BIBLIOGRAFÍA 2.1 INTRODUCCIÓN 2.1 INTRODUCCIÓN (2) Tema 3: EL TRANSISTOR FET
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- Santiago Lozano Río
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1 BIBLIOGRAFÍA Tema 3: EL TRANSISTOR FET.1 Introducción. El Mosfet de acumulación Funcionamiento y curvas características Polarización.3 El Mosfet de deplexión Funcionamiento y curvas características.4 El Mosfet en conmutación.5 El inversor CMOS.6 Protección de los transistores Mosfet.7 Aplicaciones de los transistores Mosfet TEORÍA: Boylestad. Electrónica. Teoría de circuitos, Cap. 6 y 7 Savant et al. Diseño electrónico, Cap. 4 Millman y Grabel. Microelectrónica, Cap. 4 Malik. Circuitos electrónicos, Cap. 5 PROBLEMAS: Benlloch et al. Prob.resueltos de electrónica, Cap. 3 Waterworth. Electrónica. Cuad. de trabajo, Cap INTRODUCCIÓN.1 INTRODUCCIÓN () FET = Field Effect Transistor Primer Mosfet fabricado (1960): Tipos: JFET (Junction FET), Shockley 195 MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) * Kahn and Atalla, 1960 * Deplexión o empobrecimiento * Acumulación o enriquecimiento MESFET (Metal-Semiconductor FET), Mead 1966 Dispositivo unipolar Corriente controlada por un campo eléctrico 3 4
2 .1 INTRODUCCIÓN (3). EL MOSFET DE ACUMULACIÓN Funcionamiento y curvas características Mosfet de enriquecimiento de canal N: Algunas características: * Alta densidad de integración => VLSI * rsatilidad * Estabilidad con la temperatura * Elevada impedancia de entrada * Fet de potencia * Sensibles a sobretensiones, sobrecorrientes y electricidad estática * Linealidad pobre * Menor ganancia que los BJT 5 Contactos => S=Fuente (Source), G=Puerta (Gate), D=Drenador (Drain) Aislante (dieléctrico) de SiO para aislar la puerta Sustrato en ocasiones conectado a la fuente 6. EL MOSFET DE ACUMULACIÓN Funcionamiento y curvas características (). EL MOSFET DE ACUMULACIÓN Funcionamiento y curvas características (3) Formación del canal: Para V > V T (Threshold voltage) se induce un canal tipo N entre S y D, por acumulación de e - Conducción: Para V DS > 0 se establece un flujo de e - de S a D a través del canal => I DS > 0 Transistor unipolar y simétrico 7 Región de corte: V V T, I DS = 0 V DS, no se forma canal. V T : de 1 a 5V Región óhmica: 0 < V DS V - V T, I DS = K [ (V -V T ) V DS - (V DS ) ] Si V DS pequeña => I DS K [ (V -V T ) V DS ] => R DS(on) variable con V K es proporcional a la relación ancho/largo del canal (W/L) 8
3 . EL MOSFET DE ACUMULACIÓN Funcionamiento y curvas características (4). EL MOSFET DE ACUMULACIÓN de canal P Región de saturación: V DS > V - V T El canal se estrangula y la corriente I DS constante, independientemente de V DS Corriente de saturación: I DS = K (V -V T ) (característica de transferencia, parábola de saturación,) Fuente de corriente controlada por tensión (Field Effect Transistor) Equivalencias con el BJT: FET DRENADOR FUENTE PUERTA BJT COLECTOR EMISOR BASE FET ZONA DE CORTE ZONA DE SATURACIÓN ZONA LINEAL BJT ZONA DE CORTE ZONA ACTIVA ZONA DE SATURACIÓN EL MOSFET DE ACUMULACIÓN de canal P (). EL MOSFET DE ACUMULACIÓN Polarización Cambian los sentidos de las corrientes y las polaridades de las tensiones: V < 0, V DS < 0, I DS < 0 V DD V DD Corte: V -V T Saturación: V DS < V + V T => I SD = K (V +V T ), tomando K y V T en valor absoluto Se emplean menos que los de canal N pues la movilidad de los huecos es menor => menor frecuencia de conmutación retardo proporcional a L V DD F µ H I K menor densidad de integración: µ menor => K menor => I DS menor => necesario aumentar (W/L) R D V GG Polarización fija V = V GG = constante R D R G Realimentación de drenador V = V DS => transistor saturado V DS = V DD - I DS R D V > V T Mayor estabilidad del punto Q 11 1
