Trabajo FETS (JFETS y MOSFETS)

7/23/2019 Trabajo FETS (JFETS y MOSFETS)

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INSTITUTO TECNOLOGICO DE

MORELIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRONICA

Transistores De Efecto de Campo(FET)

Juan Jesus Roman Concha 11121319

N. de Control: 11121319

20 de Noviembre de 2015

Maestro:

Ing. Miguel Angel Mendoza Mendoza



Indice

1. El Transistor de Efecto de Campo (FET) 11.1. Construccion y Caracterısticas de los JFET . . . . . . . . . . 2

1.1.1. El Transistor de Efecto de Campo (FET) . . . . . . . 21.1.2. V GS = 0 V, V DS positivo . . . . . . . . . . . . . . . . 31.1.3. V GS < 0 V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.1.4. JFET canal P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.1.5. Sımbolos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2. Transistor de efecto de campo metal-oxido-semiconductor(MOSFET) 7

2.1. MOSFET de tipo empobrecimiento Canal n . . . . . . . . . 82.2. MOSFET de tipo empobrecimiento Canal p . . . . . . . . . 92.3. MOSFET de tipo enriquecimiento Canal n . . . . . . . . . . 112.4. MOSFET de tipo enriquecimiento Canal p . . . . . . . . . . 12

Indice de figuras

1. Amplificador controlado por voltaje. . . . . . . . . . . . . . . 12. Transistor de efecto de campo de union (JFET). . . . . . . . 23. Analogıa del agua para el mecanismo de control de un JFET. 24. Transistor de efecto de campo de union (JFET). . . . . . . . 3

5. Potenciales de polarizacion en inversa que varıan a traves dela union p − n de un JFET de canal n. . . . . . . . . . . . . . 3

6. I D contra V DS para V GS = 0 V. . . . . . . . . . . . . . . . . . 47. Estrangulamiento (V GS = 0 V,V DS = V p). . . . . . . . . . . . 48. Aplicacion de un voltaje negativo a la compuerta de un JFET. 59. Caracterısticas de un canal con I DSS = 8 mA y V P = −4 V. . 610. JFET de canal p. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 611. Caracterısticas de un JFET de canal p con I DSS = 6 mA y

V P = +6 V. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 712. Sımbolos de JFET: (a) canal n; (b) canal p. . . . . . . . . . . 713. MOSFET tipo empobrecimiento canal n . . . . . . . . . . . . 8

14. (a) Flujo de corriente MOSFET empobrecimiento canal n; (b)Efecto de V GS < 0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

15. Caracterısticas de drenaje y transferencia de un MOSFET tipo empobrecimiento de canal n. . . . . . . . . . . . . . . . . 9

16. (a) MOSFET tipo empobrecimiento de canal p;(b) y (c) cur-vas caracterısticas para I DSS = 6 mA y V P = 16 V. . . . . . . 10

17. Sımbolos MOSFET empobrecimiento: (a) canal n;(b) canal p. 1018. MOSFET tipo enriquecimiento canal n . . . . . . . . . . . . 11

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19. Formacion de un canal en un MOSFET tipo enriquecimiento

de canal n. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1120. Estrechamiento del canal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1221. (a) MOSFET tipo enriquecimiento de canal p;(b) y (c) curvas

caracterısticas para V T = 2 V y k = 0,5 × 10−1 A/V 2. . . . . 1322. Sımbolos MOSFET enriquecimiento: (a) canal n;(b) canal p. . 13

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1. El Transistor de Efecto de Campo (FET)

Figura 1: Amplificador con-trolado por voltaje.

El transistor de efecto de campo (FET)es un dispositivo de tres terminales con-trolado por voltaje (Figura 1), en otraspalabras la corriente I D sera una fun-cion del voltaje V GS aplicado al circuitode entrada como se muestra en la Figura1.

Existen transistores de efecto de campo de2 tipos Canal n y Canal p. El FET es un

dispositivo unipolar que depende no solotanto de la conduccion de electrones (canaln) como de la condicion de huecos (canalp).

