Transistores

Objetivos

• Entender la distribución y movimientos de carga en los

transistores

• Conocer las estructuras, funcionamiento y características

de los diferentes tipos de transistor

• Ser capaz de explicar les diferencias entre el transistor de

unión, el JFET y el MOSFET

• Conocer algunas aplicaciones

Transistores

• El transistor de unión– Polarización

– El amplificador

– Modelos

• El transistor de efecto campo– El JFET

– El MOSFET

– Circuitos lógicos, memorias, CCDs, TFTs

– Fundamentos físicos de la informática, cap. 10

– L. Montoto, Fundamentos físicos de la informática y las comunicaciones, Thomson, 2005

– A.M. Criado, F. Frutos, Introducción a los fundamentos físicos de la informática, Paraninfo, 1999

Transistores

I---

e-

-

ColectorEmisor

Base

ColectorEmisor

Base

Base poco dopada

Emisor más dopado que colector

El transistor bipolar de unión (BJT)

p

rE

pn

V V0

rE

Unión no polarizada

similar a dos diodos con polarización directa

p

rE

pn

V V0

rE

IE IB IC

IB + IC = IE

El transistor polarizado (saturación)

p

rE

pn

V

V0

rE

IE = IC = IB = 0

similar a dos diodos con polarización inversa

El transistor polarizado (corte)

p

rE

pn

rE

(P) Emisor (P) Colector(N) Base

IE

IB

InB

IBB

InC

IpB

IC

Transistor polarizado en forma activa

BC II

(P) Emisor (P) Colector(N) Base

IE

IB

InB

IBB

InC

IpB

IC

BC inversa puede conducir si BE directa

Los huecos que se difunden de E a B llegan a C

factor de ganancia

Transistor polarizado en forma activa

BC II

(P) Emisor (P) Colector(N) Base

IE

IB

InB

IBB

InC

IpB

IB = -InC + IBB +InB IC = IpB - IBB + InCIE = IpB + InB

ICIpB, huecos que por difusión

pasan del emisor a la base.

InB, electrones que pasan

de la base al emisor.

IBB, electrones procedentes del

circuito para cubrir las

recombinaciones.

InC, débil corriente de electrones del

colector a la base.

Hay 4 variables que dependen el tipo de conexión:

Vsalida, Ventrada, Isalida, Ientrada.

Base común

Variables:

VBE, VCB, IE, IC

E

B

C

Emisor común

Variables:

VBE, VCE, IB, IC

B

E

C B E

C

Colector común

Variables:

VCB, VCE, IB, IE

Configuraciones del transistor

RC

VCCIB = 1 mA

VBB

RB

n

C

B p

n

IC = 99 mA

IE = 100 mAE100 %

99 %

1 %

99E

c

I

I

RC

RB

VBE VCCVBB

VCE

IC

IB

Configuración en emisor común

E

C

B

RC

RB

VBEVBB

VCE

IC

VCC

E

C

B

Curva característica de entrada

IB

VBE

IB

0,7 VVBE = VBB - IB RB

VBE 0,7 V

Curva característica de salida

VCE (V)

IC

IB = 20 µA

IB = 40 µA

IB = 60 µA(mA)RC

RB

VBEVBB

VCE

IC

VCC

E

C

B

IB

VCE = VCC - IC RC

Variables: VBE, VCE, IB, IC

RB

RC

+VCC

Vsalida

Ventrada

RC

RB

VBE VCCVBB

VCE

IC

IBVBE 0,7 V para silicio

IC = IB

VBE = VBB - IB RB

VCE = VCC - IC RC

IC

IB

Emisor común: variables

• En región activa: unión EB con polarización directa, BC con

polarización inversa. Aplicación en amplificación.

• En región de corte: las dos uniones polarizadas inversamente:

circuito abierto.

• En región de saturación: las dos uniones polarizadas

directamente: cortocircuito.

