Transistores de Efecto Campo

Transcripción

1 INEL Curso Tema 5 Transistores de Efecto Campo Esther López Estrada esther.lopez@ies-def.upm.es 1

2 Índice del tema 1. Introducción y tipos. 2. Los Transistores de Efecto Campo (FET) en cuasiestática (c-e) 3. Análisis de circuitos en c-e y gran señal 4. Modelos aproximados de los FET en c-e y pequeña señal 5. Los FET en dinámica 2

3 Índice del tema 1. Introducción y tipos. 2. Los Transistores de Efecto Campo (FET) en cuasiestática (c-e) 3. Análisis de circuitos en c-e y gran señal 4. Modelos aproximados de los FET en c-e y pequeña señal 5. Los FET en dinámica 3

4 1. Introducción y tipos. Regímenes de funcionamiento 1. Introducción y tipos (MOFET, JFET) 2. escripción cualitativa de su funcionamiento interno 3. Convenio de signos Bibliografía edra, aptos. 4.1, 4.11 Malik, aptos. 5.1, 5.4, 5.6 4

5 Transistor (TRANfer resitor): control de la corriente que fluye a través de un terminal mediante el voltaje aplicado entre los otros dos Transistor de efecto de campo (FET: Field-Effect Transistor): Transistor en el que el efecto de control de corriente se realiza mediante un campo eléctrico externo, a través del voltaje aplicado a un terminal de control. i=0 i>0 E - n n p Canal n Camino resistivo i=0 i>0 E p + p n Canal p Transistor unipolar corriente debida a un solo tipo de portadores (electrones o huecos) Funciones principales Interruptor gobernado por señal de control (CONMUTACIÓN) Amplificador lineal de pequeña señal (AMPLIFICACIÓN) 5

6 imilitud con el BJT (situación activa directa): BJT: corriente i C controlada por corriente i B FET: corriente i controlada por tensión v i C F i B C i A(v B) 2 B i B npn E + v - Canal n MOFET de acumulación Nomenclatura FET: Equivalente BJT : rain (drenador) Colector : ource (fuente) Emisor : ate (puerta) Base 6

7 Introducción MOFET de acumulación de canal n Metal-Óxido-emiconductor Z n + n + L p-i B n + n + p substrato B : urtidor ó fuente : renador : Puerta B: ustrato (body) n + n + p substrato B 7

8 Introducción i i i =0 (óxido aislante entre la puerta y el semiconductor) i =0 (Zona de vaciamiento sin portadores libres) Funcionamiento: v = 0 v > 0 i =0 - Repele huecos (dejando carga negativa fija descubierta) - Atrae electrones inyectados desde y Entre y, zona rica en carga negativa 8

9 Introducción i i i =0 (óxido aislante entre la puerta y el semiconductor) i 0 (Presencia de portadores libres que forman el canal n) Funcionamiento: v > V T Tensión umbral - Aparece una zona n (n>p) que conecta y : canal n. - i se aplica voltaje entre y, fluye corriente i por el canal de a. - Aumentando v por encima de V T aumenta la concentración de electrones en el canal: acumulación. 9

10 Introducción v pequeño: mayor conductividad mayor corriente i v en aumento canal ya no tiene profundidad uniforme. al aumentar v se estrecha más el canal en, aumentando su resistencia. radual v > v - V T canal estrangulado. La corriente se mantiene constante, independiente de aumentos en v 10

11 Tipos de FETs MOFET de acumulación: (no conduce para v = 0) B n + n + p-i p + p + n-i B B MOFET de acumulación de canal n (NMO) MOFET de acumulación de canal p (PMO) MOFET de deplexión (conduce para v = 0) (canal implantado físicamente) B MOFET de deplexión de canal n MOFET de deplexión de canal p 11

12 Tipos de FETs JFET (Junction Field Effect Transistor) Uniones p-n en inversa v < V p + n + p + n + p + canal n epitaxial p + canal n canal p B JFET de canal n MEFET (Metal emiconductor Field Effect Transistor) -canal: barrera chottky MEFET de aas n + aas n n + aas semi-aislante 12

