Transistores de Efecto de Campo

Transcripción

1 1 Tansistoes e Efecto e Campo El fenómeno e moula la conuctancia e un semiconucto po un campo eléctico aplicao pepenicula a la supeficie el semiconucto se enomina "efecto e campo". Los tansistoes basaos en el efecto e campo (FET, Fiel Effect Tansisto) son ispositios en los cuales el contol e la caga o e la coiente se efectúa meiante un campo eléctico tansesal que egula la conuctancia ente los electoos en una zona enominaa canal. El pincipio básico e funcionamiento e un ispositio e efecto e campo es simple. El potencial aplicao al teminal enominao Pueta (G) contola la conuctancia o esistencia e una egión semiconuctoa enominaa canal a taés e la cual ciculan potaoes libes (electones o huecos) ese un teminal enominao Fuente () hacia un teminal enominao Denao (D). El ancho el canal se moula meiante el potencial aplicao a Pueta esultano en una aiación e la coiente que cicula po el mismo. Paa que el ispositio tenga un buen enimiento (ganancia eleaa) la Pueta ebe esta muy bien aislaa el canal. egún el tipo e aislamiento esultan ifeentes tipos e ispositios. El JFET utiliza una juntua PN en polaización inesa paa aisla la Pueta. En el MEFET se utiliza una juntua Metal-emiconucto. En el MIFET un mateial aislante sepaa la Pueta el canal. Cuano el aislante utilizao es ióxio e ilicio (io ) el ispositio se enomina MOFET. JFET Juntua PN Tipos e FET MEFET MOFET Metal-emiconucto Metal-Oxio- emiconucto Los FETs son ispositios unipolaes poque el flujo e coiente está ominao po los potaoes mayoitaios: electones o huecos. Al se un ispositio unipola puee funciona a elociaes eleaas ao que la ecombinación electón-hueco no limita las caacteísticas el ispositio. 1- Tansisto e efecto e campo e juntua (JFET). Análisis cualitatio. La Figua 1 muesta un cote tansesal y el símbolo esquemático e un JFET e canal N. G D Figua 1 La egión N ente las os egiones P+ se enomina canal, cuya longitu es L.

2 En un JFET e canal N los electones, potaoes mayoitaios en la egión semiconuctoa e tipo N, fluyen ente los teminales e fuente () y enao (D), ao que este último se polaiza positio especto a la fuente. Este moimiento e potaoes oigina la ciculación e una coiente, e sentio conencional iigio ente enao y fuente, enominaa. Un JFET e canal P se constuye sobe un semiconucto e tipo P sobe el cual se cean las os egiones e tipo N+. Al polaiza el enao negatio especto a la fuente fluián huecos po el canal ente fuente y enao oiginano la coiente. La Figua a) muesta un JFET e canal N con potencial nulo aplicao a la pueta G y el teminal e fuente conectao a tiea ( = 0). Paa un pequeño potencial positio VD aplicao ente enao y fuente fluián electones ente y D ciculano una coiente ente los teminales e D y. El canal se puee moeliza como una baa semiconuctoa e tipo N e altua constante, compotánose como una esistencia o conuctancia. La caacteística -VD paa pequeños aloes e VD es apoximaamente lineal como se e en la Figua b). Figua a) Figua b) i se aplica un potencial negatio a la pueta especto a fuente ( < 0), la juntua P+N ente la pueta y el canal quea inesamente polaizaa. La egión e caga espacial aumenta y el canal isminuye su altua, aumentano la esistencia. La peniente e la caacteística - VD ecece paa pequeños aloes e VD, como se muesta en las Figuas 3 a) y 3 b). Figua 3 a) Figua 3 b)

