6703373 020 Transistores de Efecto de Campo Npn

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corriente e- del emisoral colector controlada

por la corrienteinyectada en la base

BJTdispositivo de 3 terminales

impedancia de entradamuy alta en la base

FETdispositivo de 3 terminales

corriente e- de canal desdela fuente al drenadorcontrolada por el campoelctrico generado por la

puerta

emisor

colector

base

fuente

drenador

puerta

Transistores de efecto de campo (npn)

16.071 Transkstores de efecto de campo

Adems de los transistores de unin bipolares (BJT) que hemos analizado hasta ahora,existen otros tipos de transistores. Un tipo de transistores de 3 terminales son losdispositivos de efecto de campo. En ellos, el parmetro de control es el campo elctricoque atraviesa la unin, en contraposicin a la corriente del BJT. Dado que un campoelctrico se asocia a una tensin, la gran ventaja de los dispositivos de efecto de camporeside en la ausencia de necesidad de que exista una corriente en el elemento de control(la puerta). El resultado es una impedancia muy elevada y una corriente de fuga realmentepequea.El dispositivo ms sencillo de analizar es el transistor de unin de efecto de campo (JFET)que trataremos en primer lugar de forma detallada. El metal-xido-semiconductorFET(MOSFET) desempea un papel realmente importante en las implementaciones de lgicadigital.


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6.071 Transistores de efecto de campo 2

Tipos de FET

Adems del tipo portador (canal N o P), existen diferencias en laconstruccin del elemento de control (unin o aislante) y ambosdispositivos deben utilizarse de forma distinta

FET de unin de agotamiento (JFET)npn

pnp

npn

pnpFET de metal-xido-semiconductor

(MOSFET)- agotamiento / enriquecimiento- enriquecimiento

(los FET de puerta aislada (IGFET), son de funcionamientoequivalente a los MOSFET)

Al igual que ocurra con los BJT, existen dos tipos de transistores: npn y pnp. Ladiferencia reside en el portadormayoritario (electrones o huecos).

Dado que los FET estn controlados por variaciones del campo elctrico en la unin, esposible construir un condensador en el elemento de control y, de esta forma, reducir anms la corriente de fuga. La estructura metal-xido-semiconductor de un MOSFET agenera el condensador en la entrada del elemento de control (la puerta).


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Funcionamiento bsico de un FET (1)

El ejemplo ms sencillo de un JFET es el silicio dopado N.

Nfuente drenador

fuente: terminal por el que entra la corriente portadora(portadores e- de tipo n)

En este estado, el dispositivo se comporta simplemente comouna resistencia. Por ello, la corriente circula a travs del canalen proporcin a la tensin de la fuente / drenador.

Comenzaremos describiendo el funcionamiento y el control de un JFET. Bsicamente, laaccin de un JFET podra entenderse teniendo en cuenta un canal de conduccin formadopor silicio dopado n y dos terminales, uno en cada extremo. El dispositivo se convierte enuna resistencia cuyo valor viene dado por el nivel de dopaje.Los tres terminales del JFET reciben el nombre de fuente, drenador y puerta. La fuenteequivaldra al emisor del BJT y es el portador mayoritario. As, en un material de tipo n,los portadores son electrones y la fuente es, por tanto, la fuente de los electrones.El drenador equivaldra al colector del BJT y, por tanto, la corriente portadora mayoritariacircula desde la fuente al drenador. De nuevo, el material de los portadores est formadopor electrones y la corriente convencional circula en direccin contraria.


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Se aade una estructura de puerta paraformar un canal.

N

P

puerta

fuente drenador

puerta

En realidad, las dos regiones de la puerta estn conectadas entres para definir el canal por el que circula la corriente portadora.El control de la corriente del FET (la resistencia) se obtienemodificando el tamao de las zonas de agotamiento que rodean alas puertas.

Las puertas son dos regiones de material de tipo p que se establecen para la conduccindesde la fuente al drenador. Las dos regiones de la puerta casi siempre estn conectadasentre s para que el usuario slo vea una conexin entre ellas.Observe que el dispositivo que se muestra arriba es un JFET npn, ya que la fuente es detipo n, la puerta de tipo p y el drenador de tipo n. Si no se analiza desde la perspectiva depuerta-canal-puerta, estaramos ante una unin pnp.


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Funcionamiento bsico de un FET (3)Al igual que ocurre en cualquier unin PN, la puerta estrodeada por una zona de agotamiento.

N

P

puerta

fuente drenador

puerta

zona de agotamiento

zona de agotamiento

La zona de agotamiento reduce el tamao eficaz del canal dopadoN y, con ello, aumenta la resistencia aparente de dicho canal. Almodular el potencial entre el drenador y la puerta, el campoelctrico de la zona de agotamiento entre la puerta y el drenadorvara y tambin lo hace la zona de agotamiento.

Como ocurre con cualquier unin pn, existe una zona de agotamiento que rodea la puerta.Evidentemente, esta zona reduce el rea de la seccin cruzada del canal de tipo ndisponible para la conduccin de electrones.La accin del JFET se controla variando el potencial entre la puerta y el drenador, con loque tambin cambia el tamao de la zona de agotamiento.


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N

P

zona de agotamiento

VDS

En este caso, latensin del drenador a la fuente, VDS, equivale ala tensinentre la puerta y el drenador. Cuando VDS aumenta, laszonas de vaciamiento se aproximan y la resistencia de la fuenteaumenta.

Un sencillo ejemplo sera conectar a tierra el voltaje de la puerta a la fuente para que elvoltaje de drenador a la puerta sea igual que el voltaje del drenador a la fuente. Alaumentar el voltaje entre el drenador y la puerta, la zona de vaciamiento aumenta y laconduccin del canal disminuye.En el caso de voltajes pequeos, la resistencia aumenta con el voltaje y recibe el nombre dezona hmica.Por encima del voltaje de estrangulamiento, el canal entra en saturacin y la resistencia sevuelve constante. El voltaje de estrangulamiento podra describirse como el voltaje en elque coinciden las zonas de vaciamiento de las dos puertas.


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Caracterizaremos el dispositivo por su resistencia eficaz de unin. Por supuesto, en estemomento la medicin tpica para caracterizar un transistor se basa en medir la corrientede drenador como una funcin del voltaje de drenador-fuente para un conjunto decorrientes (o voltajes) aplicados a la puerta. Recuerde que as es exactamente como sellevan a cabo las comprobaciones en el BJT.Una vez medida la corriente de drenador como funcin del voltaje de drenador-fuente, yacontamos con la informacin necesaria para calcular el valor eficaz de la resistencia CCpara este punto de funcionamiento.


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A la izquierda se muestra la caracterstica de la corriente de drenador / voltaje drenador-puerta en una puerta conectada a tierra.La zona entre cero y el voltaje de estrangulamiento representa la zona hmica, la curvaplana representa la zona de saturacin y, a voltajes elevados, se produce una regin deruptura en la que la conduccin en el canal aumenta rpidamente. Muchos dispositivos serompen al funcionar en esta zona de ruptura, aunque existen dispositivos diseados parafuncionar en esta zona de avalancha, como es el caso de los diodos zener.El grfico de la derecha muestra la resistencia correspondiente. En la zona hmica, laresistencia aumenta de forma lenta y en la zona de saturacin, lo hace con mayor rapidez.Es importante sealar que la corriente de drenador del JFET es independiente del voltajedrenador-fuente de la zona de saturacin. Como tendremos la oportunidad de comprobaren breve, en esta zona la corriente es muy sensible al potencial drenador-puerta.Por ello, si queremos controlar el dispositivo a travs de la puerta, deberemos disear pordefecto un dispositivo que funcione en la zona de saturacin. Sin embargo, si lo quebuscamos es controlar el dispositivo mediante el voltaje de drenador, situaremos eldispositivo en la zona hmica.


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Control de la puerta del FET El tamao de la zona de vaciamientopuede aumentarse mediantela polarizacin de la unin PN en la puerta. As, la puerta controlarla ID y, como la puerta estar polarizada, fundamentalmente no

habr corriente de puerta.

VGS=0 -1V

-2V

VDS

ID

VP

VDS

-VGS

IB

N

P

NPVGS VGS=

Aqu se muestra la variacin de la curva IV como funcin del voltaje de la puerta.Recuerde que en el estrangulamiento las zonas de vaciamiento de las dos puertascoinciden y, como cambia el voltaje de la puerta, el punto de funcionamiento se desplaza.Lo ms frecuente es invertir la puerta (como se indica en el circuito) para aumentar elcampo en la unin PN y, en consecuencia, aumentar el tamao de la zona para un voltajedrenador-fuente constante.Observe que la puerta se polariza.


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El diseo de los circuitos FET suele funcionar con ecuaciones relativamente sencillaspara la corriente de drenador, en trminos de parmetros de dispositivo y de condicionesde funcionamiento. Evidentemente, stos dependen de si el punto de funcionamiento seencuentra en la zona hmica o en la de saturacin.

Dado que el rendimiento del dispositivo no debe depender fundamentalmente de losparmetros del circuito, se suelen adoptar una serie de atajos y al final el circuito seevala con un paquete de simulacin (como un Spice). Ayuda en gran medida a podersimplificar el diseo a sus partes funcionales y, entonces, ver claramente cmo deberafuncionar. Esto, por supuesto, requiere prctica y en este curso le guiaremos en el

proceso.


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Una caracterstica importante, aunque algo difcil de entender, de un dispositivo de tresparmetros es la transconductancia, gm. Recuerde que estamos diseando el FET comouna resistencia de voltaje controlado, por lo que la corriente de drenador es una funcindel voltaje entre la puerta y la fuente. Evidentemente, esto se aprecia en lasrepresentaciones IV del FET en la zona de saturacin. La transconductancia es la tasa decambio de la corriente de drenador con un cambio en el voltaje a tensin constantedrenador-fuente.Las unidades de la transconductancia es la inversa del ohmio (mhos).Por norma general, las fichas tcnicas incluyen las dos transconductancias para una puertaen cortocircuito.A menudo, en el anlisis de los circuitos FET, las propiedades del circuito puedensimplificarse a una funcin de la transconductancia.


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Aqu planteamos un ejemplo sencillo de una fuente con corriente derivada JFET. Lapuerta se ha cortocircuitado a tierra) (observe que no est cortocircuitada a la fuente). Laresistencia de la fuente introduce un voltaje de fuente y, con ello, se produce un voltajepuerta-fuente negativo.Debemos encontrar la corriente de drenador como una funcin de la resistencia de lafuente.El voltaje de drenador es lo suficientemente grande para que podamos asumir que eldispositivo trabaja en la zona de saturacin. As, podemos detectar inmediatamente lacorriente de drenador como una funcin del voltaje de puerta-fuente.El voltaje de puerta-fuente es exactamente menos el voltaje de fuente y ste es la cada devoltaje de la corriente de drenador que atraviesa la resistencia de la fuente.


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Igualamos ambas ecuaciones y obtenemos la ecuacin de segundo grado para la corrientede drenador.Como el FET se apaga a -4V, la solucin -8V no es posible y optamos por la solucin-2V, de la que se desprende una corriente de 2 mA.A partir de este dato podemos calcular tambin la resistencia drenador-fuente deldispositivo y la cada del voltaje en el FET.


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Un segundo ejemplo de una aplicacin del FET es una resistencia controlada por tensin.En este caso nos fijamos en la variacin de la cada del voltaje en el FET para controlar elbrillo de una lmpara (el brillo es una funcin no lineal de la corriente que atraviesa lalmpara). Cuando la puerta se cortocircuita con la fuente, la corriente aumenta y lalmpara se enciende. Si la puerta se polariza en negativo, la corriente de drenadordisminuye y la lmpara se atena. El proceso contina hasta que se apaga.Es posible combinar este circuito con el anterior para crear un potencimetro de luz que seaccione mediante una resistencia variable, pero normalmente lo apropiado es disear undispositivo controlado por tensin.


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El seguidor de fuente JFET es funcionalmente similar al seguidor de emisor BJT.Asimismo, no proporciona ganancia de voltaje, pero s modifica la impedancia,creando ganancia de corriente (y de potencia).

Seguimos utilizando buenas prcticas de diseo, por lo que al pensar en el seguidorde fuente como una fuente de voltaje, conseguimos que la resistencia de fuente seamucho menor que la de carga y, as, podemos obviar la carga en nuestro anlisis.

La cada de voltaje en la resistencia de fuente es, por lo tanto, la resistencia de fuentees una potencia de la corriente de drenador. Podemos relacionar la corriente dedrenador con el voltaje puerta-fuente mediante la transconductancia. Y tambincomprobamos que el voltaje de fuente coincide con el de salida. Observe que latransconductancia tpica corresponde a una resistencia ms pequea(aproximadamente de 200 ohmios) que la resistencia de fuente y, por lo tanto, laganancia se aproxima a 1.


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Configuracin tpica del amplificador del seguidor de fuente. Simplificando mucho, loscondensadores sirven para eliminar la corriente continua, la resistencia de puerta parapolarizar y la resistencia de carga puede obviarse debido a la resistencia de fuente. Por lotanto, podemos observar la misma ganancia.


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La configuracin tpica de fuente es un amplificador con ganancia. En nuestro caso, elvoltaje se divide en la resistencia de drenador, en el FET y en la resistencia de fuente. Laresistencia de fuente slo establece el punto de funcionamiento de CC. Observe queque existe un condensador conectado en paralelo que cortocircuita la resistencia a altas

frecuencias.


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Cundo utilizar JFET

El JFET tiene impedancias de entrada mucho ms altas ycorrientes de salida mucho ms bajas que los BJT.

Los BJT son ms lineales que los JFET.

La ganancia de un BJT es mucho ms alta que la de un JFET.

Por norma general, los JFET slo se utilizan cuando los BJT no son la solucin msconveniente, por ejemplo, cuando la corriente de fuga de la base de un BJT es demasiadoelevada.

En aplicaciones de lgica digital, el uso de los FET es importante, ya que son muchoms rpidos y disipan menos energa. Sin embargo, la mayora de estas aplicacionesutilizan MOSFET, que presentan impedancias mucho ms elevadas incluso que losJFET.


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Diapositiva 20Diapositiva 2

En algunas ocasiones resulta ms til el funcionamiento en la zona hmica que en la desaturacin. El anlisis no cambia en absoluto, pero las ecuaciones son menos complicadas.En nuestro caso, calculamos el comportamiento de un JFET empleado como resistenciacontrolada por tensin. Como cabra esperar, volvemos a obtener una funcin cuadrtica.


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Grficos generados por

Mathematica

La curva generada con Mathematica muestra la variacin de la corriente de drenador conrespecto al voltaje de entrada. Esto puede resultar til para conseguir un desfase preciso ycontrolable.


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Grficos generados porMathematica

Dada la variacin en corriente, resulta bastante sencillo mostrarla como una resistenciacon ayuda de Mathematica. Observe que en la zona hmica podemos permitir que elvoltaje puerta-fuente sea positivo.Suele ser bastante acertado en cualquier aplicacin calcular la potencia disipada en elFET, que, evidentemente, ser una funcin del voltaje de control. En este caso, lapotencia mxima disipada tiene lugar cuando la resistencia del FET es igual a laresistencia de drenador.


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Podremos comprobar ms adelante que con un amplificador operacional es posibleobtener amplificadores diferenciales ptimos y que su ganancia viene controlada por lasresistencias de retroalimentacin. Con un JFET se obtiene fcilmente una resistencia devoltaje controlado y, en consecuencia, una ganancia de voltaje controlada.


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Estamos ante un circuito que mide la dependencia de frecuencia de la transconductancia(en este caso, yfs como suele entenderse para frecuencias altas). La resistencia elevadade puerta se utiliza slo por motivos de estabilidad.


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Smbolos del JFET

puerta puerta

drenadordrenador

fuente fuente

NPN PNP

A menudo, las zonas de las puertas estn dopadas en distintamedida para las especificaciones de drenador / fuente. En algunos dispositivos, el drenador y la fuente sonintercambiables. En ocasiones, las dos puertas no estn interconectadas y seobtiene un dispositivo de cuatro terminales.

Al igual que ocurre con los BJT, existen JFET de tipo npn y pnp. Los de tipo NPN suelendenominarse de canal n para evitar confusiones con la configuracin de puertas.

Es posible intercambiar el drenador y la fuente o no hacerlo, dependiendo de sus nivelesrelativos de dopaje.


