INSTITUTO TECNOLOGICO DE LOS MOCHIS

ING. MECATRÓNICA

ELECTRÓNICA ANALOGICA TRANSISTOR EFECTO DE CAMPO

PROFESOR:

ING. HUGO CASTILLO PRESENTA:

PALAZUELOS ARREDONDO JONATHAN MISAEEL

GRUPO: M51

Transistor efecto de campo (FET)

¿Qué es?

El transistor FET es un dispositivo semiconductor que controla un flujo de corriente por un canal

semiconductor, aplicando un campo eléctrico perpendicular a la trayectoria de la corriente. El

transistor FET está compuesto de una parte de silicio tipo N, a la cual se le adicionan dos

regiones con impurezas tipo P llamadas compuerta (gate) y que están unidas entre sí.

Símbolos

¿Funcionamiento?

Los terminales de este tipo de transistor se llaman

Drenador (drain), Fuente (source) y el tercer terminal es

la compuerta (gate) que son dos regiones con impurezas

tipo P.

La región que existe entre el drenador y la fuente y que

es el camino obligado de los electrones se llama "canal".

La corriente circula de Drenaje (D) a Fuente (S).

El transistor de juntura bipolar es un dispositivo operado

por corriente y requieren que haya cambios en la

corriente de base para producir cambios en la corriente de colector. El transistor FET es

controlado por tensión y los cambios en tensión de la compuerta (gate) a fuente (Vgs)

modifican la región de rarefacción y causan que varíe el ancho del canal.

Este gráfico muestra que al aumentar el voltaje Vds

(voltaje drenador - fuente), para un Vgs (voltaje de

compuerta) fijo, la corriente aumenta rápidamente (se

comporta como una resistencia) hasta llegar a un punto A

(voltaje de estricción), desde donde la corriente se

mantiene casi constante hasta llegar a un punto B (entra

en la región de disrupción o ruptura), desde donde la

corriente aumenta rápidamente hasta que el transistor se

destruye.

Tipos de Fet

MOSFET

El transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor o MOSFET (en inglés Metal-oxide-semiconductor Field-effect transistor) es un transistor utilizado para amplificar o conmutar señales electrónicas. Es el transistor más utilizado en la industria microelectrónica, ya sea en circuitos analógicos o digitales, aunque el transistor de unión bipolar fue mucho más popular en otro tiempo. Prácticamente la totalidad de los microprocesadores comerciales están basados en transistores MOSFET.

El MOSFET es un dispositivo de cuatro terminales llamados surtidor (S), drenador (D), compuerta (G) y sustrato (B). Sin embargo, el sustrato generalmente está conectado internamente al terminal del surtidor, y por este motivo se pueden encontrar dispositivos MOSFET de tres terminales.

El término 'metal' en el nombre MOSFET es actualmente incorrecto ya que el material de la compuerta, que antes era metálico, ahora se construye con una capa de silicio policristalino. El aluminio fue el material por excelencia de la compuerta hasta mediados de 1970, cuando el silicio policristalino comenzó a dominar el mercado gracias a su capacidad de formar compuertas auto-alineadas.

JFET

El JFET (Junction Field-Effect Transistor, en español transistor de efecto de campo de juntura o unión) es un dispositivo electrónico, esto es, un circuito que, según unos valores eléctricos de entrada, reacciona dando unos valores de salida. En el caso de los JFET, al ser transistores de efecto de campo eléctrico, estos valores de entrada son las tensiones eléctricas, en concreto la tensión entre los terminales S (fuente) y G (puerta), VGS. Según este valor, la salida del transistor presentará una curva característica que se simplifica definiendo en ella tres zonas con ecuaciones definidas: corte, óhmica y saturación.

Físicamente, un JFET de los denominados "canal P" está formado por una pastilla de semiconductor tipo P en cuyos extremos se sitúan dos patillas de salida (drenador y fuente) flanqueada por dos regiones con dopaje de tipo N en las que se conectan dos terminales conectados entre sí (puerta). Al aplicar una tensión positiva VGS entre puerta y fuente, las zonas N crean a su alrededor sendas zonas en las que el paso de electrones (corriente ID) queda cortado, llamadas zonas de exclusión. Cuando esta VGS sobrepasa un valor determinado, las zonas de exclusión se extienden hasta tal punto que el paso de electrones ID entre fuente y drenador queda completamente cortado. A ese valor de VGS se le denomina Vp. Para un JFET "canal N" las zonas p y n se invierten, y las VGS y Vp son negativas, cortándose la corriente para tensiones menores que Vp.