3 3 Al aplica a la pueta un potencial ineso lo suficientemente gane, la egión e caga espacial sigue aumentano hasta llega a cubi completamente el canal, Figua 4 a). El alo e tensión e pueta que pouce esta conición se enomina off en las hojas e atos el ispositio y también tensión e contacción o e "pinchoff", = Vp. En estas coniciones no hay potaoes libes en el canal y po lo tanto = 0, Figua 4 b). Figua 4 a) Figua 4 b) La ciculación e la coiente po el canal es contolaa po la tensión aplicaa a la pueta G (). El ispositio se enomina nomalmente conucto o en moo e agotamiento o aciamiento. El canal está totalmente abieto paa = 0 y se bloquea cuano = off, alo negatio paa un JFET e canal N. Consieemos ahoa el caso e = 0 con VD aumentano su alo en foma positia. Como se ijo antes, paa pequeños aloes e VD el compotamiento es apoximaamente lineal. Aumentano más el alo e VD la juntua pueta-canal se polaiza en inesa en las cecanías e enao, e moo que la egión e caga espacial se extiene más en esta zona que en las cecanías e la fuente, Figua 5 a). El canal se compota como un esisto cuya esistencia efectia se incementa cuano aumenta el ancho e la egión e agotamiento poucieno un ececimiento en la peniente e la caacteística -VD, Figua 5 b). La esistencia efectia el canal aía sobe la longitu L el canal y la caía e potencial a taés el canal se uele epeniente e la posición, ente los teminales e fuente y enao. Figua 5 a) Figua 5 b)

4 4 Al segui aumentano la tensión enao-fuente, las egiones e caga espacial pueen llega a unise en el extemo el canal cecano a enao, Figua 6 a). Cualquie incemento posteio en el potencial VD no causaá un incemento significatio e la coiente. e ice que el canal se encuenta en coniciones e pinchoff en el extemo e enao. La tensión VD en el punto e pinchoff se enomina VDsat. Paa VD > VDsat el tansisto se ice que está en la zona e satuación y la coiente e enao, paa el caso ieal, es inepeniente e la tensión VD, Figua 6 b). Figua 6 a) Figua 6 b) i bien paeceía que el estangulamiento el canal anulaía cualquie flujo e coiente e enao, esto no sucee. En este caso, el canal N y el enao están ahoa sepaaos po una egión e caga espacial que tiene una longitu L, como se e en la Figua 7 a). Los electones se mueen a taés el canal ese el teminal e fuente y son inyectaos en la egión e caga espacial, one sujetos a la acción el eleao campo eléctico E pesente, son baios hacia el enao. i L << L, el campo eléctico en la egión el canal N pemaneceá apoximaamente constante a pati e VDsat (Ecanal VDsat /L), y la coiente se mantiene constante paa un ispositio ieal, Figua 7 b). Figua 7 a) Figua 7 b) El mismo análisis es álio paa < 0. La caacteística epesentaa po -VD paa istintos aloes se enomina caacteística e salia (o enao), Figua 8 (JFET e canal N).

5 5 egión lineal egión no lineal VDsat = 0 egión e satuación 1 < 0 < 1 = off 3 < VD Figua 8: caacteística e salia La tensión es el paámeto e la familia e cuas que se obtiene. La caacteística -VD en la zona e satuación se epesenta po una ecuación empíica que coincie bastante bien con las caacteísticas eales el ispositio. sat I D 1- off Esta ecuación que elaciona la coiente con la tensión epesenta la enominaa caacteística e tansfeencia el ispositio, Figua 9. : coiente e satuación paa = 0 off : tensión e pinchoff en pueta, también enominaa Vp (off en las hojas e atos) VDsat Caacteística e salia Caacteística e tansfeencia egión e satuación = 0 1 = -1 V = - V 3 = -3 V = Vp Vp 3 1 VD Figua 9 La Figua 10 muesta las caacteísticas e salia e un JFET eal. Puee obsease que paa cieto alo e la tensión e enao se pouce la uptua po aalancha, limitano la máxima