IB = 0 µA

IB = 40 µA

IB = 20 µA

I C(

mA

)

VCE (V)

Región de saturación

Región activa

Región de corte

IB = 80 µA

IB = 60 µA

RC

RB

VBE

VCCVBB VCE

Ruptura

Curvas características del transistor EC

VBB (V) VCE (V) Ic (mA) IB (mA)

0,7 10 0 0

0,8 9,375 0,625 6,25

0,9 8,75 1,25 12,5

1 8,125 1,875 18,75

1,2 6,875 3,125 31,25

1,4 5,625 4,375 43,75

1,6 4,375 5,625 56,25

1,8 3,125 6,875 68,75

2 1,875 8,125 81,25

2,2 0,625 9,375 93,75

2,3 0 10 100

VBE = -IB RB+ VBB

RC =1 kW

RB=16 kW

VBE VCC=10 V

VBB = 2 VVCE

IC

VCEVCC = 10 V

C

CC

R

V

IB1

IB2

IB4

IB3

= 100 VBE 0,7 V

VCE = VCC - IC RC = 10 - 8,125 = 1,875 V

A25,8116000

7,02m

B

BEBBB

R

VVI

Ic = IB = 8,125 mA

Q

Q

Q

Saturación

Corte

IC

IB

Reg

ión

activa

Línea de carga y punto de funcionamiento

Línea de carga y punto de funcionamiento

V BE 0,7 V VCE (V) Ic (mA)

0 12,00 5,550 6,450

1000 W 12 0,00

100 kW

150

12 V

5 V

43,000 IB 43,00 µA 30,1 PEB 30,10 µW

6,450 Ic 6,45 mA 35,7975 PCE 35,80 mW

6,493 IE 6,49 mA PT 35,83 mW

5,550 VCE 5,55 V

4,850 VCB 4,85 V

V CC

V B

B

R B

R C

0

2

4

6

8

10

12

14

0 2 4 6 8 10 12 14

Vcc (V)

Ic (m

A)

43,00 µA 6,45 mA

6,49 mA

5,55 V

E

C

B

VCE = -IC RC+ VCC

IC

VCE

Q

O

VCE IC RC

VCC

C

CECCC

R

VVI

C

CC

R

V

RC

RB

VBE

VCCVBB VCE

IB1

IB2

IB4

IB3

Línea de carga y punto de funcionamiento

IC

VCE

IB1

IB2

IB4

IB3

RC

RB

VBE VCCVBB

VCE

IC

IB

VCC

C

CC

R

V

Punto de funcionamiento: IB

IC

VCE

IB1

IB2

IB4

IB3

RC

RB

VBE VCCVBB

VCE

IC

IB

VCC

1C

CC

R

V

2C

CC

R

V

3C

CC

R

V

Punto de funcionamiento: RC

IC

VCE

IB1

IB2

IB4

IB3

RC

RB

VBE VCCVBB

VCE

IC

IB

VCC3

C

CC

R

V 3

C

CC

R

V 2

C

CC

R

V 1

VCC2VCC1

Punto de funcionamiento: VCC

B E

B

C

IC

VCEVCC

Si VBB , IB = , IE IC = VCC/RC

zona de saturación

cortocircuito CE VCE = 0

Si VBB = 0 o < 0,7 V, IB = 0,

IE IC 0, VCE = VCC

Zona de corte

circuito abierto VCE = VCC

El transistor como conmutador

VBB (V) VCE (V) Ic (mA) IB (mA)

0,7 10 0 0

0,8 9,375 0,625 6,25

0,9 8,75 1,25 12,5

1 8,125 1,875 18,75

1,2 6,875 3,125 31,25

1,4 5,625 4,375 43,75

1,6 4,375 5,625 56,25

1,8 3,125 6,875 68,75

2 1,875 8,125 81,25

2,2 0,625 9,375 93,75

2,3 0 10 100

RB

RC

+VCC

Vsalida

Ventrada

Ventrada Vsalida

A Y

Y = not AINVERSOR

Circuito inversor simple

IE

IB

PEmisor

PColector

NBase

IC

RL

A

D

VEB V

E

B

C

gm : transconductancia

DVAD = RLDIC

D(-IC) = gm DVEB

mL

EB

AD gRV

V

D

D

Transistor de unión: amplificador

• Transistor de efecto campo de unión (JFET)

