TRANSITORES DE EFECTO DE CAMPO (Field effect transistor, FET) INTRODUCCIÓN: Son dispositivos de estado sólido Tienen tres o cuatro terminales Es el

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1 TRANSITORES DE EFECTO DE CAMPO (Field effect transistor, FET) INTRODUCCIÓN: Son dispositivos de estado sólido Tienen tres o cuatro terminales Es el campo eléctrico el que controla el flujo de cargas El flujo de portadores es de un único tipo ( o electrones ó huecos) Pueden funcionar en diferentes regiones de polarización 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 1

2 INTRODUCCIÓN (Continuación) Hay de bastantes tipos, pero los mas importantes son los: MOSFET (Metal-óxido semiconductor) Normalmente tienen tres terminales denominados: Drenador Puerta Fuente ó surtidor Son dispositivos gobernados por tensión La corriente de puerta es prácticamente nula (func. Normal) 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 2

3 COMPARACIÓN ENTRE FETs y BJTs Los FETs necesitan menos área del chip, y menos pasos de fabr. Los BJts pueden generar corrientes de salida mas elevadas para conmutación rápida con cargas capacitivas. Los FETs tiene una impedancia de entrada muy alta En los Fets el parámetro de transconductancia (g m ) es menor que en los BJts, y por lo tanto tienen menor ganancia. 3

4 DIFERENTES TIPOS DE TRANSISTORES FET 4

5 TRANSISTOR MOSFET DE CANAL N DE ENRIQUECIMIENTO Ó ACUMULACIÓN 5

6 TRANSISTOR MOSFET DE CANAL N (N-MOS) DE ENRIQUECIMIENTO Ó ACUMULACIÓN(CONT) 6

7 EL N-MOS DE ACUMULACIÓN (CONT) CREACIÓN DEL CANAL 7

8 EL N-MOS DE ACUMULACIÓN (CONT) ESTANGULACION DEL CANAL 8

9 N-MOS DE ENRIQUECIMIENTO EN REGIÓN ÓHMICA (CONT) Si: v GD ( v v ) G D v t región óhmica Entonces la corriente de drenador viene dada por: i D K 2 2 v v ) v v 2 v v ) v v 2 GS to DS DS GS to DS DS k 2 9

10 N-MOS DE ENRIQUECIMIENTO EN REGIÓN ÓHMICA (CONT) Es decir: k id K 2 W Donde: k n Cox parámetro L Siempre que se cumpla que: vgd v 2 2 v v ) v v 2 v v ) v v 2 GS to DS DS GS to DS DS t de ó transconduc tan cia v DG v t Y teniendo en cuenta que v DG =v DS -v GS Es lo mismo que decir: siempre que se cumpla que: v DS <v GS - v t, además de v GS > v t 10

11 EL N-MOS EN LA ZONA ÓHMICA: RESISTENCIA LINEAL CONTROLADA POR TENSIÓN En la zona óhmica, el mosfet se comporta como una resistencia controlada por la tensión puerta-surtidor. Par valores de V DS pequeños, el término V 2 DS puede despreciarse, y entonces: 2 1 id K 2 vgs vto) vds vds K 2vGS vto) vds VDS R Donde R NMOS 1 2K V V kv V GS t GS 1 NMOS t Siempre que se verifique: v 2 DS 2 v GS V t v DS v DS 10 v GS V t v DS 2 2 ó : v DS 0, 2 v GS V t 11

12 FUNCIONAMIENTO EN LA REGIÓN DE SATURACIÓN (ZONA ACTIVA) LÍMITE DE REGIONES Cuando v DS se hace igual a v GS - v t, la anchura del canal se hace cero, y el dispositivo entra a funcionar en la zona de saturación (también llamada zona activa), y la corriente de drenador se hace constante 12