Para entender el Termino efecto se utilizara una analogıa; es de conocimien-to comun la capacidad de un iman para atraer lımaduras de metal haciası mismo sin requerir contacto fısico, esto se debe a qe el campo magneticodel iman envuelve las limaduras y las atrae hacia el iman porque las lıneas deflujo magnetico actuan como cortocircuito. Para el FET las cargas presen-tes establecen un campo electrico, el cual controla la ruta de conduccion del

circuito de salida sin que requiera un contacto directo entre las cantidadesde control y las controladas.

Una de las caracterısticas mas importante del FET es su alta impedancia deentrada en comparacion al BJT, en otras palabras la variacion de la corrien-te de entrada es mucho mayor para los BJT que la variaci on del voltaje deentrada para los FET. Por esta razon las ganancias de voltaje de CA tıpicaspara BJT son mucho mayores que para los FET.

En general: Los FET son mas estables a la temperatura que losBJT y en general son mas pequenos lo que los hace particular-

mente utiles en chips de circuitos integrados.

Existe muchos tipos y subtipos de FET, en el presente trabajo presenta-mos 2 tipos: el transistor de efecto de campo de uni´ on (JFET) y el transistor de efecto de campo semiconductor de ´ oxido metalico(MOSFET). Se utilizarael JFET canal n por ser el mas comun para el analısis.

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1.1. Construccion y Caracterısticas de los JFET

1.1.1. El Transistor de Efecto de Campo (FET)

Figura 2: Transistor de efectode campo de union (JFET).

La construccion basica de un JFET decanal n se muestra en la Figura 2. Laparte principal de la estructura es elmaterial tipo n, el cual forma el ca-nal entre las capas incrustadas de ma-terial p. La parte superior del canal nesta conectada por un contacto ohmi-co a un material conocido como Dre-naje (D); el extremo inferior del mis-

mo material esta conectado por un con-tacto ohmico a una terminal conocidacomo Fuente (S). Ambos materiales ti-po p estan conectados entres sı y estanconectados a la terminal de Compuerta (G).

En esencia el drenaje y la fuente estan co-nectadas a los extremos del canal tipo n y la compuerta a las dos capas dematerial tipo p.

Sin potencial aplicado el JFET tiene 2 uniones p − n sin polarizar, lo cualcrea una region de empobrecimiento en cada union(Figura 2).1.

Figura 3: Analogıa del agua para elmecanismo de control de un JFET.

Para entender el control del JFETen la compuerta se empleara unaanalogıa2

El origen de la presion de agua de laFigura 3, se puede vincular al voltajeaplicado del drenaje a la fuente, dichovoltaje nos establece un flujo de agua(de electrones) desde el grifo (fuente)

al drenaje. La “compuerta” gracias auna senal aplicada (voltaje de control)controla el flujo de agua (carga) diri-gido hacia el “drenaje”.

1Una region de empobrecimiento no contiene portadores libres por consiguiente esincapaz de conducir

2Aunque rara vez son perfectas y en ocasiones enganosas.

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1.1.2. V GS = 0 V, V DS positivo

Figura 4: Transistor de efectode campo de union (JFET).

En la Figura 4 se aplica un voltaje po-sitivo V DS (drenador-fuente. La compuer-ta se conecta a la fuente y esta se co-necta a tierra por lo que V GS = 0 V.En el instante en que se aplica V Ds =V DD se presentara entonces una dife-rencia de potencial entre ambas termi-nales. Esto dara por resultado que losportadores mayoritarios del material nsean atraidos hacia la terminal D (po-sitiva) iniciandose una corriente de elec-trones conocida como I D que es equi-valente a I S que sale por la terminalS .

Figura 5: Potenciales de pola-rizacion en inversa que varıana traves de la union p − n deun JFET de canal n.

