TEMA 7:

EL TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO

1. Clasificación.2. El transistor JFET:

– Tipos y símbolos– Estudio cualitativo del JFET– Curvas de salida y transconductancia

3. El transistor MOSFET:– Tipos y símbolos– MOSFET de empobrecimiento– MOSFET de enriquecimiento

4. El transistor FET en conmutación:– RDS (on) e ID (off)– El transistor MOSFET de potencia

CLASIFICACIÓN

BipolaresNPN

PNP

Efecto de campo(FET)

Unión(JFET)

Metal-Oxido-Semiconductor(MOSFET)

Canal N (JFET-N)

Canal P (JFET-P)

Transistores

* FET : Field Effect Transistor

Canal N

Canal P

Empobrecimiento(Deplexión)

Enriquecimiento(Acumulación)

Canal N

Canal P

EL TRANSISTOR JFET

Canal N Canal P

G - Puerta (GATE)

D - Drenador (DRAIN)

S - Fuente (SOURCE)

G

D

S

G

D

S

El transistor de efecto de campo se comporta como un interruptor controlado por tensión, donde la tensión aplicada a la puerta permite que circule o no corriente entre drenador y fuente.

Tipos y Símbolos

Estudio cualitativo del JFET

Canal N Canal P

D

G

S

P

N

P

G

D

S

G

D

S

D

G

S

N

P

N

n

p

p

G

VGS VDS

S

D

Funcionamiento del JFET de canal N

D

G

S

N

P

UGS

P

Zona de transición

Canal

•Unión GS polarizada inversamente

•Se forma una zona de transición libre de portadores de carga y un canal

•La sección del canal depende de la tensión UGS

•Si se aplica una tensión D-S la corriente ID por el canal dependerá

de USG y UDS

Funcionamiento del JFET de canal N

D

G

S

N

P

UGS

P

UDS

(baja)

UDS

ID

UGSEl canal se estrecha

Mayor resistencia

Entre D y S se presenta una resistencia que varía en función de UGS

(al aumentar la tensión UDS aumenta la corriente ID)

Funcionamiento del JFET de canal N

D

G

S

NUGS

UDS

El ancho del canal depende también de la tensión UDS Se estecha el

canal y deja pasar menos corriente

Pasado un límite la corriente ID deja de crecer con UDS se compensa el

estrechamiento del canal con el comportamiento resistivo

PP

UDS + UGS

UGS

UDS

ID

UGS1

VP

UGS=0

UGS2

Curvas de salida y transconductancia

Características estáticas de un JFET de canal N

Característica real

UDS (V)

ID (mA)

UGS=-4V

2 4 6 8

10

20

30

Zona de fuente de corrienteZona resistiva

UGS=-2V

UGS=0V

Característica linealizada

UDS

ID

UGS0

UGS1

UGS2

G

D

S

UDS

UGS

IS

Hay una UGS a partir de la cual

el canal se cierra y deja de pasar corriente

de drenador

G

D

S

Características estáticas de un JFET de canal P

UDS (V)

ID (mA)

UGS=4V

-2 -4 -6 -8

-10

-20

-30

Zona de fuente de corrienteZona resistiva

UGS=2V

UGS=0V

Curvas idénticas al de canal N pero con tensiones y corrientes de signo opuesto

UDS

UGS

IS

Conmutación de un JFET

Aplicando una onda cuadrada en los terminales UGS se puede conseguir que el JFET actúe como un interruptor

ID

+ UDS

UGS

VCC

RD

UDS

ID

UGS(B)

UGS(A)A

B

UGS

UDS

VCC

AB

El transistor de efecto de campo de unión o JFET

La corriente de drenador se controla mediante tensión (a diferencia de los transistores bipolares donde se controla la corriente de colector mediante la corriente de base)

La unión puerta-fuente se polariza en zona inversa y existe un valor límite de UGS a partir del cual el canal se cierra y deja de pasar corriente de drenador

Entre drenador y fuente el JFET se comporta como una resistencia o una fuente de corriente dependiendo de la tensión UDS.

Aplicaciones típicas: amplificadores de audio y de radiofrecuencia

EL TRANSISTOR MOSFET

Tipos y Símbolos

Canal N Canal P

G - Puerta (GATE)

D - Drenador (DRAIN)

S - Fuente (SOURCE)

El transistor de efecto de campo se comporta como un interruptor controlado por tensión, donde la tensión aplicada a la puerta permite hacer que fluya o no corriente entre drenador y fuente.

Canal P Canal N

EMPOBRECIMIENTO

G

D

SG

D

S

G

D

S

G

D

S

ENRIQUECIMIENTO

EL TRANSISTOR MOSFET

Estructura de un MOSFET de empobrecimiento de canal N

P

N

N

Óxido

Metal

Semiconductor

D

sustrato

S

G

SiO2 actúa de aislante G

D

S

sustrato

EL TRANSISTOR MOSFET

Estructura de un MOSFET de empobrecimiento de canal N

P

N

N

D

S

GVDS

VGS

G

D

S

• En los MOSFET de empobrecimiento el canal se forma mediante una difusión adicional durante el proceso de fabricación

• Con tensión UGS nula puede haber circulación de corriente de drenador

• Es necesario aplicar tensión negativa UGS para cerrar el canal

Curvas características

UDS (V)

ID (mA)

2 4 6 8

10

20

30

40

UGS= -2V

UGS= 0VYa hay canal formado

UGS=2V

UGSoff= -Vp curva de corte ID0

Zona de saturaciónZona de óhmica

UGSoff

IDSS=corriente ID con la puerta en corte

ID

UGS

2

GSoff

GSDSSD U

U1II

Curva de transferencia

Estructura de un MOSFET de enriquecimiento de canal N

N

P

N

D

sustrato

S

GVDS

Normalmente el terminal de SUSTRATO se encuentra conectado con la fuente S

Los terminales principales del MOSFET son D y S

Al aplicar tensión UDS la unión drenador-sustrato impide la circulación de corriente de drenador Al aplicar tensión positiva UGS los electrones libres de la zona P (sustrato) son atraídos hacia el terminal de puerta

VGS

N

N

Estructura de un MOSFET de enriquecimiento de canal N

PPP

D

S

G

VDS

VGS

-+ -+-+-+-+

Cuando UGS< UGSTh ID=0

Si UGS> UGSTh ID≠0

Cuanto mayor sea UGS mayor será el canal ID crece muy rápidamente

Por efecto del campo eléctrico se forma un canal de tipo ‘n’ (zona rica en electrones) que permite el paso de la corriente entre drenador y fuente

Formado el canal entre drenador y fuente puede circular la corriente de drenador ID

Incrementar la tensión UDS tiene un doble efecto:

• Ohmico: mayor tensión = mayor corriente ID

• El canal se estrecha por uno de los lados = ID se reduce

A partir de un cierto valor de UDS ambos efectos se compensan y la corriente se estabiliza haciéndose prácticamente independiente de UDS

Característica real

Característica linealizada

UDS

ID

UGS2

UGS1

UGS0

A partir de un cierto valor de UGS se forma el canal entre drenador y fuente. Por debajo de este límite el transistor está en corte.

G

D

S

UDS

UGS

IS

Curvas características

UDS (V)

ID (mA)

2 4 6 8

10

20

30

40

Zona de corriente constanteZona de óhmica

UGS=6V

UGS=8V

UGS=10V

UGSTh

2GSThGSD UUKI

Característica de transferenciaID

UGSUGSTh

IDon

UGSon

Constante que depende del

MOSFET

D

S

G

VDS

VGS

Circuto equivalente en zona óhmica

UDS

ID

UGS2

UGS1

UGS0

En la región de corriente cteUDS > UGS -UGSTh

Valor límite:UDSlim = UGS - VT

IDlim = KU2DS

VT

La capa de óxido es muy fina, ya que permite mejor control sobre ID, por lo que UGS tiene un valor máximo por encima del cual se puede destruir dicha capa

Zona de fuente de corrienteZona resistiva

Curvas características de un MOSFET de canal P

UDS (V)

ID (mA)

