curvas:
2PGSDSS DSVV1 I I
,_
paralosparesdevaloresIDSSyVPdedichascurvas.Elresultadodacomopuntosde
corte: (-0,5V, 2,25mA)(-1,5V, 6,75mA). c)La recta de carga de este
tipo de polarizacin es: VGS = VG RS IDS
VGseobtienedeldivisordepuerta,yaquela corriente de puerta es
despreciable se cumplir: V 5 V 15M 4 M 2M 2VG+
DibujandolarectadecargaquepasaporelpuntoIDS=0yVGS=5V,yquecortaala
curva intermedia en VGS = -1V e IDS = 5mA: VGS = VG RS IDSRS = (VG
VGS) / IDS = 1k1 La ecuacin de la recta es:IDS = -(5/6) VGS +
(25/6)(mA) Para obtener los puntos de corte de dicha recta con las
dos curvas extremas se resuelve la ecuacin de la recta con la
ecuacin de dichas curvas: VGSDSI7,5 mA2,5mA-1,5V-0,5VV = - RIGSS
DSVGSDS I6,3 mA4,2 mA-2V0,2VV = V- RI GSS DS GV= 5VGLIC. EN
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2PGSDSS DSVV1 I I
,_
paralosparesdevaloresIDSSyVPdedichascurvas.Elresultadodacomopuntosde
corte: (0,033V, 4,13mA)(-1,85V, 5,74mA).
Esevidentequeelmtododepolarizacinencontinuamediantedivisordetensinen
puerta y resistencia en surtidor es el ms estable. Se recomienda
repetir el problema para una seleccin inicial de VGS = - 2V.
2.ElFETcanalndelcircuitoanexotienedeparmetros:VP =-4V e IDSS = 8mA.
DeterminalatensinencadaunodelosterminalesdelFETascomolacorriente
IDS.
-------------------------------------------------------------------------------
Paradeterminarelpuntodefuncionamientoseusarlarectadecarga que
define este tipo de polarizacin del circuito: VGS = VG RS IDS La
ecuacin que relaciona las variables IDS y VGS:
2PGSDSS DSVV1 I I
,_
La curvadelaexpresinpreviasemuestraenlagrficaanexa.Puesto
quelacorrientedepuertaesdespreciable,latensinenpuertaVGse obtiene
de: V 4 V 20M 4 M 1M 1VG+ Para dibujar la recta de carga se
obtiene: el punto de cruce de dicha recta con eleje Y (VGS = 0):
VGS = 0 =VG RS IDSIDS = VG / RS = 4V / 4k = 1mA Para obtenerel
puntodecortededicharectaconla curvaseresuelvelaecuacindela recta
con la ecuacin de la curva:
2GSDS4V1 8 I ,_
VGSDSI 8 mA-4VELECTRNICALIC. EN FSICA Tema 4Curso 03-04 F.
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de Valncia 16El punto de funcionamiento obtenido es: IDS =
1,53mAVGS = -2,25V Como: VGS = -2,25V =VG VSVS = VG + 2,25V = 6,25V
La tensin en el terminal de drenador se obtiene de la expresin: VD
= Vdd RD IDS = 20V 4k 1,53mA = 20V 6,12V = 13,88V 3. Las curvas
caractersticas de salida del FET canal n 2N3819 son las de la
figura
DiseaelcircuitodelafiguraparaqueelFETtengaunpuntodefuncionamiento
en la zona central de la zona de saturacin. La malla: alimentacin
de 20V-drenador-surtidor-tierra, tiene por ecuacin: Vdd = Rd IDS +
VDS + RS IDS que es la recta de carga sobre la que debe de estar el
punto de funcionamiento.
Setratadeescogerunpuntodefuncionamientolomsprximoalpuntocentraldela
grfica de p.e.: IDS = 5mAVDS = 10V LIC. EN FSICAELECTRNICA Curso
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Comolarectadecargapartedelpuntodelejex(Vdd,0mA),tomandovalorparaVdd
20V,larectadecargadebeseraproximadamentelaquemuestralagrfica,lacualenel
cruce por VGS = -1V da como punto de funcionamiento VDS = 9,94V e
IDS = 5,3mA Sustituyendo en la expresin de la recta de carga VDS e
IDS: Vdd = RD IDS + VDS + RS IDS 20 = Rd 5,3mA + 9,94V + RS 5,3mA
Rd + RS = 1898 Tomando valores estndar: Rd = 1k2 RS = 690 Para este
punto de funcionamiento: VGS = -1V: VGS = VG VS VG = RS IDS + VGS =
2,66V La tensin en puerta es: V 20R RRVR RRV 66 , 2 V2 12dd2 12G++
LasresistenciasR1yR2,porrazonesqueseverneneltemasiguiente,setomandel
orden de M. Tomando para R2 el valor de 1,5 M: M 10 8 , 9 M 5 , 166
, 2M 5 , 1 x 20R1 ELECTRNICALIC. EN FSICA Tema 4Curso 03-04 F.
MUGARRA, DEP. DENGINYERIA ELECTRNICA FACULTAT DE FSICA Universitat
de Valncia 18 4.DiseaelcircuitodelafiguraparaunacorrienteIDS = 5mA
y VDS = 8V. Si el MOSFET de empobrecimiento canal n de la figura
tiene de parmetros: VP = -5V e IDSS = 10 mA. La ecuacin de la malla
drenador-surtidor es: Vdd = Rd IDS + VDS + RS IDS Sustituyendo IDS
y VDS: Rd + RS = 2,4 k Tomando los valores: Rd = 1,5 kRS = 890 De
la ecuacin de Shockley se obtiene VGS: V 5 , 11051 V 5II1 V VVV1 I
I2121DSSDSP GS2PGSDSS DS 11]1
,_
11]1
,_
,_
Para obtener la tensin en puerta se usar la expresin: VGS = VG
VS = VG RS IDS VG = RS IDS + VGS = 3V Para calcular
R1yR2setomaunadelasdosresistenciasdelordendemegaohmios,p.e. R1 = 10
M: +M 8 , 1 RM 30 R 3 R 20 V 20R RRV22 22 12G LIC. EN
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195.ObtnelpuntodefuncionamientodelcircuitodelafigurasielMOSFETde
enriquecimiento canal n tiene por tensin VT = 3V y un punto de
encendido (ON)es: IDS = 6mA para VGS = 8V.
EnlaregindesaturacinelMOSFETcanalnde enriquecimiento cumple la
ecuacin: IDS =k ( VGS VT )2 para VGS > VT Sustituyendo los datos
del MOSFET se obtiene: k = IDS / (VGS VT )2 = 6mA / (8V 3V)2 = 6 /
25 La tensin en puerta es: V 3 , 8 V 157 M 2 2 M 27 M 2VR RRVdd2
12G++ VGS = VG - RS IDS = 8,3V 1k IDS Sustituyendo en k y VGS en la
primera ecuacin: IDS = (6/25) ( 8,3 IDS 3 )2 4,2 IDS = 28,1 10,6
IDS + IDS2 IDS = (14,8 t 10,3) / 2 = 7,4 t 5,15mA La solucin
compatible es IDS = 2,25 mA, por tanto: VGS = VG RS IDS = 8,3 2,25
= 6,05V VDS = Vdd (Rd + RS ) IDS = 15 2k5 x 2,25= 9,37V