En la Figura 4 el flujo de electrones estarelativamente limitado solo por la resisten-cia del canal. Es importante observar que laregion de empobrecimiento esta mas cercade la parte superior de ambos materiales ti-po p tiene su explicacion en que al tener lacompuerta (G) directamente conectada a laterminal fuente (s) y ambas a la terminalnegativa de V DD (tierra = 0 V) se estable-ce una polarizacion inversa entre compuertay drenaje. Suponiendo una resistencia uni-forme en el canal n, podemos descomponerla resistencia del canal en las divisiones queaparecen en la Figura 5.La corriente I D establecera diferentes nive-les de voltaje a traves del canal como mues-tra la misma Figura, dando una polarizacion mayor en la parte superior que

en la inferior.

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El hecho de que la union p − n se polarice en inversa a lo largo del canalproduce una corriente de compuerta I G = 0 A la cual es una caracterısticaimportante del JFET.Conforme el voltaje V DS aumente de 0 a algunos volts, la corriente I D tam-bien aumentara (Ley de Ohm). En la Figura 6 se muestra la grafica de I Dcontra V DS .

3Se debe recordar por el analisis de la operacion de un diodo que cuanto mas grandees la polarizacion en inversa aplicada, mas ancha es la region de empobrecimiento.

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Figura 6: I D contra V DS para V GS = 0 V.

La pendiente relativa de la grafica revela que en la region de valores bajosde V DS la resistencia es en esencia un valor constante. A medida que V DS seincrementa y se aproxima a un nivel conocido como V p (voltaje de estran-gulamiento) las regiones de empobrecimiento se ensanchan, lo que reducenotablemente el ancho del canal, provocando que la resistencia se incremen-te y ocurra la curva en la grafica de la Figura 6, cuanto mas horizontal seala curva mas alta sera la resistencia.

Figura 7: Estrangulamiento(V GS = 0 V,V DS = V p).

Si V D se incrementa a un nivel donde pare-

ciera que las dos regiones de empobrecimien-to “se tocaran” (Figura 7) se originara unacondicion conocida como estrangulamiento,dada por V DS = V p. El termino estrangu-lamiento sugiere que I D se reduce a 0 A locual es incorrecto pues I D mantiene un ni-vel de saturacion definido como I DSS (Figu-ra 6). En realidad sigue existiendo un canalmuy pequeno con una corriente de muy altadensidad. El hecho de que I D no se reduz-ca durante el estrangulamiento y de que se

mantenga lo comprueba el hecho de que sincorriente de drena je se eliminarıa la posibili-dad de que los diferentes niveles de potenciala traves del material tipo p establezcan losniveles variables de polarizacion en inversa alo largo de la union p −n perdiendose ası laregion de empobrecimiento que provoco elestrangulamiento.

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A medida que V DS > V P la region de encuentro entre las dos regiones de

empobrecimiento crece a lo largo del canal pero I D se mantiene. En esenciauna vez que V DS > V P el JFET tiene caracterısticas de fuente de corriente.La notacion I DSS se deriva del hecho de que es la corriente de drenaje a lafuente con una conexion de cortocircuito desde la compuerta hasta la fuente.

I DSS es la corriente de drenaje maxima para un JFET y esta de-finida por la condicion V GS = 0 V y V DS > |V P | .

Observe en la Figura 6 que V GS = 0 a lo largo de toda la curva.

1.1.3. V GS < 0 V

Figura 8: Aplicacion de un vol-taje negativo a la compuerta deun JFET.

El voltaje de la compuerta a la fuen-te, denotado V GS es el voltaje de con-trol del JFET; de la forma que se desa-rrollaron curvas para el BJT se pue-den desarrollar curvas de I D contraV DS para varios niveles de V GS pa-ra el JFET. Para el dispositivo de ca-nal n el voltaje de control V GS sevuelve mas y mas negativo a par-tir de su nivel V GS = 0 V. En

la Figura 8 se aplica un V GS =−1 V para un V DS bajo. El efec-to del V GS de polarizacion negati-va es establecer regiones de empo-brecimiento similares a las obtenidascon V GS = 0 V pero a nivelesmas bajos de V DS como se obser-va en la Figura 9 para V GS = −1V.