13 Canal n Convenio de signos Canal p v - + v i v - - i v v - - v + - Con este convenio de signos la corriente es positiva en activa! Canal n Canal p v v v v v v 13

14 egún los efectos Capacitivos Cuasi-Estática (c-e): Régimen de funcionamiento en el que los efectos capacitivos resultan despreciables (C y AC f) inámica (d): Régimen de funcionamiento en el que los efectos capacitivos resultan importantes (AC f) egún la Linealidad Pequeña señal (p-s): Régimen de funcionamiento en el que el dispositivo admite una aproximación lineal (señales pequeñas) ran señal (g-s): Régimen de funcionamiento en el que el dispositivo NO admite una aproximación lineal (señales grandes) 14

15 Índice del tema 1. Introducción y tipos. 2. Los Transistores de Efecto Campo (FET) en cuasiestática (c-e) 3. Análisis de circuitos en c-e y gran señal 4. Modelos aproximados de los FET en c-e y pequeña señal 5. Los FET en dinámica 15

16 Índice del tema 1. Introducción y tipos. 2. Los Transistores de Efecto Campo (FET) en cuasiestática (c-e) 3. Análisis de circuitos en c-e y gran señal 4. Modelos aproximados de los FET en c-e y pequeña señal 5. Los FET en dinámica 16

17 2. Los FET en c.e. 1. Estados de los transistores de efecto campo 2. Ecuaciones 3. Curvas características en fuente común 4. Efectos reales y modificaciones de las ecuaciones Bibliografía edra, aptos. 4.2, 4.3, 4.11 Malik, aptos. 5.1, 5.4,

18 Introducción ituación cuasi-estática eñales continuas o de variación lenta, de forma que se pueden despreciar los efectos capacitivos. dt grande i C dv dt 0 18

19 Estados de los FETs Canal n Tensión v Tensión v CORTE RAUAL (ÓHMICA) ATURACIÓN (ACTIVA) v < V T v > V T v > V T v < v - V T v > v - V T Aplicaciones digitales Aplicaciones analógicas V T = V umbral OJO: ATURACIÓN del FET no es equivalente a ATURACIÓN del BJT, sino a su zona ACTIVA 19

20 Canal n Ecuaciones i i Ecuaciones Condiciones Circuito equivalente CORTE i = 0 i = 0 v < V T RAUAL (ÓHMICA) i = 0 i = k[2(v -V T )v - v 2 ] v > V T v < V ssat, V ssat = v - V T + v - i (v,v ) ATURACIÓN (ACTIVA) i = 0 i = k(v -V T ) 2 v > V T v > V ssat + v - i (v ) 20

21 OJO: Ecuaciones V T = voltaje umbral, distinto del voltaje térmico (V t =KT/q). Ecuaciones idénticas para canal p, cambiando: canal n canal p Corriente i : canal n canal p + v - i (v ) + i (v ) v - ACUMULACIÓN (MO) V T > 0 EPLEXIÓN (MO, JFET, MEFET) V T < 0 21

22 22

23 FETs como cuadripolos: Configuraciones básicas y curvas de entrada, salida y transferencia: FUENTE común i v v i C.E. i = i (v, v ) C.. i = i (v, v ) C.T. i = i (v, v ) PUERTA común i v v i C.E. i = i (v, v ) C.. i = i (v, v ) C.T. i = i (v, v ) RENAOR común i v v i C.E. i = i (v, v ) C.. i = i (v, v ) C.T. i = i (v, v ) 23

24 Curvas características en fuente común Curvas de Entrada i = i (v, v ) FET de acumulación i at. y gradual FET de deplexión Corte i V T v V T v Corte at. y gradual Curvas de alida i = i (v, v ) i región gradual región de saturación Región gradual (v pequeño, v 0): i = k[2(v - V T ) v - v 2 ] i 2k(v - V T ) v v > V T v < V ssat región lineal Frontera gradual/saturación v creciente v Corte v <V T 24

25 Curvas características en fuente común Curvas de transferencia i = i (v, v ) FET de acumulación FET de deplexión i i aturación v 3 aturación v 3 v 2 v 2 v 1 v 1 Corte V T radual v Corte V T radual v 25

26 Efectos reales ependencia con la temperatura: T V T (-2 mv/ºc) i T ( T -1/5 ) k i omina el segundo efecto: T i 26

27 Efectos reales y modificaciones de las ecuaciones Modulación de la longitud del canal (efecto Early): i n + n + L L p-i B -V A v En saturación: k Early k v i K( v vt ) k0 1 ( v vt ) VA VA v 27

28 Ej 1. Calcule el punto de trabajo de los transistores de la figura ATO: V = 10 V; R = R 1 = R 2 = 1 k ; R = 10 k ; R = 2 k ; V T = 2 V; k = 1 ma/v 2 V V R 1 R R R 2 R (a) (b) 28

29 Ej 2. En circuitos NMO es habitual usar transistores en lugar de resistencias, conectándolos como se muestra en la figura. Esto permite reducir el tamaño de las resistencias y por tanto aumentar la densidad de componentes por unidad de área en los circuitos integrados. Represente la relación i-v para v > 0 para las configuraciones de las figuras (a) y (b). +V +V R MOT de carga MOT activo i (a) (b) V T2 = 2 V + v - V T1 = 3 V k 1 = 1 ma/v 2 i + v - k 2 = 2 ma/v 2 29

30 Índice del tema 1. Introducción y tipos. 2. Los Transistores de Efecto Campo (FET) en cuasiestática (c-e) 3. Análisis de circuitos en c-e y gran señal 4. Modelos aproximados de los FET en c-e y pequeña señal 5. Los FET en dinámica 30

31 Índice del tema 1. Introducción y tipos. 2. Los Transistores de Efecto Campo (FET) en cuasiestática (c-e) 3. Análisis de circuitos en c-e y gran señal 4. Modelos aproximados de los FET en c-e y pequeña señal 5. Los FET en dinámica 31

32 3. Modelos aproximados de los FETs en c.e. y gran señal 1. Introducción 2. Modelos lineales por tramos 3. Análisis de circuitos mediante procesos de hipótesisverificación Bibliografía edra, aptos. 4.4, 4.7.4, 4.8 Malik, aptos. 5.2, 5.3, 5.4,

33 Introducción ituación cuasi-estática eñales continuas o de variación lenta, de forma que se pueden despreciar los efectos capacitivos. dt grande i C dv dt 0 ran señal i i d (t) y v d (t) no son pequeños. v t RAN EÑAL 33

34 Canal n Modelos por tramos (I) MOELO POR TRAMO BÁICO i i Región Ecuaciones Condiciones Circuito equivalente CORTE i =0 i =0 V <V I RAUAL (ÓHMICA) i = 0 i = k[2(v -V T )v - v 2 ] v > V T v < V ssat, V ssat = v - V T + v - i (v,v ) ATURACIÓN (ACTIVA) i = 0 i = k(v -V T ) 2 v > V T v > V ssat + v - i (v ) V 34

35 Canal n i Modelos por tramos (Il) MOELO POR TRAMO AVANZAO Región Ecuaciones Condiciones Circuito equivalente i =0 i CORTE i =0 V <V I RAUAL (ÓHMICA) i = 0 i = k[2(v -V T )v - v 2 ] v > V T v < V ssat, V ssat = v - V T + v - i (v,v ) ATURACIÓN (ACTIVA) i = 0 i = k(1+v /v A )(v -V T ) 2 v > V T v > V ssat + v - i (v,v ) V NOTA: Modelo básico=modelo avanzado con V A = 35