13 FUNCIONAMIENTO EN LA REGIÓN DE SATURACIÓN LÍMITE DE REGIONES (CONT) El límite de las dos regiones viene marcado por la igualdad: v DS =v GS - v t Y sustituyendo en la expresión de i D : i D =K (v DS ) 2 = (k/2) (v DS ) 2, que es la parábola que fija la zona límite entre las dos regiones 13

14 FUNCIONAMIENTO EN LA REGIÓN DE SATURACIÓN (O TAMBIÉN LLAMADO ESTADO ACTIVO) Por tanto:cuando v DS >v GS - v t, además de v GS > v t el transitor está en la región de saturación, y entonces i D se hace constante y vale: i D =K (v GS -v t ) 2 = (k/2) (v GS -v t ) 2 14

15 MODELOS DE GRAN SEÑAL PARA EL NMOS DE ENRIQUECIMIENTO Zona de Corte: v GS <= (V t >0) Zona óhmica: v GS > v t y además: v DS <v GS - v t o lo que es lo mismo: v DG <-V t Zona activa: v DS >v GS - v t, además de v GS > v t Característica de transferencia en la región De saturación (ó zona activa) 15

16 TRANSISTOR MOSFET DE CANAL N DE DEPLEXIÓN Es casi idéntico al de enriquecimiento. La única diferencia es que hay un delgado canal de semiconductor de tipo n que conecta la fuente y el drenador, antes de aplicar ninguna tensión a la puerta 16

17 TRANSISTOR MOSFET DE CANAL N DE DEPLEXIÓN (CONT) Observe en el símbolo que D y S están unidos por un trazo continuo Ahora aún con v GS cero, existe un canal de conducción, y podrá haber corriente de circulación entre drenador y surtidor. Habrá que aplicar una tensión v GS negativa para que el canal desaparezca y el transistor deje de conducir 17

18 TRANSISTOR MOSFET DE CANAL N DE DEPLEXIÓN (CONT) 18

19 TRANSISTOR MOSFET DE CANAL N DE DEPLEXIÓN (CONT): Salvo que la tensión umbral en los nmos de deplexión es negativa, las ecuaciones que describen su comportamiento en las diferentes zonas, son idénticas a las de los nmos de enriquecimiento Carcterística de transferencia en la Zona activa (ó región de saturación) Tensión umbral: v t esencialmente negativa I DSS = corriente de drenador para V GS =0 (en zona activa) Expresiones y zona límites idénticas a los NMOS de enriquecimiento 19

20 TRANSISTORES MOSFET DE CANAL P Ahora el sustrato es semiconductor de tipo N, y los pozos drenador y fuente son de tipo P. Ahora los portadores de corriente son huecos 20

21 TRANSISTOR MOSFET DE CANAL P (P-MOS), DE ENRIQUECIMIENTO El transistor estará a corte si v GS > v t En los transistores P-MOS de enriquecimiento, V t es esencialmente negativa 21

22 TRANSISTOR MOSFET DE CANAL P (P-MOS) DE DEPLEXIÓN En los P-MOS de deplexión, previamente existe un canal de conducción de tipo P. En los P-MOS de deplexión, V t esencialmente positiva 22

23 TRANSISTOR MOSFET DE CANAL P (P-MOS) DE DEPLEXIÓN (CONT) Tensión umbral: v t esencialmente positiva I DSS = corriente de drenador para V GS =0 (en zona activa) Expresiones y zona límites idénticas a los PMOS de enriquecimiento 23

24 TRANSISTORES MOSFET DE CANAL P (CONT) circuitos equivalentes de gran señal Las definiciones de estados de los PMOS son las mismas que las de los N-MOS, salvo que el sentido de todas las desigualdades se invierte, y las corrientes drenador fuente se consideran positivas en sentido contrario (positivas de surtidor a drenador) 24