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Visite el sitio Web del fabricante para obtener la ficha tcnica del producto. Siga estospasos:

1. Vaya al sitio Web de Fairchild Semiconductor: http://www.fairchildsemi.com/ 2.Consulte las condiciones de uso del sitio en el enlace llamado Site Terms &Conditions o haciendo clic en el siguiente enlace:http://www.fairchildsemi.com/legal/index.html3. Vuelva a la pgina de inicio.4. En el cuadro de bsqueda escriba el nmero del producto (2N5457), seleccioneProduct Folders and Datasheets y haga clic en go. La ficha tcnica que necesitaes N- Channel General Purpose Adapter.5. Se le ofrecern varias opciones (descargar el PDF, correo electrnico, etc.).

Seleccione el mtodo que desee para recibir la ficha tcnica.


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MOSFET (1)

Los transistores de efecto de campo de semiconductores de metal-xido difieren bastante de los JFET y se presentan en una gama muy

variable.La funcin que los caracteriza es que la puerta est acoplada con uncondensador.

MOSFET npn de vaciamientoausencia de campo en la puerta = fuente drenador

corriente de fuga muy pequea

fuente drenadorpuerta

metalaislante

P

N N

Hoy da, los MOSFET son ms comunes que los JFET,y su funcionamiento es demasiado extenso para analizarlo con detalle. El hallazgointeligente fue darse cuenta de que, al interesarse slo por el campo elctrico entre lapuerta y el drenador, no haba necesidad de establecer una conexin galvnica y quebastaba con una conexin de condensacin que tuviese el mismo efecto. Por ello, en losMOSFET existe una capa de aislante (vidrio) entre el conector de la puerta y elsemiconductor dopado p.Obsrvese que, en ausencia de un voltaje de puerta, el semiconductor funciona como uninNPN entre el drenador y la fuente y tiene el aspecto de dos diodos bidireccionales (con laconsiguiente corriente pequea entre drenador y fuente). Compare este hecho con los BJT(donde la zona de las puertas es pequea) y los JFET (en los que el drenador y la fuenteconforman un canal de conduccin).


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MOSFET de enriquecimiento

P

NN

conector de sustrato

Un voltaje de sustrato de

puerta positivo induceuna carga negativa entrela fuente y el drenador ycrea un canal de tipo n.Ahora la corriente puedecircular.

VG

Para analizar el funcionamiento de un MOSFET, comenzamos por estudiar la unincapacitiva de la puerta y preguntarnos cul ser la distribucin de cargas en elsemiconductor para distintos potenciales de puerta. Observe que ahora nos interesa ladiferencia de potencial entre el electrodo de la puerta y el sustrato (hasta ahora no hemosmencionado ni la fuente ni el drenador).Si la puerta del sustrato est cargada positivamente, obtendremos una concentracin deelectrones entre los canales de tipo n de la fuente y del drenador y la corriente podrcircular. Estar formada, evidentemente, por portadores mayoritarios en las zonas de lafuente y del drenador y por portadores minoritarios en la zona de la puerta (que hemosconcentrado nosotros).Se trata, pues, del mecanismo normal de conduccin de los llamados MOSFET deenriquecimiento.


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Smbolos del MOSFET

drenador

fuente

sustratopuerta

drenador

fuente

sustratopuerta

drenador

fuente

sustratopuerta

drenador

fuente

sustratopuerta

Canal N

Canal N Canal P

Canal P

Vaciamiento

Enriquecimiento

Adems de los MOSFET de enriquecimiento, existen los de vaciamiento Los distintossmbolos se muestran en la figura. Al utilizar estos dispositivos es importante prestaratencin a la conexin del sustrato, ya que forma el segundo terminal del condensador dela puerta.


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MOSFET de vaciamiento

fuente drenador

puerta

aislante

P

N+ N+N

Las zonas de la fuente y el drenador estn ms dopadas que elcanal, pero cuando la puerta est polarizada a cero, existecorriente.

En los dispositivos de vaciamiento, la cara secundaria del condensador es una reginpequea de material de tipo n. Ahora, sin polarizacin en la puerta, tenemos un canal detipo n desde el drenador a la puerta y la corriente circula. Esta zona de la puerta est muydopada y el campo elctrico del condensador de la puerta se utiliza para manipular lasconcentraciones de portadores en la zona y poder, as, controlar la corriente drenador-fuente.


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MOSFET de vaciamiento (2)

N N

P

N

Un voltaje negativo entrela puerta y el sustratoinduce un canal de tipo pen la zona dopada de la

puerta y desactiva lacorriente drenador-fuente.