36 Análisis de circuitos en estática 1.- Plantear hipótesis sobre la región de funcionamiento en que se encuentran los transistores 2.- ustituir transistores por sus circuitos equivalentes 3.- Calcular corrientes y tensiones mediante análisis de circuitos 4.- Comprobar validez de las hipótesis, verificando cumplimiento de las condiciones -i no hay contradicción, planteamiento correcto -i hay contradicción, replantear a partir de otra hipótesis Hip. falsa Contradicción hallada Nueva hip. ATURAC. V <V T V <V sat CORTE RAUAL RAUAL V <V T CORTE V >V sat ATURACI CORTE V >V T Cualquiera 36

37 Análisis de circuitos en cuasi-estática 1.- ustituir generador por uno de continua 2.- Calcular v O =f(v I ) -Resolver circuito de estática para todas las hipótesis -Calcular rango de valores de v I para el que cada hipótesis es cierta -Obtener la solución del circuito enlazando las soluciones de cada caso 3.- Presentar la solución v O (t)=f(v I (t)) 37

38 Ej 3. Para el circuito inversor de la figura se pide: a) Identificar el estado del transistor en A, B y C b) Calcular V 2. c) Obtener la función de transferencia v 0 = f(v I ) en B. d) Representar A, B y C en el plano de la curva característica de salida. ATO: V = 5 V; R = 1 k ; V T = 2 V; k = 2 ma/v 2 v 0 A B C v 1 =2 V v 2 v I 38

39 i (ma) Ej 4. Calcule y represente la respuesta del circuito de la figura al pulso dibujado junto a él. Utilice la información de las curvas características del transistor dibujadas a continuación. uponga despreciable el efecto de todas las capacidades v I (V) 1 t (ms) 3 v I R 1M +V =10V v O R 20k 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 v =5V 4V 3V 2V 1V v (V) 39

40 Índice del tema 1. Introducción y tipos. 2. Los Transistores de Efecto Campo (FET) en cuasiestática (c-e) 3. Análisis de circuitos en c-e y gran señal 4. Modelos aproximados de los FET en c-e y pequeña señal 5. Los FET en dinámica 40

41 Índice del tema 1. Introducción y tipos. 2. Los Transistores de Efecto Campo (FET) en cuasiestática (c-e) 3. Análisis de circuitos en c-e y gran señal 4. Modelos aproximados de los FET en c-e y pequeña señal 5. Los FET en dinámica 41

42 4. Modelos aproximados del FET en c.e. y pequeña señal 1. Introducción 2. escomposición en polarización y pequeña señal 3. Análisis de circuitos Bibliografía edra, apto. 4.6 Malik, apto

43 Introducción ituación cuasi-estática eñales continuas o de variación lenta, de forma que se pueden despreciar los efectos capacitivos. dt grande i C dv dt 0 i Pequeña señal v La componente de polarización fija el punto de trabajo: La señal modula el la operación del diodo alrededor del punto de trabajo: e puede aproximar el diodo por un dispositivo lineal. t 43

44 Introducción Entrada alida v I = v = V +v gs (t) V v O = v = V +v ds (t) R v O v gs V NOMENCLATURA: Las tensiones o corrientes continuas se definen con letra en mayúscula y subíndice en mayúscula (ej: V A ). La pequeña señal con letra y subíndice en minúsculas (ej: v a ). La señal completa con letra en minúscula y subíndice en mayúscula (ej: v A = V A +v a ). 44

45 escomposición en polarización y pequeña señal Polarización i V = R i + v V 7 R 6 v O Q 5 4 v gs + v v V V Transistor polarizado en ATURACIÓN t i 0 Polarización (v gs =0) i k v V T 2 45

46 escomposición en polarización y pequeña señal Pequeña señal i = I + i d (t) V R v gs + v O Q t V V gs sen t v = V + v gs (t) i la señal es suficientemente pequeña, podemos aproximar la característica de transferencia del transistor en torno al punto de trabajo por una recta: el circuito incremental es lineal. 46

47 escomposición en polarización y pequeña señal Pequeña señal: Modelo básico i la señal es suficientemente pequeña, podemos aproximar la característica de transferencia del transistor en torno al punto de trabajo por una recta: el circuito incremental es lineal. esarrollando i (v ) en serie de Taylor (1 er orden): 47