25 POLARIZACIÓN DE LOS TRANSISTORES MOSFET Análisis del Punto de Operación El procedimiento a seguir es idéntico al estudiado con los transistores bipolares. Existen dos posibilidades: Hallar el P.O. Cuando se conoce el estado del transistor. Hallar el P.O. Cuando el estado es desconocido En el primer caso, en el circuito equivalente de continua, sustituiremos el transistor por su modelo, y realizaremos el análisis correspondiente. En el segundo caso, al igual que hicimos con diodos y transistores bipolares, supondremos un estado, realizaremos el análisis correspondiente, y posteriormente comprobaremos si los resultados de corrientes y tensiones obtenidos son coherentes con el estado supuesto del transistor 25

26 POLARIZACIÓN DE LOS TRANSISTORES MOSFET Análisis de transistores en estado activo En el circuito equivalente de continua sustituimos el mosfet por su modelo de gran señal en la zona activa: i D =K (v GS -v t ) 2 = (k/2) (v GS -v t ) 2 i G =0; I D =I S Que junto a las ecuaciones impuestas por la red de polarización (ecuaciones de polarización) V V DS GS V V dd gg V R ss g I g R d R I s R s s I V Da lugar a resolver dos ecuaciones, una de ellas cuadrática, con dos incógnitas, que matemáticamente tiene dos posibles soluciones (P.O.), de los cuales, solamente una de ellas tendrá significado físico D ss 26

27 POLARIZACIÓN DE LOS TRANSISTORES MOSFET Análisis de transistores en estado activo (cont) [1] i D =K (v GS -v t ) 2 = (k/2) (v GS -v t ) 2 V V DS GS que V V DS GS i G =0; I D =I S V V R R V V V dd gg con dd gg I G R V V ss g ss ss I g 0 R R s d R d I s D I s R s V s I I D ss D 2 [1] y [2] dan lugar a resolver dos ecuaciones, una de ellas cuadrática, con dos incógnitas, que dará lugar matemáticamente a dos posibles soluciones (P.O.), de los cuales, solamente uno de ellos tendrá significado físico 27

28 ANÁLISIS DE TRANSISTORES EN ESTADO DESCONOCIDO Se sigue el mismo procedimiento que con los transistores bipolares: 1º) Hacer una suposición sobre el estado de cada transistor. 2º) Reemplazar cada transistor con el modelo apropiado. 3º) Utilizar los resultados del análisis y las definiciones de estados para confirmar cada estado del transistor. 4º) Si hay alguna contradicción, hacer una nueva suposición y repetir el análisis. (Ver ejemplos del Malik Capítulo 5) 28

29 Transistor de efecto de campo de Potencia (MOSFET)

30 Características Son controlados por voltaje If se aproxima a cero Entre el contacto metálico y la capa N existe un contacto metálico Tiempos de encendido y Apagado pequeños No tienen zona de segunda avalancha, por lo que son térmicamente estables Tienen un Vds alto (Vce) (2 a 4V) por lo que las pérdidas estáticas aumentan Tienen problemas con descargas electrostáticas Son de costo alto, sirven para trabajo a alta frecuencia y media potencia

31 Características El Mosfet no tiene portadores minoritarios, hace que las conmutaciones se produzcan en tiempos muy cortos Típico:» Toff = 100ns» Ton = 50ns Circuitos de disparo simples Habilidad para el paralelaje

32 BJT vs MOSFET BJT Recombinación, limita velocidad de operación Controlado por corriente Dispositivo de portadores minoritarios

33 BJT vs MOSFET MOSFET Controlado por voltaje Dispositivo de portadores mayoritarios Compuerta eléctricamente aislada, por lo que presenta una alta impedancia de entrada

34 Control del MOSFET Un voltaje positivo aplicado a la compuerta genera un campo eléctrico que convierte la región p en una región n. Este fenómeno se conoce como inversión de superficie y permite la circulación de corriente entre el drain y el source

35 Características R DS = Resistencia de salida D-S R DS= DV DS /Di o Es alta en la región de estrechamiento (MW)y baja en la región lineal (mw

36 Protecciones Igual que el BJT Cuidas que V GS no exceda el voltaje, normalmente esta entre 20V 30V