Polarización Fija

Al igual que en el BJT, la malla de entrada es la que polariza al JFET, en este caso la malla de compuerta. Cabe mencionar que para este dispositivo la corriente de reposo es fijada por el voltaje de compuerta. ANALISIS El voltaje en la compuerta siempre será negativo respecto al Terminal de Source en jun JFET de canal N:

ANÁLISIS EN LA MALLA DE COMPUERTA Ley de Voltajes de Kirchoff en malla de compuerta

Como se supone que la unión compuerta-fuente esta polarizada inversamente, entonces significa que no existe corriente y por lo tanto VRG=0.

Esta ecuación representa la recta de polarización

Esta recta se muestra en la siguiente figura, la cual queda representada por una recta vertical a lado izquierdo del eje de la corriente.

De la figura se observa la gran inestabilidad que puede experimentar el punto de operación para el caso de los posibles cambios en los parámetros que puede presentar un FET aun cuando tratándose del mismo tipo ya que las técnicas de fabricación no son tan perfectas como para que IDSS y VGS off sean constantes de un dispositivo a otro. Este tipo de polarización es la peor forma de polarizar a un JFET ya que el punto de operación (IDSQ, VDSQ) bastante es inestable. ANÁLISIS EN LA MALLA DEL DREN

Por Ley de Voltajes de Kirchoff

-VDD+ VRD+ VDS= 0 En términos de la corriente de Dren: VDD= IDSRD+ VDS

Ecuación de la recta de carga en C.C.

En la figura, el punto de operación depende el punto de operación fijado en la curva de transconductancia EJEMPLO: Encontrar la variación del punto de operación para el circuito mostrado:

VDD= 12V VGG= -1V RD= 470Ω RG= 1MΩ

SOLUCIÓN

Autopolarización

LVK en malla de compuerta

VRG + VGS + VRS = 0

VGS + RSIDS = 0

A esta ecuación se le conoce como ecuación de la recta de polarización. Esta recta tiene pendiente negativa y pasa por el origen, como se observa en la siguiente figura:

La recta representa una RS pequeña y proporciona un elevado valor de gm, ideal para una buena ganancia de corriente, la desventaja es la inestabilidad debido a los cambios en los parámetros del JFET, como puede observarse.

La recta ofrece las mejores condiciones tales que no compromete la inestabilidad y los valores de transconductancia, es decir, no se sacrifican una u otra.

La recta produce buena estabilidad del punto de operación, sin embargo produce valores de gm bajos que se traducen en una baja ganancia de corriente.

Generalmente muchos diseñadores optan por el tipo de polarización

dado por la recta Este tipo de polarización es mejor que la polarización fija ya que el punto de operación es más estable.

En la recta la RS puede llamarse óptima ya que esta recta pasa por el centro de una de las curvas de transconductancia.

Rs óptima puede calcularse:

Las coordenadas del punto de operación cuando se presenta RS óptima es:

Estas ecuaciones pueden demostrarse a partir del siguiente análisis:

Normalizando:

Si el punto de operación está a la mitad de la curva entonces:

Resolviendo la ecuación cuadrática:

ANALISIS EN LA MALLA DE DREN

LVK en la malla de compuerta

A esta ecuación se le conoce como ecuación de la recta de carga en C.C.

Polarización por divisor de voltaje

Para simplificar el análisis en la malla de compuerta encontraremos el circuito equivalente de Thévenin para facilitar.

Esta ecuación representa la ecuación de la recta de polarización. Esta ecuación puede escribirse como:

Es una recta con pendiente negativa y con la ordenada en el origen a VGG÷RS como se observa en la figura:

De la figura puede observarse que este tipo de polarización es mejor que las dos anteriores debido a que ∆IDSQ es menor, sin embargo para conseguir esto es necesario aplicar valores elevados de VDD para que VGG sea lo más grande posible y así el punto de operación sea más estable. ANÁLISIS EN LA MALLA DE DREN