El nivel de saturacion resultante para I D se redujo y continuara hacien-dolo a medida que V GS se vuelva mas negativa. Observe tambien (Figura9) como el voltaje de estrangulamiento se sigue reduciendo de manera pa-rabolica conforme V GS se hace mas y mas negativo. Con el tiempo cuandoV GS = −V P sea lo bastante negativo para establecer un nivel de saturacionque basicamente sea 0 mA el dispositivo se puede considerar apagado.

El nivel de V GS que produce I D = 0 mA esta definido por V GS = V P ,con V P convirtiendose en un voltaje negativo para dispositivos decanal n y en voltaje positivo para JFET de canal p.

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Figura 9: Caracterısticas de un canal con I DSS

= 8 mA y V P

= −4 V.

1.1.4. JFET canal P

Figura 10: JFET de canal p.

Un JFET canal p se constituye de lamisma manera que el de canal n yopera bajo los mismos criterios, soloque en este caso, el dispositivo se es-tructura sobre una base material ti-po p, con una compuerta de tipo n yse invierten los signos en los voltajesy el sentido de las corrientes (Figura10).

En este tipo de dispositivos se aplicaun voltaje de control en la compuer-ta, que puede ser 0 volts o valores ma-yores que cero (positivos) para tenercomo resultado voltajes negativos paraV DS .

Observe (Figura 11) que a niveles altosde V DS la curva se eleva a niveles aparentemente ilimitados. La elevaci onvertical indica que ocurrio una ruptura y que la corriente a traves del canalahora esta limitada unicamente por el circuito externo.

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Figura 11: Caracterısticas de un JFET de canal p con I DSS = 6 m A yV P = +6 V.

1.1.5. Sımbolos

Los sımbolos graficos para los JFET de canal n y de canal p se dan en laFigura 12. Observe que la flecha apunta hacia dentro para el dispositivode canal n de la Figura 12 (a) para representar la direccion en la cual I Gfluira si la union p − n se polarizara en directa. Para el dispositivo de canal

p la flecha va en sentido contrario.

Figura 12: Sımbolos de JFET: (a) canal n; (b) canal p.

2. Transistor de efecto de campo metal-oxido-semiconductor(MOSFET)

Este tipo de transistores constan tambien de tres terminales: la Fuente (S),el Drenaje (D) y la compuerta (G). Se construyen sobre una base de siliciollamado sustrato, que puede ser de tipo p o de tipo n, sobre la cual estanlas dos regiones constituidas de material de tipo contrario al del sustrato,que se conectan al exterior a traves de contactos metalicos hasta las termi-nales de Fuente y Drenaje . Entre las dos regiones dopadas, D y S , se puedeestablecer un canal por el que pueden desplazarse las cargas electricas que

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constituyen la corriente, llamada tambien I D. La terminal de compuerta se

conecta tambien a traves de un contacto metalico, solo que esta se encuentraaislada de las regiones dopadas, por medio de una delgada capa de dioxidode silicio (SiO2), el cual actua como dielectrico, dando por consecuenciauna muy alta impedancia de entrada en este transistor. B asicamente haydos tipos de MOSFET , el de empobrecimiento y el de enriquecimiento.

2.1. MOSFET de tipo empobrecimiento Canal n

Figura 13: MOSFET tipo empo-brecimiento canal n

Consiste de una base o sustrato de mate-rial tipo p, en la que se alojan dos regio-nes de material tipo n conectadas a las

terminales Fuente y Drenaje , respectiva-mente, a traves de contactos metalicos(Figura 13). Si la compuerta se conec-ta con la terminal fuente (cortocircuitoGS ), y se aplica una diferencia de po-tencial V DS atraera a los electrones dela region de la terminal D; asimismo, elpotencial negativo de V DS repele a loselectrones libres de la terminal S , por loque se establece una corriente a travesdel canal n, desde la Fuente al Drena-

je (I D), cuyo valor maximo o de satu-racion (I D = I DSS ) esta dado por lascaracterısticas del canal. La compuertaesta aislada del conjunto, por lo tanto, la

corriente de compuerta es cero (Figura 14 (a)).