48 escomposición en polarización y pequeña señal Pequeña señal: Modelo básico En Q(I, I, V ) efinimos transconductancia como: MOELO BÁICO + v gs - g m v gs 48

49 escomposición en polarización y pequeña señal Pequeña señal: Modelo avanzado (con efecto Early) i la señal es suficientemente pequeña, podemos aproximar la característica de transferencia del transistor en torno al punto de trabajo por una recta: el circuito incremental es lineal. esarrollando i (v, v ) en serie de Taylor (1 er orden y dos variables): 49

50 escomposición en polarización y pequeña señal Pequeña señal: Modelo avanzado (con efecto Early) En Q(I, I, V ) efinimos transconductancia como: efinimos conductancia como: 50

51 escomposición en polarización y pequeña señal Pequeña señal: Modelo avanzado (con efecto Early) Por tanto: MOELO AVANZAO (con efecto Early): + v gs - g m v gs r o 51

52 escomposición en polarización y pequeña señal Pequeña señal MOELO BÁiCO (sin efecto Early): + v gs - g m v gs MOELO AVANZAO (con efecto Early): + v gs - g m v gs r o i gm 2K V VT 2 v Q KI g m i v r 0 Q I 2K, V 0 1 V V V I A V A V V T 52

53 Análisis de circuitos + Circuito equivalente de pequeña señal i eñal completa Polarización (Continua) i 1 r o i v Q Q g m i v Q Q I BQ v v * Elementos dependientes del punto de trabajo 53

54 Análisis de circuitos 1.- ANÁLII E CONTINUA (POLARIZACIÓN) 1.1. Eliminación de generadores de pequeña señal 1.2. Resolución del circuito de estática 1.3. Punto de trabajo Q(V,I,V ) Tensión Corriente Cortocircuito Cto. abierto 2.- ANÁLII E PEQUEÑA EÑAL 2.1. Cálculo de los parámetros de pequeña señal (g m,r o ) 2.2. Eliminación de generadores de continua y sustitución del transistor por su circuito equivalente 2.3. Resolución del circuito de pequeña señal 2.4. Comprobación de la hipótesis de pequeña señal, v gs <<2(V -V T ) 3.- EÑAL COMPLETA 3.1. Reconstrucción de las señales completas: i(t)=i+i(t), v(t)=v+v(t) 54

55 Ej 5. Calcule la transimpedancia v o / i g de pequeña señal para el circuito amplificador en drenador común de la figura, que utiliza un MOFET de deplexión de canal n en saturación ATO: V = 10 V; R = 1 k ; R = 2 k ; R = 10 k V T = 2 V; k = 1 ma/v 2 55

56 Ej 6. En el circuito de la figura se muestra un transistor modelado como fuente de corriente controlada por tensión no ideal. Estudie el efecto que introducen las resistencias R 1 y R 2 en la ganancia de transconductancia i l / v g ATO: R = 10 k ; R 1 = 100 k ; g = 1 ma/v; R 2 = 50 k ; R L = 5 k R i 2 v g + + gv 1 v 1 - R 1 R 2 R L i l 56

57 Índice del tema 1. Introducción y tipos. 2. Los Transistores de Efecto Campo (FET) en cuasiestática (c-e) 3. Análisis de circuitos en c-e y gran señal 4. Modelos aproximados de los FET en c-e y pequeña señal 5. Los FET en dinámica 57

58 Índice del tema 1. Introducción y tipos. 2. Los Transistores de Efecto Campo (FET) en cuasiestática (c-e) 3. Análisis de circuitos en c-e y gran señal 4. Modelos aproximados de los FET en c-e y pequeña señal 5. Los FET en dinámica 58

59 Introducción dt ituación dinámica inámica: régimen de funcionamiento en el que la rápida variación de las señales impide despreciar los efectos capacitivos asociados a los dispositivos. pequeño i dv C dt 0 - e mantienen las dependencias temporales - Efectos capacitivos no despreciables i( t) i ET dv( t) C( v) dt No existe curva característica 59