4 . EL MOSFET DE ACUMULACIÓN Polarización ().3 EL MOSFET DE DEPLEXIÓN Funcionamiento y curvas características Mosfet de deplexión de canal N: ECUACIONES PARA ANALIZAR LOS CIRCUITOS DE LARIZACIÓN CON FET: (1) MALLA DE ENTRADA, G-S () PARÁBOLA DE SATURACIÓN (SUSICIÓN) I DS = K (V -V T ) (3) MALLA DE SALIDA, D-S, RECTA DE CARGA DE (1) Y () SE OBTIENE I DSQ Y V Q EN (3) SE OBTIENE V DSQ COMPROBACIÓN DE SATURACIÓN: V DSQ > V Q - V T SINO, UTILIZAR EN () LA EXPRESIÓN DE LA ZONA ÓHMICA: I DS = K [ (V - V T ) V DS - (V DS ) ] El canal ya existe por construcción Influencia de V : Si V > 0 => el canal se amplía (enriquecimiento) Si V < 0 => el canal se estrecha (empobrecimiento) Si V - V po (pinch-off) => el canal desaparece (corte) Y VOLVER A HACER LOS CALCULOS Influencia de V DS : V DS > 0 => I DS > 0 13 Transistor unipolar y simétrico 14.3 EL MOSFET DE DEPLEXIÓN Funcionamiento y curvas características () Resumen de algunas fórmulas MOSFET ACUMULACIÓN Parámetros: V po, I DSS NMOS PMOS V > V CONDUCE T V < VT V > V V SATURACIÓN V < V + V DS T PARABOLA DS = ( T ) I K V V DS T I ( ) SATURACIÓN SD = K V + VT MOSFET DEPLEXIÓN REGIÓN DE CORTE V -V, I DS = 0 V DS EL CANAL DESAPARECE REGIÓN ÓHMICA 0 < V DS V + V I = I 1 V VDS VDS + V V V DS DSS PARA V DS PEQUEÑA: I I DSS V = 1 V + V DS V DS NMOS PMOS V > V CONDUCE V < V VDS > V + V SATURACIÓN V < V V I DS V = IDSS 1+ V PARABOLA SATURACIÓN I DS I V 1 V SD = DSS REGIÓN DE SATURACIÓN V DS > V + V I = I V 1+ V DS DSS 15 TOMANDO EL VALOR ABSOLUTO DE K, I DSS, V T Y V EN TODAS LAS FORMULAS 16
5 .4 EL MOSFET EN CONMUTACIÓN.4 EL MOSFET EN CONMUTACIÓN () El transistor funciona entre corte y zona lineal RD R D integradas: cargas activas construídas con transistores, para facilitar el proceso de fabricación y que ocupen menos espacio Algunos tipos: V LINEAL VT Vo 0V T CARGA SATURADA Vo V = VDS VDS > V -VT : SATURACIÓN W/L < 1 (RELACIÓN ANCHO/LARGO DEL CANAL) T1 TRANSISTOR V = 0V T CARGA DE DEPLEXIÓN W/L < 1 Es un interruptor más ideal que el BJT: en la zona lineal Vo V DS 0V, frente a V CE(sat) de los transistores BJT T1 TRANSISTOR A mayor R D => menor V DS en el nivel bajo de salida EL MOSFET EN CONMUTACIÓN (3).5 EL INVERSOR CMOS Cargas activas. Curvas de transferencia Tecnología CMOS = Complementary MOS Combinación de transistores NMOS y PMOS por parejas Gran difusión en en c.i. digitales VLSI: <= Consumo de potencia muy bajo Curva de transferencia muy ideal <= <= Aceptable velocidad y densidad de integración Circuito básico digital: inversor CMOS 19 0
6 .5 EL INVERSOR CMOS ().5 EL INVERSOR CMOS (3) G S T PMOS Inversor CMOS de pozo-n (N-well): D Vs ID D G T1 NMOS S V 1 = V, V e = V e - V DD Si V e V DD ( 1 ) => PMOS off, NMOS on, V s 0V Si V e 0V ( 0 ) => PMOS on, NMOS off, V s V DD Consumo estático bajísimo: T1 o T cortado Consumo dinámico proporcional a: V DD C L f 1.6 PROTECCIÓN DE LOS TRANSISTORES MOSFET Sobretensiones, sobrecorrientes y potenciales electrostáticos elevados pueden provocar la ruptura de la capa de dieléctrico (SiO ) de los transistores MOSFET => gate oxide breakdown Capa thinox: muy fina, Å (1Å = 0.1 nm) Rotura de la capa thinox debido a potenciales electrostáticos en la puerta.6 PROTECCIÓN DE LOS TRANSISTORES MOSFET () Precauciones en el manejo de los MOSFET: Almacenamiento en material conductor Manipulación humana cuidadosa En funcionamiento, conectar las entradas no usadas a masa o V DD 3 4
7 .6 PROTECCIÓN DE LOS TRANSISTORES MOSFET (3).7 APLICACIONES DE LOS TRANSISTORES FET Circuitos de protección con diodos (clamping diodes): D1 CONDUCE SI > 0.7V + D D1 D CONDUCE SI < V G -0.7V VG + 0.7V D S Buffers o amplificadores de alta impedancia de entrada Interruptores analógicos/digitales Circuitos lógicos VLSI (NMOS, CMOS) Conmutación de potencia (VMOS, DMOS, TMOS, ) Resistencias variables, fuentes de corriente D G -0.7V VG +VZ S APLICACIONES DE LOS TRANSISTORES FET ().7 APLICACIONES DE LOS TRANSISTORES FET (3) Fuente de corriente Interruptor analógico Amplificadores: Fuente común Seguidor de fuente Multiplexor analógico 7 8
8 .7 APLICACIONES DE LOS TRANSISTORES FET (4).7 APLICACIONES DE LOS TRANSISTORES FET (5) Conmutación de potencia Filtro pasa-bajos variable Conversor de tensión 9 30
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