(a) (b)

Figura 14: (a) Flujo de corriente MOSFET empobrecimiento canal n; (b)Efecto de V GS < 0.

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Si en lugar del corto cortocircuito entre Compuerta y Fuente se aplica un

voltaje negativo en la compuerta , respecto a la fuente (−V GS ), y se mantieneel voltaje V DS > 0 V entre Drenaje y Fuente , el potencial negativo de lacompuerta ejercera una fuerza de repulsion en los portadores negativos delcanal n hacia el sustrato p, a la vez que atraera a los huecos de este cercanosa la frontera con el canal n, presentandose el fenomeno de recombinacionhueco-electron como se muestra en la Figura 14 (b). Esto dara por resulta-do que se reduzca la cantidad de portadores negativos del canal n, lo queequivale a que el canal de conduccion se estrecha limitandose la intensidadde corriente que fluye de la fuente al drenaje.

Si se aumenta el nivel de voltaje negativo de G con referencia a S , se ace-

lerara el proceso de recombinacion entre huecos y electrones en la fronteraentre el canal n y el sustrato p, dando por resultado un mayor estrechamien-to en el canal, y por consecuencia, una disminucion de la corriente I D enproporcion con la magnitud de V GS . Este proceso obedece tambien al modelodado por la ecuacion de Schokley, por lo que se tienen curvas caracterısticasy de transferencia similares a las que describen un JFET (Figura 15).

Figura 15: Caracterısticas de drenaje y transferencia de un MOSFET tipoempobrecimiento de canal n.

2.2. MOSFET de tipo empobrecimiento Canal p

Un MOSFET de empobrecimiento canal p esta formado siguiendo la mismaestructura basica que el de canal n, y opera bajo los mismos criterios, con ladiferencia de que el dispositivo se desarrolla sobre un sustrato de materialtipo n, en el que se alojan dos regiones de tipo p entre las que se formaun canal del mismo tipo de material (Figura 16 (a)). Las polaridades delos voltajes y el sentido de la corriente estan en sentidos contrarios respec-

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tivamente, de manera que las caracterısticas de transferencia y de drenaje

tambien tienen sentidos contrarios a las del dispositivo visto anteriormente.

Figura 16: (a) MOSFET tipo empobrecimiento de canal p;(b) y (c) curvascaracterısticas para I DSS = 6 mA y V P = 16 V.

Figura 17: Sımbolos MOSFET empobrecimiento: (a) canal n;(b) canal p.

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2.3. MOSFET de tipo enriquecimiento Canal n

Figura 18: MOSFET tipo en-riquecimiento canal n

Se construye sobre una base o sustratode silicio dopado de tipo p, en le quese alojan dos regiones de material tipon, conectadas a las terminales drenaje y

fuente por medio de contactos metalicos;en tanto que la terminal de compuerta se sujeta al cuerpo del dispositivo me-diante un contacto metalico, aislada poruna capa de dioxido de silicio (Figura18).

Una diferencia esencial con el MOSFET deenriquecimiento es que ahora no se tiene ori-ginalmente un canal entre las regiones n delas terminales D y S , por lo que, inicial-mente, la corriente entre fuente y drenajeI DS = 0. Se requiere que se establezcan nue-vas condiciones para que el dispositivo ope-

re y entregue algun valor de corriente diferente de cero. En la Figura 19 semuestra un MOSFET de enriquecimiento de canal n en el que se ha aplica-do en la Compuerta un potencial positivo con respecto a la Fuente , es decirque V

GS > 0 V, al mismo tiempo que se aplica una diferencia de potencial

V DS entre Drenaje y Fuente , con la polaridad indicada. Tanto la compuertacomo el drenaje se encuentran a un potencial positivo respecto a la fuente.

Figura 19: Formacion de uncanal en un MOSFET tipoenriquecimiento de canal n.