60 inámica: régimen de funcionamiento en el que la rápida variación de las señales impide despreciar los efectos capacitivos asociados a los dispositivos. i( t) i ET dv( t) C( v) dt C ( v) C i ( v) i n + n + p sustrato B C ox C, C sb db Términos capacitivos asociados: - estructura MO - uniones p-n en inversa 60

61 MOELO EL FET EN INÁMICA Y RAN EÑAL INÁMICA C C ETÁTICA C ETÁTICA MOELO EL FET EN INÁMICA Y PEQUEÑA EÑAL C gd v gs + - C gs g m v gs r o C ds 61

62 RETARO E PROPAACIÓN Tiempos de subida y bajada, asociados a capacidades V IH v I (t) V IL v O (t) t PHL t PLH t V OH V M V OL t f t r t 62

63 CONCEPTO CLAVE EL TEMA 5 Tipos de transistores FET: MOFET de acumulación y deplexión; de canal n y canal p, JFET (deplexión). MEFET (deplexión). Estados del transistor: corte, gradual y saturación. Resolución de circuitos en estática por el método analítico (planteamiento de hipótesis del estado del dispositivo, resolución y verificación de hipótesis). Aproximación de pequeña señal, distinguiendo el papel de la polarización y el de la señal propiamente dicha. 63

64 Ej 7. La figura muestra un circuito amplificador. La señal de entrada v i está acoplada al terminal de puerta mediante un condensador de acoplo. e manera análoga, la señal de salida está acoplada a la resistencia de carga mediante otro condensador. uponga que ambos condensadores de acoplo son lo suficientemente grandes como para poderlos sustituir por cortocircuitos en ac a las frecuencias de interés. eterminar la ganancia de voltaje (v 0 /v I ) de pequeña señal, la resistencia de entrada y la magnitud máxima aceptable en la señal de entrada. ATO: V A = 50 V; V T = 1.5 V; k = ma/v 2 64

65 Ej 8. Considere el circuito amplificador de la figura, con el MOFET operando en saturación. Con los parámetros de la figura determine el voltaje de salida v 0 si el voltaje de entrada es v IN = 2.5 V. A partir del valor v 0 verifique que el MOFET está en saturación. ATO: V T = 0.8 V; k = 0.25 ma/v 2 65

66 Ej 9. etermine el voltaje v 0 para el circuito de la figura, sabiendo que el MOFET M1 opera en saturación y el M2 opera en la región óhmica. ATO: V T = 1 V; k1 = 1 ma/v 2 ; k2 = 32 ma/v 2 66

67 Ej 10. erivar el modelo incremental de pequeña señal para un MOFET cuya puerta y drenador están cortocircuitados. 67

68 Ej 11. En el circuito de la figura, suponga que v I incluye una componente de polarización que obliga al MOFET a trabajar en saturación y obtenga la amplificación v 0 /v i de pequeña señal. Cuánto vale dicha amplificación si R L es muy grande? 68

69 Ej 12. iseñe el circuito de la figura de manera que el MOFET opere con I = 0.4 ma y V = +0.5 V. ATO: V T = 0.7 V; k = 1.6 ma/v 2 69

70 Ej 13. Encuentre los valores de R y V de manera que el MOFET del circuito de la figura opere con I = 0.08 ma. R y V = +0.5 V. ATO: V T = 0.6 V; k = 0.5 ma/v 2 70

71 Ej 14. Analice el circuito de la figura y determine los voltajes y las corrientes en los nodos y ramas del mismo. ATO: V T = 1 V; k = 0.5 ma/v 2 71

72 Ej 15. Los transistores NMO y PMO del circuito de la figura tienen parámetros idénticos. Encuentre las corrientes i N e i P y el voltaje v 0 para los siguientes casos: a) v I = 0 b) v I = +2.5 c) v I = -2.5 ATO: V T = 1 V; k = 0.5 ma/v 2 72