Apuntes Tema5: El Transistor Unipolar (FET) PDF

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Apuntes sobre el transistor efecto de campo o unipolar, donde podrás encontrar tanto el comportamiento físico de este elemento como su comportamiento en un circuito....

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Introducción FET (transistores de efecto de campo). Su antecedente es la válvula de vacío. Vamos a estudiar dos grandes grupos de transistores FET: • JFET (Transistores de efecto de campo de unión) ◦ Canal N ◦ Canal P • MOSFET (Transistores de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor) ◦ MOSFET enriquecimiento (Acumulación) ‣ Canal N ‣ Canal P ◦ MOSFET empobrecimiento (Deplexión) ‣ Canal N ‣ Canal P

Capítulo 1. Transistores JFET. 1-Estructura y símbolos. Canal N. La flecha va desde puerta hasta canal, que une drenador y fuente, en la puerta siempre se produce una unión PN. Entonces como la puerta es P y la fuente N la flecha siempre indice la unión PN.

La flecha hacia la puerta desde el canal. Va en dirección de a unión PN, ya que la puerta es N y el canal es P.

El canal que se ha generado tiene un aspecto parecido a un paralilepipedo, con una longitud l, un ancho y una sección S con una profundidad w. La l

Por lo tanto . Esta es la base de funcionamiento, a partir de tensiones externas a

2-Prinicipio de funcionamiento del JFET de canal. En primer lugar, hablábamos de que se generan dos uniones PN, si nos fijamos a n r Lo que ocurre es que la zona de agotamiento, se hace más a debido a que el producto e, es decir, región que es más dopada tiene una zona de agotamiento a y viceversa. Al cumplirse esto, así conseguimos que la zona de agotamiento z .

Sin embargo, en el momento que le apliamos una tensión al drenador respecto a la fuente, y aunque conectemos G a tierra siendo VGS=0, se va a producir que el potencial a la derecha del canal es mayor respecto a si nos vamos moviendo a la izquierda. Entonces si a lo largo del canal, la diferencia de potencial entre cualquier punto y la puerta va variando, el ancho de la zona de agotamiento va variando, así se deforma la zona de agotamiento con respecto a la situación de equilibrio, ensanchándose la zona más próxima cercana a la zona de mayor potencial positivo. