N-

Estructura de los transistores de efecto de campo de unión, JFET (canal N)

ATE-UO Trans 82

P+

P+

Puerta (G)

Drenador (D)

Fuente (S)

JFET (canal P)Símbolo

GD

S

Canal

JFET (canal N)Símbolo

GD

Scanal P

G D

Scanal N

G D

S

Otros símbolos

Principio de funcionamiento de los transistores de efecto de campo de unión, JFET (I)

ATE-UO Trans 83

N-

P+

P+

Puerta (G)

Drenador (D)

Fuente (S)

Zona de transición en zona muy dopada estrecha

Zona de transición en zona poco dopada ancha

N-

(G)

(S)

P+

P+

(D)

Principio de funcionamiento de los transistores de efecto de campo de unión, JFET (II)

ATE-UO Trans 84

V1V2

V1 < V2

Según aumenta la tensión drenador-fuente, aumenta la resistencia del canal, ya que aumenta la zona de transición, que es una zona de pocos portadores.

Principio de funcionamiento de los transistores de efecto de campo de unión, JFET (III)

ATE-UO Trans 85

GD

S

+

-VDS

ID

ID

VDS

V1 V2

Evolución si la resistencia no cambiara con la tensión.

Evolución real en un JFET (la resistencia cambia con la tensión aplicada).

Principio de funcionamiento de los JFET (IV)

ATE-UO Trans 86

VDSN-

(G)

(S)

P+

P+

(D)

Si se aumenta más la tensión drenador-fuente, la zona de transición llega a dejar una parte del canal con muy pocos portadores. La corriente de drenador no cesa (si cesara no se formaría el perfil de zona de transición que provoca esta situación). La tensión VDS a la que se produce la contracción total del canal recibe el nombre de tensión de contracción (“pinch-off”), VPO.

VDS=VPO > V2

VPO +-

Principio de funcionamiento de los JFET (V)

ATE-UO Trans 87

Si se aumenta la tensión drenador-fuente por encima de VPO, va aumentando la parte del canal que ha quedado con muy pocos portadores, LZTC (longitud de la zona de transición en el canal). Sin embargo, el aumento de LZTC al aumentar VDS es pequeño comparado con la longitud del canal, LC.

(G)

(S)

(D)

VDS

N-

P+

P+

VDS=V3 > VPO

LC

LZTC

Si L’ZTC << LC (hipótesis de canal largo) y admitimos que el perfil de portadores en la parte no contraída del canal no ha cambiado, tenemos que admitir que la tensión en dicha parte es VPO.

(G)

(S)

(D)

VDS

P+

P+N-

LZTC

VDS=V4 > V3

L’ZTCVPO +-

Luego la corriente que circula es la necesaria para dar la misma caída de tensión sobre el mismo perfil de canal misma corriente que cuando aplicábamos VPO corriente constante por el canal cuando VDS>VPO.

Principio de funcionamiento de los JFET (VI)

ATE-UO Trans 88

Resumen del principio de funcionamiento de los JFET cuando VGS = 0

ATE-UO Trans 89

ID

VDS

VDS=V4

V4VDS=V3

V3

VDS=VPO

VPO

VDS=V2

V2

VDS=V1

V1

VDS=0 Comportamiento resistivo Comportamiento como

fuente de corriente

Es decir: VDSPO = UA = VPO - UB

N-

(G)

(S)

P+

P+

(D)

VDS=VPO

¿Qué pasa si VGS 0?

ATE-UO Trans 90

•Con VGS=0, la contracción ocurre cuando VDS = VDSPO =VPO.

•La contracción se produce cuando:VDS=VDSPO=VPO + VGS

Cuando VGS < 0, la corriente que circula es menor y la contracción se produce a una VDS menor.

VPO+

-

(G)

(S)

P+

P+

(D)

N-

•El canal es siempre más estrecho, al estar polarizado más inversamente mayor resistencia

VGS

+-UB

UA

VDS

+

-

VPO+

-

Curvas características de un JFET (canal N)

ATE-UO Trans 91

VGS = 0V

VGS = -0,5V

VGS = -1VVGS = -1,5VVGS = -2V

Contracción del canal

Muy importante

ID [mA]

VDS [V]

4

2

42 60

•Curvas de salida

•Curvas de entrada:No tienen interés

(unión polarizada inversamente)

GD

S

+

-VDS

ID

+

-VGS

Referencias normalizadas

Contracción producida cuando:VDSPO=VPO + VGS

La tensión VPO

ATE-UO Trans 92

Cortocircuitamos el drenador y la fuente y aplicamos tensión entre puerta y fuente.

Cuando la tensión VGS alcanza un valor negativo suficientemente grande, la zona de transición invade totalmente el canal. Este valor es el de contracción del canal, VPO.

UB2 VGS

+-

(G)

(S)

P+

P+

(D)N-

(G)

(S)

P+

P+

(D)

UB1

N-

VGS

+-

= -VPOUB1<

Análisis gráfico de un JFET en fuente común

ATE-UO Trans 93

VDS [V]

ID [mA]

4

2

84 120

GD

S

+

-VDS

ID

+

-VGS

2,5K

10VVGS = -2V

VGS = -1,5V

VGS = -1V

VGS = -0,5V

VGS = 0V

VGS = 0V > -0,5V > -1V > -1,5V > -2V

Comportamiento resistivo

Comportamiento como fuente de corriente

VGS = -2,5V> -2,5V

Comportamiento como circuito abierto

Muyimportante

VDS [V]

ID [mA]

4

2

84 120

VGS = -2V

VGS = -1,5V

VGS = -1V

VGS = -0,5V

VGS = 0V

VGS = -VPO

Cálculo de las corrientes en la zona de fuente de corriente (canal contraído)

ATE-UO Trans 94

ID0PO

Partimos de conocer el valor de la corriente de drenador

cuando VGS = 0 y el canal está contraído, ID0PO.

También se conoce la tensión de contracción

del canal, VPO

Ecuación ya conocida:

VDSPO = VPO + VGS

Muy importante

Ecuación no demostrada:

IDPO ID0PO·(1 + VGS/VPO)2

IDPO

Comparación entre transistores bipolares y JFET (I)

ATE-UO Trans 95

G (P)D

S

V1

R

V2N

R

V1

V2

B (P)C (N)

E (N)

IDIC

+

-VBE

-VGS

+

•En ambos casos, las tensiones de entrada (VBE y VGS) determinan las corrientes de salida (IC e ID).

IB

•En zona de comportamiento como fuente de corriente, es útil relacionar corrientes de salida y entrada (transistor bipolar) o corriente de salida con tensión de entrada (JFET).

IG 0

• La potencia que la fuente V1 tiene que suministrar es mucho más pequeña en el caso del JFET (la corriente es casi cero, al estar polarizada inversamente la unión puerta-canal).

Muy importante

(G)

(S)

P+

P+

(D)

N-

VGS

+-UB

UA

VDS

+

-

Comparación entre transistores bipolares y JFET (II)

ATE-UO Trans 96

Corriente de electrones en todo el dispositivo

(transistor unipolar)

•El JFET es más rápido al ser un dispositivo unipolar (conducción no determinada por la concentración de minoritarios).

•El JFET puede usarse como resistencia controlada por tensión, ya que tiene una zona de trabajo con característica resistiva.

•Para conseguir un comportamiento tipo “cortocircuito” hay que colocar muchas celdas en paralelo.

Muyimportante

Estructura real de un JFET de canal N

ATE-UO Trans 97

G (N)D

S

V1

R

V2

P

-ID

-VGS

+

IG 0

Uso de un JFET de canal P

Hay que invertir los sentidos reales de tensiones y corrientes para operar en los mismas zonas de trabajo.

DS G

P+

N-

G

SiO2

N+ N+P+ Contactos metálicos

Canal N

Los transistores de efecto de campo de unión metal-semiconductor MESFET

ATE-UO Trans 98

DS G

N+ N+N-

GaAs aislante

Contactos óhmicos

GaAs

Contacto rectificador (Schottky)

G

Pequeña polarización directa GS

G

Tensión GS nula

G

Polarización inversa GS,

zona resistiva

G

Polarización inversa GS, zona

f. de corriente

VDS

ID

VGS<0

VGS = 0

VGS > 0

Los transistores de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor, MOSFET

ATE-UO Trans 99

Substrato

Contactos metálicos GS D

NombreMetal

Óxido

Semiconductor

Estructura

MOSFET de enriquecimiento (acumulación) de canal N

G

D

S

Substrato

Símbolo

DS G

+

P-

N+ N+

SiO2

Metal

G

D

SMOSFET de enriquecimiento

de canal P

Símbolo

++ ++G

DS

+

P-

Substrato

N+ N+- - - -

GDS

+

P-

Substrato

N+ N+

Principios de operación de los MOSFET (I)

ATE-UO Trans 100

V1

+ + + +

- - - -

Zona de transición (con carga espacial)

V2 > V1

+ + + ++++ +++

- - - -

- -

- -

Se empieza a formar una capa de electrones

(minoritarios del substrato)

V3 = V TH > V2

GDS

+

P-

Substrato

N+ N+

++++ ++++

- - - -- - - -

Principios de operación de los MOSFET (II)

ATE-UO Trans 101

Esta capa de minoritarios es llamada “capa de inversión”

Esta capa es una zona de transición (no tiene casi

portadores de carga)

Cuando la concentración de los electrones en la capa formada es igual a la concentración de los huecos de la zona del substrato alejada de la puerta, diremos que empieza la inversión. Se ha creado artificialmente una zona N tan dopada como la zona P del substrato. La tensión a la que esto ocurre es llamada “tensión umbral” (“threshold voltage”), VTH.

Principios de operación de los MOSFET (III)

ATE-UO Trans 102

V4 > V TH

GDS

P

P-

Substrato

N+ N+

+++++ +++++

- - - -- - - - - -

Situación con tensión mayor que la de umbral

VGS

GDS

P-

Substrato

N+ N+

+++++ +++++

- - - -- - - - - -

VDS

•Conectamos la fuente al substrato.

•Conectamos una fuente de tensión entre los terminales fuente y drenador.

¿Cómo es la corriente de drenador?

ID

Principios de operación de los MOSFET (IV)

ATE-UO Trans 103

•Existe un canal entre drenador y fuente constituido por la capa de inversión que se ha formado.

•Con tensiones VDS pequeñas

(<<VGS), el canal es uniforme.

VGS

GDS

P-

Substrato

N+ N+

+++++ +++++

- - - -- - - - - -

VDS 0 ID 0

VGS

GDS

P-

Substrato

N+ N+

+++++ +++++

- - - - -

VDS =VDS1 >0ID

- - - - -

•El canal se empieza a contraer según aumenta la tensión VDS.

•La situación es semejante a la que se da en un JFET.

•El canal formado se contrae totalmente cuando VDS = VDSPO.

•Cuando VDS > VDSPO, el MOSFET

se comporta como una fuente de corriente (como en el caso de los JFET).

VGS

GDS

P-

Substrato

N+ N+

+++++ +++++

VDS2=VDSPO >VDS1

ID

- - - - - - - - - -

VGS

GDS

P-

Substrato

N+ N+

+++++ +++++

VDS3 >VDSPO

ID

- - - - - - - - - -

ATE-UO Trans 104

Principios de operación de los MOSFET (V)

Si VGS = 0, la corriente de drenador es prácticamente

nula. En general, si VGS <VTH, no hay casi canal

formado y, por tanto, no hay casi corriente de drenador.

VDS1

GDS

P-

Substrato

N+ N+

ID0

ATE-UO Trans 105

Principios de operación de los MOSFET (VI)

GDS

P-

Substrato

N+ N+

ID0

VDS2 > VDS1

Curvas características de un MOSFET de enriquecimiento de canal N

ATE-UO Trans 106

Muy importante

ID [mA]

VDS [V]

4

2

42 60

•Curvas de salida

•Curvas de entrada:No tienen interés

(puerta aislada del canal)

Referencias normalizadas

+

-VDS

ID

+

-VGS

G

D

S

VGS < VTH = 2V

VGS = 2,5VVGS = 3V

VGS = 3,5V

VGS = 4V

VGS = 4,5V

Análisis gráfico de un MOSFET en fuente común

ATE-UO Trans 107

VDS [V]

ID [mA]

4

2

84 120

VGS = 2,5V

VGS = 3V

VGS = 3,5V

VGS = 4V

VGS = 4,5V

VGS = 0V < 2,5V < 3V < 3,5V < 4V

Comportamiento resistivo

Comportamiento como fuente de corriente

VGS < VTH = 2V< 4,5V

Comportamiento como circuito abierto

Muyimportante

+

-VDS

ID

+

-VGS

2,5K

10VG

D

S

Cálculo de las corrientes en la zona de fuente de corriente (canal contraído) y de la tensión umbral

ATE-UO Trans 108

Ecuaciones no demostradas:

IDPO (VGS - VTH)2·Z·n·Cox/2LC

VTH 2·F + (rs·xox/rox)·(4·q·NA·F/(rs·0))1/2

Z = longitud en el eje perpendicular a la representación.

Cox = Capacidad del óxido por unidad de área de la

puerta.

rs, rox y 0 = permitividades relativas del semiconductor

y del óxido y permitividad absoluta.

xox = grosor del óxido debajo de la puerta.

F =VT·ln(NA/ni)

GDS

+

P-

Substrato

N+ N+N-

Los MOSFET de deplexión (I)

ATE-UO Trans 109

•Existe canal sin necesidad de aplicar tensión a la puerta. Se podrá establecer circulación de corriente entre drenador y fuente sin necesidad de colocar tensión positiva en la puerta.

V1

GDS

+

P-

Substrato

N+ N+

+++ +++

N-- - - - - -

+

-

VGS=V1

•Modo ACUMULACIÓN:Al colocar tensión positiva en la puerta con relación al canal, se refuerza el canal con más electrones procedentes del substrato. El canal podrá conducir más.

Los MOSFET de deplexión (II)

ATE-UO Trans 110

V1

+

-

VGS=-V1

GDS

+

P-

Substrato

N+ N+N-

•Operación en modo DEPLEXIÓN:Se debilita el canal al colocar tensión negativa en la puerta con relación al substrato. El canal podrá conducir menos corriente.

- - - - - -

+ + + + + +

Los MOSFET de deplexión (III)

ATE-UO Trans 111

•Cuando se aplica tensión entre drenador y fuente se empieza a contraer el canal, como ocurre en los otros tipos de FET ya estudiados. Esto ocurre en ambos modos de operación.

VDS ID

V1

GDS

+

P-

Substrato

N+ N+

+++ +++

N-- - - -

- -

Modo acumulación

VDS

ID

V1

GDS

+

P-

Substrato

N+ N+

- - - - - -

N-+ + + + + ++ +

Modo deplexión

Muy importante

DeplexiónID [mA]

VDS [V]

4

2

42 60VGS < -1,5V

VGS = -1VVGS = -0,5V

VGS = 0V

VGS = 0,5V

VGS = 1V

Modo acumulación

Modo deplexión

Comparación entre las curvas características de los MOSFET de enriquecimiento y de deplexión

ATE-UO Trans 112

ID [mA]

VDS [V]

4

2

42 60VGS < VTH = 2V

VGS = 2,5V

VGS = 3V

VGS = 3,5V

VGS = 4V

VGS = 4,5VEnriquecimiento

Canal N

Canal P

Comparación entre los símbolos de los MOSFET de enriquecimiento y de deplexión con ambos

tipos de canal

ATE-UO Trans 113

G

D

STipo enriquecimiento

G

D

STipo deplexión

D

Tipo enriquecimiento

GS

G

D

STipo deplexión

Comparación de los circuitos de polarización para trabajar en zona resistiva o en zona de fuente de corriente con MOSFET de ambos tipos de canal

ATE-UO Trans 114

+

-VDS

ID

+

-VGS

R

V2

G

D

S

V1

Canal N

+

-VDS

-ID

+

-VGS

R

V2

G

D

S

V1

Canal P

Hay que invertir los sentidos reales de tensiones y corrientes para operar en los mismas zonas de trabajo.

Comparación entre transistores JFET y MOSFET

ATE-UO Trans 115

• La potencia que la fuente V1 tiene que suministrar estáticamente en un MOSFET es cero. Por tanto, la corriente IG es más pequeña aún que en el caso del JFET (que es casi cero, al estar polarizada inversamente la unión puerta-canal).

Muy importante

ID

+

-VGS

R

V2

G

D

S

V1

MOSFET, canal N

IG =0G

D

SV1

R

V2

ID

-VGS

+

IG 0

JFET, canal N

• La tensiones V1 y V2 comparten terminales del mismo signo en el caso del MOSFET. Esto facilita el control.

Precauciones en el uso de transistores MOSFET

ATE-UO Trans 116

G

D

S

DS G

+

P-

Substrato

N+ N+

•El terminal puerta al aire es muy sensible a los ruidos.

•El óxido se puede llegar a perforar por la electricidad estática de los dedos. A veces se integran diodos zener de protección.

•Existe un diodo parásito entre fuente y drenador en los MOSFET de enriquecimiento.