6 6 tensión utilizable. e especifica la tensión e uptua ente enao y fuente con la pueta cotocicuitaa con fuente: BVD0 (0 V- 50 V). - Polaización el JFET El punto e eposo Q efine una egión que poá utilizase paa la amplificación e una señal, po lo cual su ubicación sobe las caacteísticas no poá se cualquiea y aemás, no se ebeán supea los egímenes máximos e opeación el ispositio fijaos po el fabicante en las hojas e atos..1- Cicuito e polaización fija Figua 10 El cicuito e polaización fija, mostao en la Figua 11, es el más simple que puee ealizase. u análisis puee hacese po os tipos e métoos: analítico y gáfico. En ambos métoos la caía e potencial en el esisto G puee consiease apoximaamente nula, ebio a que la juntua pueta-fuente () está polaizaa en foma inesa ciculano una coiente muy pequeña IG (el oen el pa o meno). El esisto G ebe esta pesente paa asegua que la tensión e entaa e señal i apaezca a la entaa el amplificao paa el análisis en altena. A pati e la caacteística e salia, -VD, el punto e eposo estático Q se establece po la intesección e la ecta e caga estática aa po: y la tensión como puee ese en la Figua 1. VDD = D + VD = VGG

7 7 VDD/D = 0 Q Q = - V = VGG = -3 V = off VDQ VDD VD Figua 11 Figua 1 El punto e eposo estático Q también puee obtenese en foma gáfica e la caacteística e tansfeencia -. Como se ijo anteiomente, consieano que IG 0 A, la caía e tensión sobe G seá VG= IG G 0 V, pemitieno ealiza el cicuito equialente mostao en la Figua 13. En el mismo se apecia que la juntua pueta-fuente (G-) quea inesamente polaizaa a taés e la fuente VGG, ao que al aplica ley e Kichhoff esulta: = - VGG En la intesección e la caacteística - y la ecta eteminaa po = - VGG se obtiene el punto e eposo estático Q, como se e en la Figua 14. ecta e polaización =VGG Q off VGG 0 Figua 13 Figua 14 Paa obtene el punto e eposo estático Q en foma analítica se aplica la ecuación que elaciona la coiente e enao con la tensión e polaización pueta-fuente,

8 8 I D 1- off ália en la zona e satuación el ispositio: En la cual: = - VGG eemplazano y esolieno el sistema se obtiene el alo e. De la esolución e la malla e salia se obtiene en alo e VD: VD = VDD - D Ejemplo 1: Paa el cicuito e polaización fija mostao en la figua: a) Calcula el punto Q analíticamente b) Calcula el punto Q gáficamente a) Paa la esolución analítica utilizamos la ecuación e la caacteística e tansfeencia con = 10 ma y Vp = -4.5V, consieano IG 0 esulta = -3V, entonces: b) Paa la esolución gáfica epesentamos la ecuación e la caacteística e tansfeencia, luego ubicamos la ecta e caga = -3V y en la intesección con la cua e obtenemos el punto Q. VD VDD - ID D 16V -1.11mA(. K)13.56 V - 3V I 1-10 ma D mA off - 4.5V

9 9 Del gáfico se obtiene 1. ma, alo que se encuenta ento el límite e esolución que pemite este poceimiento gáfico..- Cicuito e autopolaización El cicuito e autopolaización establece el punto e eposo Q po meio e la tensión que cae en el esisto que se conecta en el teminal e fuente eliminano la necesia e utiliza la fuente VGG, Figua ma Figua 15 Figua 16 ealizano un análisis simila al cicuito e polaización fija paa el cual se ha consieao IG 0 A, y en consecuencia VG = IG G 0 V, esulta el cicuito simplificao e la Figua 16. Paa este caso, en el cicuito e la malla e entaa: = - La tensión e polaización pueta-fuente () esulta se una función e la coiente e polaización. La ecuación anteio etemina una ecta que pasa po el oigen e cooenaas en el plano e la caacteística e tansfeencia -. En foma gáfica, el punto e eposo Q se establece en la intesección e la caacteística - con la ecta e polaización = - epesentaa sobe la caacteística anteio como se muesta en la Figua 17. En la Figua 18 se inica la epenencia el punto e eposo Q sobe el alo e al cambia la peniente e la ecta e polaización = -.

10 10 = - 1 = - ecta e polaización = - Q Q = - Q Q Q1 off Figua 17 Q 0 off Figua 18 0 Paa esole el sistema en foma analítica se combinan las ecuaciones: I D 1- off = - esultano: - ID I D 1- off Al esaolla los téminos esulta una ecuación cuaática en e la foma: K1 K 0 i bien se obtienen os aloes que satisfacen la ecuación 1 e, sólo uno e ellos tiene significao físico y es aquel que satisface la elación = - < off. Una ez seleccionao el alo aecuao e la malla e salia se obtiene en alo e VDQ: VD = VDD - D -

11 11.3- Cicuito e polaización po iiso e tensión en pueta Es una isposición cicuital el mismo tipo que la aplicaa al tansisto bipola e unión. El cicuito tiene la estuctua mostaa en la Figua 19, en la cual se obsea una e e polaización en pueta constituia po VDD, 1 y. Dao que la coiente e pueta IG 0 puee hallase el cicuito equialente e Theenin ente la pueta y tiea esultano el cicuito e la Figua 0, one: VT VDD 1 T 1// Figua 19 Figua 0 Con la suposición inicial IG 0 A, la caía e tensión VT= IG T 0 V, con lo cual paa la malla e entaa esulta, aplicano ley e Kichhoff: VT - = 0 = VT - La ecuación anteio sobe la caacteística - epesenta la ecuación e una ecta (ecta e polaización) que no pasa po el oigen. Como paa etemina una ecta necesitamos conoce os puntos paticulaes e la misma se tiene que paa: = 0, = VT/ = 0, = VT En la intesección e la ecta e polaización con la caacteística ID- se obtiene el punto e eposo Q, Figua 1.

12 1 ecta e polaización = VT - Q Q = 0, = VT/ = 0, = VT - off Q + Figua 1 Debio a que la intesección con el eje e oenaas está aa po: = VT/, y VT está fijao po la e e polaización e entaa el alo el esisto fija la peniente e la ecta e polaización y po lo tanto, la ubicación el punto e eposo Q como se muesta en la Figua. 1 1 < < Q Q Q1 - off Figua VT + Poemos halla la solución analítica combinano las ecuaciones: I D 1- off = VT - esultano: VT - ID I D 1- off

13 13 Nueamente, esolieno esta ecuación se obtenán os aloes, tenieno solamente significao físico aquel que cumple con la conición < off. Ejemplo : Paa el siguiente cicuito calcula el punto e eposo Q en foma analítica. Calculamos el cicuito equialente e Theenin isto ese la pueta: 0 V VT 110K.16 V, T 1// 98.3 K 910K 110 K VT - ID.16 V - ID1.1K VT - ID ID 1- off.16 V - ID1.1K ID 10 ma V esolieno la ecuación e seguno gao esultante se obtienen: 1 = 7.98 ma, = 3.31 ma Paa enconta el alo que satisface las coniciones el cicuito: 1 =.16 V ma 1.1 K V < off, no tiene significao físico =.16 V ma 1.1 K V > off

14 14 Po lo tanto el punto Q quea efinio po = 3.31 ma, = V El alo e VD esulta esolieno la malla e salia: VD = 0 V - (D + ) 9 V.4- Polaización tenieno en cuenta la ispesión en los ispositios El JFET es un ispositio que pesenta una amplia ispesión e aloes en los paámetos caacteísticos: Vp (Vpmáx, Vpmín) e (máx, mín). e pesenta entonces una aiación en la caacteística e tansfeencia como la mostaa en la Figua 3 paa el caso e polaización fija = VGG. IDssmáx Q1 IDssmín Q1 - offmáx Q offmín VGG Figua 3 Q Como se e en la Figua 3 el cambio en la coiente e polaización Q puee se bastante apeciable: Q = Q1 - Q Una eucción e estos límites puee obtenese al utiliza el cicuito e autopolaización con aloes aecuaos e, como se muesta en la Figua 4. IDssmáx Q1 Q - offmáx offmín 0 Figua 4 IDssmín Q1 Q Q = Q1 - Q

15 15 El cicuito e polaización más apopiao paa minimiza la ispesión en las caacteísticas el ispositio es el cicuito con iiso e tensión en pueta como muesta la Figua 5, po lo que es el más utilizao en las aplicaciones pácticas. IDssmáx IDssmín - Q1 Q Q1 Q Q = Q1 - Q offmáx offmín 0 VT 3- Análisis en pequeña señal el JFET Figua 5 Una e las aplicaciones más comunes el tansisto e efecto e campo JFET es como ispositio amplificao. Una tensión aiable en el tiempo aplicaa al electoo e pueta G (electoo e contol), pouciá una tensión y una coiente, también aiables en el tiempo, en el electoo e salia (enao) peo e mayo amplitu, obteniénose una cieta ganancia e potencia El JFET como amplificao La Figua 6 muesta el cicuito básico e un amplificao con JFET en el cual se aplica una señal senoial: s = Vmáx sen t. Las coientes y tensiones en el cicuito quean expesaas po las componentes totales (continua más altena): D = VD + G = + g id = + i ig = IG + ig 0 Figua 6

16 16 En funcionamiento nomal, la unión pueta-canal está polaizaa inesamente e moo que se puee especia el efecto e la coiente ig. La conexión mostaa en la Figua 6 se enomina conexión e fuente común ya que se pueen obsea os mallas: una e entaa y ota e salia que tienen en común el electoo e fuente. Paa la malla e entaa: ig 0 y paa la malla e salia: G = s - VGG VDD = id D + D Aemás, el tansisto impone la elación: id = f (G, D) expesaa gáficamente po la caacteística e salia. La Figua 7 muesta el análisis el funcionamiento sobe la caacteística e salia a pati el tazao e la ecta e caga estática eteminaa po la ecuación: VDD = D + VD cuyas intesecciones con los ejes son: = VDD/D y VD= VDD VDD/D = 0 Vsmáx 1 Imáx 0 Q Q VD VDD VD Vsmáx 0 Figua 7

17 17 e efine la amplificación e tensión A como la elación ente los aloes instantáneos e s y s, o como el cociente ente sus aloes máximos: Dao que el alo e Vsmáx es ato, el alo e Vsmáx se puee obtene gáficamente eteminano la tensión ente D y poucia la aiación e s. En la efinición anteio ebe consiease el hecho que existe un esfasaje e 180º ente las aiaciones e G y D, azón po la cual la amplificación e tensión esultaá un númeo negatio. 3.- Moelo equialente e señal s Vsmáx A s Vsmáx La componente total e la coiente e enao id es función e la tensión pueta-fuente (G) y e la tensión enao-fuente (D) y puee expesase po la elación: id= f(g, D) Paa esaolla un moelo e pequeña señal esaollamos en eie e Taylo la ecuación anteio. id id id f( G, D) G D... G VD D e consiean los téminos e pime oen y se especian los e oen supeio. Tenieno en cuenta que id = IDQ + i, esulta: i id id G D G VD D id id i gs G VD D La ecuación anteio puee eescibise: s i gm gs g s Esta ecuación puee se epesentaa po el cicuito mostao en la Figua 8, que es un cicuito el tipo equialente Noton. e efinen: gm: tansconuctancia iecta en fuente común Figua 8

18 18 gd: conuctancia e salia e consiea que la esistencia e entaa pueta-fuente es infinita ebio a la polaización inesa e la fuente. Del mismo moo se supone una esistencia infinita ente pueta y enao. - Cálculo e gm id gm G VD y id g D Po efinición: id gm G VD id G VD i gs VD De las elaciones anteioes suge que gm es la peniente e la caacteística e tansfeencia en el punto e eposo Q, Figua 9. Paa cualquie punto Q el alo e gm puee eteminase seleccionano un incemento finito (o ) y luego enconta la aiación coesponiente (o ) según coespona. Q gm ID VD Vp Figua 9 El poceimiento gáfico anteio quea limitao a la exactitu e la gáfica ealizaa. e puee obtene el alo e gm po un poceimiento matemático tenieno en cuenta que la tangente que pasa po un punto es igual a la eiaa e la función en icho punto. En las hojas e atos e los ispositios gm suele enominase yfs, one la y inica que es un paámeto e amitancia e tansfeencia iecta (f: fowa) conectao en configuación e fuente común (s: souce). El alo e gm epeneá el punto Q. id gm 1 gm G D 0 ID ID 1- Q Q Vp

19 19 - Cálculo e g Como se io anteiomente se efine la conuctancia e salia g: gm - 1- gmo 1- Vp Vp gmo - Vp id g D Vp Puee también consiease la esistencia e salia = 1/g. ealizano un análisis simila al ealizao paa gm, puee consiease: VD I Q D Puee efinise la esistencia e salia como la peniente e la caacteística e salia en el punto e eposo Q. i la caacteística es ieal, las cuas e salia son hoizontales y la esistencia e salia seá infinita. En un tansisto eal, las caacteísticas no son totalmente hoizontales y se poá aplica un poceimiento gáfico simila al usao en el cálculo e gm, peo el eo seá mucho mayo. En geneal se utilizan los aloes obtenios e las hojas e atos one genealmente figua como yos [], one la y inica que es un paámeto e amitancia e salia (o: output) conectao en configuación e fuente común (s: souce). Valoes típicos e se encuentan en el ango e 0 K a 100 K. - El facto e amplificación El cicuito Noton e la Figua 8 se puee tansfoma en el cicuito Theenin e la Figua 30. Figua 30 El facto = gm se enomina facto e amplificación Tipos e amplificaoes con JFET El tansisto e efecto e campo JFET puee se utilizao como amplificao conectánolo en tes tipos e configuaciones: fuente común (C), enao común (DC) o pueta común (GC),

20 0 según cual sea el electoo común a las mallas e entaa y e salia. La Figua 31 muesta un esquema e estas configuaciones en las cuales, po comoia, se ha omitio el cicuito e polaización. Figua 31 - Amplificao fuente común (caso geneal 0) La Figua 3 a) muesta el esquema básico e un amplificao fuente común en el cual se consiea la esistencia e autopolaización. En la Figua 3 b) se muesta el cicuito equialente e señal utilizano el moelo e geneao e tensión. Figua 3 a) Figua 3 b) - Amplificación e tensión: A = o/s esolieno el cicuito e la figua 3 b) se tiene: gs i D ; o - i D ; gs s - i

21 1 s i D (1 ) s o - D D (1 ) o A - s D D (1 ) Como puee ese la salia está esfasaa 180º especto a la entaa, y aemás, la pesencia e (necesaia paa la polaización el cicuito) isminuye el alo e la amplificación en un facto que puee se impotante. Paa elimina el efecto e en altena se coloca un capacito C en paalelo con, e moo que la impeancia el conjunto tiena a ceo (se compote como cotocicuito) a la fecuencia que se esea amplifica. - Impeancia e entaa Zi Paa el cicuito mostao Zi poque la coiente e señal ig 0. En la páctica Zi 0 poque apaece ente la pueta y tiea la esistencia e polaización G que coniene sea e alo eleao. - Impeancia e salia Zo Paa calcula la impeancia e salia Zo puee usase el Coolaio e los teoemas e Theenin y Noton: Zo ca(tensión a cicuito abieto) icc (coiente e cotocicuito lim o lim A s D D o A s lim lim D0 D D0 D ca D lim - s D (1 D ) - s icc lim - D0 s - s D (1 ) (1 ) - s Zo - s (1 ) (1 )

22 i se coloca un capacito C en paalelo con, las expesiones anteioes se moifican: - Amplificao enao común (o seguio e fuente) La figua 33 a) muesta el esquema básico el amplificao enao común y en la Figua 33 b) se muesta el cicuito equialente e señal. - Amplificación e tensión: A = o/s esolieno el cicuito e la Figua 33 b) se tiene: D o o // Z ' Z ) // ( g - g - - A D m D D m D D s o Z o D o // ' Z Figua 33 a) Figua 33 b) i - ; i ; i s gs o gs gs s gs o ) (1 ; ) (1 ) (1 A gs gs s o

23 3 i (1 +) >> esulta A 1, ya que: A 1 1 La salia sigue a la entaa y po eso la configuación se suele enomina seguio e fuente. No hay esfasaje ente salia y entaa. - Impeancia e entaa Zi Paa el cicuito Zi poque la coiente e señal ig 0. En la páctica Zi = G. - Impeancia e salia Zo Zo ca icc lim o o lim 0 lim A s A s lim 0 1