Transistor de Efecto de Campo en Conmutación

Introducción: El transistor de efecto de campo se emplea en conmutación formando parte de los circuitos integrados, gracias a que ocupa una minúscula superficie de silicio y a la insignificante potencia que consume en conmutación. Estos factores combinados permiten integrar hasta miles de estos transistores en una sola pastilla sin grandes limitaciones de disipación de calor, a lo que se suma la relativa sencillez del proceso de fabricación de los circuitos integrados con estos dispositivos. Igualmente las resistencias de estos circuitos se realizan mediante transistores de efecto de campo convenientemente polarizados, ganándose así todavía mas espacio. Como se recordará, el principio de funcionamiento del transistor de efecto de campo o "Field Effect Transistor" (FET) se basa en el control de la resistencia que presenta un material semiconductor al paso de la corriente por medio de un campo eléctrico perpendicular a

la dirección de esta ultima. Así, en un FET con electrodo de control aislado,(figura anterior) mediante una tensión aplicada a este último, por efecto capacitivo se varia la conductancia de una porción del cuerpo semiconductor ("SUSTRATO"), ubicada debajo de un dieléctrico aislador. Dicha porción se denomina "CANAL", en grisado en la figura anterior y las dos regiones semiconductoras en contacto con sus extremos, por donde entra y sale la corriente, se designan fuente o "SOURCE" (S) y drenador o "DRAIN" (D). El electrodo de control es denominado compuerta, graduador o "GATE" (G). En la corriente que circula por el canal predominan absolutamente los portadores mayoritarios, siendo los minoritarios irrelevantes para el funcionamiento del transistor. Por esta razón el FET es un TRANSISTOR UNIPOLAR, a diferencia del transistor bipolar de juntura, donde ambos tipos de portadores importan, especialmente en la base.

Clasificaciones: Se ha creído necesario dar un panorama general de las distintas clases de transistores de efecto de campo, a fin de señalar los tipos mas empleados en conmutación. Una primera clasificación contempla la manera en que se originan y controla el campo eléctrico; pudiendo ser:

Transistor de Efecto de Campo de Juntura O "JUNCTION FET" o JFET: en el cual el campo eléctrico de una juntura inversamente polarizada, constituida por el canal y otro material semiconductor unido al gate, controla la conductancia del primero según el valor de la tensión inversa aplicada. Se representa como indica la siguiente figura.

Figura 1

Transistor de efecto de campo con electrodo de control aislado o "INSULATED GATE FET" ("IGFET"), caracterizado por tener el gate aislado del canal por una capa de oxido de silicio, se dibuja:

Figura 2

Actualmente se fabrican entre otros, los siguientes dispositivos IGFET: MOSFET o "MOS" ("Metal Oxide Semiconductor FET"), cuyo nombre deriva de los tres materiales que aparecen al realizar un corte vertical en su estructura, según puede observarse en la figura 1 vista anteriormente: Hasta hace poco los términos IGFET y MOS eran sióonimos.

SILICON GATE FET, difiere de MOS en que el gate es de silicio policristalino, en lugar de ser metálico. Se consigue así controlar la conductividad del canal a partir de tensiones de gate mas bajas.

SOS("Silicon On Saphire FET"), en el cual el canal semiconductor de silicio esta depositado sobre un sustrato aislante de zafiro, en lugar de un sustrato semiconductor de silicio. De esta manera se alcanzan velocidades de conmutación mas altas.

DMOS (MOS de Doble Difusión), que presenta un canal de corta longitud para permitir muy altas velocidades de conmutación, gracias al breve tiempo de transito de los portadores por el citado canal.

Una segunda clasificación tiene en cuenta la conductancia del canal cuando al gate no se le aplica ninguna tensión. Asi se tiene:

FET de Canal Normalmente Conductor o de "vaciamiento" ("Depletion FET"), que permite en las condiciones mencionadas el pasaje de corriente entre los extremos drain y source del canal, cuando entre los mismos se aplica tensión. Los JFET solo admiten este tipo de funcionamiento, que también puede darse en los IGFET. Se representa este FET por una línea llena entre los terminales D y S (Figura 2) que simboliza la continuidad citada.

FET de Canal Normalmente Abierto, o no conductor, o de "enriquecimiento" ("enhancement FET"): en este FET sin tensión en el gate no circula prácticamente corriente entre los terminales drain y source al aplicárseles tensión. Se simboliza con una línea de trazos entre drain y source. La manera de representarlos es la siguiente.

Figura 3 Figura 4

Por último, por la naturaleza del canal conductor, los transistores de efecto de campo pueden ser de dos tipos:

FET de Canal P: Los portadores mayoritarios que circulan por el canal son lagunas.

FET de Canal N: Los portadores que circulan por el canal son electrones.

Un MOS de canal P o "PMOS" se indica con una flecha dirigida hacia el sustrato, señalando que el mismo es de tipo N (figura 3), aunque el canal será de tipo P. Del mismo modo, un MOS tipo N o "NMOS" se indica con una flecha saliendo del sustrato (figura 4).