El potencial positivo en la compuerta ejer-ce una fuerza de repulsion sobre los hue-cos del material p del sustrato, vecinos eala capa aislante de SiO2, y una fuerza deatraccion a los electrones libres minorita-rios que existen en el sustrato, acumulan-dose en la vecindad con la superficie ais-lante. A medida que se incrementa el vol-

taje V GS , aumenta la concentracion de es-tos portadores minoritarios del sustrato,lo que da por resultado la formacion deun canal n entre la Fuente y el Drena-

je , facilitando a los electrones de la re-gion n de la Fuente su desplazamientohacia la region n del Drenaje , por efec-to del potencial positivo en la terminalD.

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El resultado final es que se presenta una corriente I D entre Fuente y Drenaje

a traves del canal que se ha creado por efectos de la polarizacion descrita.La diferencia de potencial V GS a partir del cual se observa un incrementosignificativo en la corriente I D se denomina voltaje de Umbral (V T ). Deahı que si V GS = V T , la corriente I D = 0mA; si V GS > V T ,I T > 0 mA. Paraconocer el efecto del voltaje V DS sobre la corriente I D observe la Figura 19,en la que se distinguen tres voltajes relacionados de la siguiente manera, deacuerdo con la ley de voltajes de Kirchhoff:

−V GS − V DG + V DS = 0 → V DG = V DS − V GS (1)

Figura 20: Estrechamientodel canal.

Esta ecuacion describe el potencial dela terminal Drenaje con respecto al po-tencial de la compuerta y en esta re-lacion se puede ver que si V GS semantiene en un valor fijo, al aumen-tar el valor de V DS , la terminal Dre-naje se vuelve mas positiva con res-pecto a la Compuerta , dando por re-sultado que la atraccion de la com-puerta hacia los electrones libres delsustrato sea ahora menor, reduciendoseası el canal de conduccion en el tra-mo entre Compuerta y Drenaje (Figura20).

Esta reduccion llegara a un nivel de estrechamiento en el cual se tendr a unvalor de saturacion para la I D. Lo anterior significa que, con valores fijosde V GS , mas incrementos en V DS no afectara el nivel de saturacion de lacorriente I D.El valor de V DS que ocasiona la saturacion en I D esta dado por la relacion:

V GSsat = V GS − V T (2)

A su vez, la corriente en la terminal Drenaje se relaciona con el voltaje entre

la Compuerta y la Fuente , como describe la ecuacion 3

I D = k(V GS − V T )2 (3)

En donde k es una constante cuyo valor esta dado por las caracterısticas deldispositivo.

2.4. MOSFET de tipo enriquecimiento Canal p

Ese tipo de transitor opera bajo los mismos principios que el tipo incremen-tal de canal n, solo que ahora el sustrato se elabora con material tipo n,

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sobre el cual se ubican dos regiones dopadas tipo p, una para el drenaje y

otra para la fuente ; cada una con una terminal metalica hacia el exterior deldispositivo (Figura 21).

De igual forma, no se tienen originalmente un canal entre las regiones p delas terminales D y S , por lo que la corriente es I DS = 0. Se requiere quese den las condiciones para que en el dispositivo se forme el canal a travesdel cual se lleve a cabo la circulacion de cargas portadoras de la energıa yentregue una corriente diferente de cero. Ahora la polaridad de los voltajesy el movimiento de los portadores son en sentidos inversos.

Figura 21: (a) MOSFET tipo enriquecimiento de canal p;(b) y (c) curvascaracterısticas para V T = 2 V y k = 0,5 × 10−1 A/V 2.

Figura 22: Sımbolos MOSFET enriquecimiento: (a) canal n;(b) canal p.

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Referencias

[1] Louis Nashelsky, Robert L. Boylestad, Electr´ onica: Te´ orica de Circui-tos y Dispositivos electr´ onicos Decima Edici´ on , Mexico, DF., Mexico:Pearson, 2009, ch. 6, p. 368-399.

[2] Fredy Alberto Hernandez Aguirre, Jorge Raul Villasenor Gomez, Cir-cuitos electricos y aplicaciones digitales segunda edici´ on,. Mexico, D.F.,Mexico: Pearson, 2013, ch. 8, p. 418-437.

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