Una polarizacin negativa en el condensador del sustrato de la puerta atrae a los huecosdel material de tipo p hacia el canal de conduccin y disminuye la corriente drenador-fuente. Con este funcionamiento, el dispositivo se comporta como un JFET, en el queel potencial negativo de la puerta retarda la corriente de drenador.


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Representacin IV de una ficha tcnica de un MOSFET de agotamiento; el resto deparmetros siempre se facilitan en alguna seccin de la ficha tcnica.


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Al igual que ocurre en los JFET, existe una serie de frmulas que relacionan la corrientede drenador con los parmetros del circuito. stas se utilizan de la misma forma que enlos JFET.


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Las frmulas de enriquecimiento son bastante parecidas, pero incluyen el denominadoparmetro de construccin, que describe la capacidad del canal. Suele aparecer de formaexplcita en las fichas tcnicas, por lo que no es necesario calcularlo.


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Caractersticas de transferencia de los tres

tipos de FET


Aqu se muestran las caractersticas de transferencia de los tres tipos de MOSFET, (1)agotamiento, (2) enriquecimiento y (3) ambos. Las representaciones IV de la derechamuestran la corriente de drenador con respecto al voltaje drenador-fuente para distintospotenciales de puerta. Estos datos son los que suelen obtenerse en las fichas tcnicas. Lascurvas de la izquierda muestran la variacin de la corriente de drenador como funcin delpotencial de la puerta en la zona activa. No suele mostrarse este dato, pero es una buenaforma de ver las diferencias entre los tres tipos de dispositivos. Tambin es til paradeducir dnde deben ubicarse los puntos de funcionamiento.


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Como ejemplo, analizaremos el punto de funcionamiento de un amplificador MOSFET deagotamiento. El FET y la resistencia de drenador comparten el voltaje y, como la puertaest polarizada en inversa, el FET se apaga y el voltaje crece en el FET (el voltaje desalida, en consecuencia, aumenta).


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Como buscamos un cambio en la corriente (resistencia) con el voltaje de control,necesitamos centrarnos en la transconductancia, pero primero debemos decidir en qupunto calcularemos la ganancia. Estudiemos las proximidades del voltaje de entrada nulo.Ahora podemos obtener la corriente de la hoja de especificaciones y el voltaje de salida es2 V (en un punto medio adecuado). Tambin podemos calcular directamente latransconductancia, que es 200 mohs. Dado que con ello obtenemos la resistencia dedrenador-fuente, podemos calcular tambin ahora la ganancia.


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En este caso, asumimos una pequea seal y buscamos una solucin lineal cercana a unvoltaje de entrada nulo. Realizaremos algunas suposiciones y nos desharemos de algunostrminos para evitar un problema cuadrtico. Es vlida cualquiera de las dos propuestas yla respuesta obtenida es, en esencia, la misma. Recuerde que todos los parmetros delcircuito pueden variar.

Modificamos el voltaje de salida para los pequeos cambios de la resistencia de drenador-fuente y nos damos cuenta de que, al hacerlo, el voltaje sufre pequeas variaciones.


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Ample la resistencia drenador-fuente en trminos de voltaje de entrada y aproveche elhecho de que el voltaje de entrada es pequeo para poder simplificar. El resultado es queel dispositivo se convierte en un atenuador (la ganancia se reduce a la mitad) ms que enun amplificador. Debera detectar que, si aumentamos el voltaje (o disminuimos laresistencia de drenador) podramos aumentar la ganancia.


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Uno de los usos ms importantes de los MOSFET es la construccin de circuitos lgicosque disipen muy poca energa. Si implementamos la configuracin del MOSFET queaparece en la figura, habr una corriente en la carga y no en la otra.Observe que el sustrato se conecta a la fuente.


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Diapositiva 43

En un dispositivo de canal p, la corriente se asocia con el estadode encendido.Observe aqu que el sustrato sigue conectado a la fuente (que ahora tiene voltajepositivo).


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En lgica complementaria de MOSFET (CMOS), la misma puerta se construye a partirde una combinacin de dispositivos de canal p y n, de tal forma que no hay circulacinde corriente en ninguno de los estados lgicos. Evidentemente, la ausencia de corrienteimplica que no se disipa ninguna energa.

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