UGS=-6V

-2 -4 -6 -8

-10

-20

-30UGS=-8V

UGS=-10V

Curvas idénticas al de canal N pero con tensiones y corrientes de signo opuesto

Al ser la conducción debida a huecos son más lentos

G

D

S

UDS

UGS

IS-40

UGS=-4V

Limitaciones

•Tensión de ruptura

•Corriente máxima

•Tensión máxima de puerta

•Potencia máxima

Características

•Resistencia en conducción

•Tensión umbral

El transistor JFET Metal-oxido-semiconductor o MOSFET

IDMAX

PMAX

VDC-MAX

SOAR

Área de operación segura(Safety Operation Area)

ID

VDS

MODELO EQUIVALENTE PARA PEQUEÑA SEÑAL

gm = transconductancia en directo o conductancia mutua

rds = resistencia dinámica en inverso o resistencia de salida

rds

ID

gmUGS

G

UDSUGS

S

DSds

GSmD Ur

1UgI

0UGS

Dm DSU

Ig

cteUD

DSds GSI

Ur

MODELO EQUIVALENTE PARA PEQUEÑA SEÑAL

S

dsmGS

DSDS

dsGSmD rg

U

U U

r

1Ug0I

rd

rds

ID

gmUGS

G

UDSUGS +

μ=rdgm factor de amplificación

Resumen

La corriente de drenador se controla mediante la tensión UGS

En los MOSFET de enriquecimiento a partir de un cierto valor

umbral de UGS se forma el canal y puede circular la corriente de

drenador

En los MOSFET de empobrecimiento una difusión adicional

permite la circulación de la corriente de drenador incluso para

tensión UGS nula

Aplicaciones típicas: convertidores y accionadores

electrónicos de potencia, etapas amplificadoras, circuitos

digitales, ...

El transistor JFET Metal-oxido-semiconductor o MOSFET

OTROS TIPOS DE MOSFET

G2

D

S

G1

G2S

D

G1

MOSFET de doble puerta

Para aumentar la ganancia en tensión → aplicación amplificador cascodo

N N

DG

S

SUSTRATO

P

n

VMOS

La estructura física de los MOSFET es:

125μm

El canal es muy estrecho con un espesor limitado la R que presenta al paso de la corriente es muy alta. La intensidad y la

potencia por tanto es pequeña.

n+ n+

D

G SS

pn

VMOS

La estructura física de los VMOS es:

canaln+

La corriente circula casi vertical al plano de las capas de semiconductor con una sección más ancha

La forma en V de G canal de longitud pequeña y mayor ancho efectivo se reduce la R y aumenta la corriente.

Ventajas del VMOS

1.POSIBILIDAD DE CONEXIÓN EN PARALELO

En aplicaciones de potencia se consigue más intensidad conectando varios VMOS en paralelo

2. AUSENCIA DE AVALANCHA TÉRMICA

La conexión con BJT no es posible ya que tienen un coeficiente de temperatura positivo.

Con VMOS:

ΔT↑⇒ ΔID↓⇒ ΔP↓ ⇒ΔQ↓

3. MAYOR RAPIDEZ DE CONMUTACIÓN

IGBT

G

C

E

Símbolo Circuito equivalente

E

C

BS

D

G

Es un transistor muy usado en potencia ya que une las ventajas del BJT y MOSFET:

•Impedancia de entrada alta del MOSFET

•las características de conducción son como las del BJT:

•Capacidad de sobrecarga mayor.

•Tiempo de conmutación bajo

•Mayor disipación

Isolated Gate Bipolar Transistor (transistor bipolar de puerta aislada)

Estructura de un IGBT de canal n

n+ n+

E

S

p

n

n+

C

p+

SiO2

S del MOSFET

ánodo

cátodo

B del Bipolar

C del Bipolar

En estado de conducción es cualitativamente similar a un BJT controlado por tensión

La característica por puerta es equivalente a un MOSFET

Puesto que Vp = 4 V, VGS(off)= -4 V. En cualquier instante de tiempo antes del punto A. la tensión de entrada es -10 V y el JFET está cortado. En este caso, la tensión de drenador es:

VD = 10 V

Entre los puntos A y B, l tensión de entrada es igual a 0 V. El extremo superior de la recta de carga en continua se corresponde con una corriente de saturación de:

ID(sat) =

La figura (b) muestra la recta de carga en continua. Puesto que ID(sat) es mucho menor que I DSS, el JFET está en saturación fuerte.

La resistencia óhmica es:

RSD =

En el circuito equivalente de la figura (c), la tensión del drenador es: VD =