• Transistor de efecto campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET)

Transistores de efecto campo(FET)

n

Drenador D

Fuente S

Puerta Gp p

Región de agotamiento

Contactos óhmicos

Transistores de efecto de campo de unión (JFET)

Canal n Canal p

Fuente Drenador

Puerta

+VDD

D

S

G

IG

VG

-VDD

D

S

G

IG

VG

Transistor de efecto campo de unión (JFET)

n

p

p

S

G

D

IDID

VDD

ID

VDS

IDSS

VPVoltaje de estrechamiento

Al aumentar la tensión entre

Drenador y Fuente VDS, la

intensidad ID aumenta, al tiempo

que se estrecha el pasillo debido

al incremento de la de las uniones

p-n y la ampliación de la región de

agotamiento.

El pasillo se cierra para VDS = VP;

tensión para la que ID deja de

aumentar.Tran

sist

ore

s d

e e

fect

o d

e

cam

po

de

un

ión

VDD VDD

n n p

pp

pS S

G G

D D

IDID IDID

VGS=0

Manteniendo nula la tensión entre la fuente y G, VGS, al aumentar la

tensión entre Drenador y Fuente VDS, la intensidad ID aumenta, al

tiempo que se estrecha el pasillo debido al incremento de la de las

uniones p-n y la ampliación de la región de agotamiento .

Transistores de efecto de campo deunión (JFET)

VDD

n p

p

S

G

D

IDID

VDS

IDSSID

Región de comportamiento óhmico

Estrechamiento del canal,

aumento de la resistencia

Para

VGS=0

VP

Voltaje de estrechamiento, VP

Al aumentar la tensión entre

Drenador y Fuente VDS, la

intensidad ID aumenta, al tiempo

que se estrecha el pasillo debido

al incremento de la de las uniones

p-n y la ampliación de la región de

agotamiento

El pasillo se cierra para VDS = VP

Corriente de saturación, IDSat

Estrechamiento del canal

VGS< 0

ID

VDD

nS

G

D

IDID

p

p

VDS

ID

VGS= -1 V

VGS= -3 V

VGS= 0 V

VP (para VGS=0)

2

1

P

GSDSSD

V

VII

IDSat3

VGS= -VP

Con valores negativos de VGS el

pasillo se cierra antes, siendo la

corriente de saturación menor

VP

IDSS

IDSat2

IDSat1

Estrechamiento del canal

VDS (V)

ID (mA)

8

VGS= -1 V

VGS= -2 V

VGS= 0 V2

518

GS

D

VI

IDSS

VGS= -VP

S

G

D

5 10 15

1

5

VP = 5 V

-2-4 0VGS (V) -5 -3 -1

VP

VGS= -3 V

Intensidad de saturación ID=f(VGS)

D

G sustrato

n

S

D

G sustrato

p

S

D

G sustrato

n

S

D

G sustrato

p

S

DS G

np

n

DS G

np

n

Metal

Óxido

Semiconductor

Metal

de enriquecimiento de agotamiento

pMOS-FET

de enriquecimiento

nMOS-FET

de enriquecimiento

pMOS-FET

de agotamientonMOS-FET

de agotamiento

Formado por una placa de metal y un semiconductor, separados por una zona de óxido del semiconductor -

por ejemplo SiO2 - de unos 100 nm de espesor. Posee cuatro electrodos:

•Compuerta, gate en inglés, simbolizado con G; que se conecta a la placa metálica.

•Fuente (Source) y drenador (Drain), ambos simétricos, que se internan en el sustrato.

•Sustrato (Body), generalmente conectado eléctricamente con la fuente.

Tran

sist

or

de

efe

cto

cam

po

m

etal

-óxi

do

-se

mic

on

du

cto

r (M

OSF

ET)

p

D

G

n n

SiO2S

Contactos metálicos

D

G sustrato

p

S

MOSFET de enriquecimiento de canal n

p

SD

G

VDS

+++++++++++++

n n

e- atraídos por la puerta +VGS>VT

ID

Región de agotamiento

D

G sustrato

p

S

- - - - - - - - - - - - - - - - -

Formación del canal en el MOSFET de enriquecimiento de canal n

D

G sustrato

p

S

p

SD

G

VDS

+++++++++++++

n n

VGS>VT

ID

- - - - - - - - - - - - - - - - -

Al aumentar VDS, se estrecha el canal, alcanzándose la I de

saturación, IDS

Formación del canal en el MOSFET de enriquecimiento de canal n

Cara

cteríst

ica M

OSFET d

e

enr

ique

cimient

o de c

ana

l n

VDS

ID (mA)

VGS= 4 V

VGS= 6 V

VGS= 5 V

VGS= VT

En ausencia de canal para VGS = 0, no hay corriente ID. Es necesario un

valor mínimo de voltaje umbral VT positivo de VGS para que se forme el canal.

Aumentando VGS aumenta el valor de la corriente de saturación

VGS= 7 V

2)( TGSSatD VVKI

53 7

ID (mA)

VGS (V)

1 2 4 6 8

VT

n+

p

GS D

+ VD

- - - - - - - -- - - - - - - - -

+ VG

+ + + + + +

n+

p

GS

D

+ VDS=VDsat

n+n+ - - - - - - - - -- - - - - - - - -+ + + + +

n+ n+

p

GS

D

+ VDS+ VG

p

SD

G

n nn

D

G sustrato

p

S

MOSFET de agotamiento de canal n

p VDS

n n

VGS = 0

ID

Con VGS=0 ya existe canal y los e- del canal son

atraídos por D

SD

G

D

G sustrato

p

S

- - - - - - - - - - - - - - - - -n

MOSFET de agotamiento de canal n

D

G sustrato

p

S

p VDS

VGS < 0

ID

n

SD

G -

— — — — — —

- - - - - - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + + + + + + +n n- - - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + +

Con VGS<0, los e- del canal son repelidos hacia la zona p,

recombinándose con huecos. La corriente de saturación

disminuye.

MOSFET de agotamiento de canal n

Car

acte

ríst

ica

MO

SFET

de

ag

ota

mie

nto

de

can

al n

VDS (V)

ID (mA)

VGS= -3 V

VGS= -2 V

VGS= -1 V

VGS= 0 V

VGS= 1 V

5 10 15

2

1

p

GSDSSD

V

VII

2

418

GS

D

VI

5

10

D

G sustrato

p

S

n+

n+

p

GS D

+ VDS

n

VGS (V)-3 -2 -1 0 1

VP

5

10

IDSS

ID (mA)

-4

- VG

- - - - - - -

n+

p

GS

D

+ VDS=VDsat

n+

- - - - - - - - -- - - - - - - - -

1950: Abandono de las válvulas de vacío y sustitución

por transistores individuales

1960: Circuitos integrados en sustrato de silicio

1980: Transistores de efecto campo

1993: Tecnología CMOS

Del vacío al CMOS

Aplicaciones: circuitos lógicostecnología CMOS

Inversor (NOT)

G

D

S

FILA

BITSe almacena un “1” en la celda cargando el

condensador mediante una VG en fila y VD en bit

La lectura se hace aplicando VG en fila y midiendo la

corriente en la línea bit

La lectura es un proceso destructivo. Hay que

restaurar el valor leído

SRAM

DRAM

Aplicaciones: memorias RAM

EPROM

MOSFET ROM

Aplicaciones: memorias ROM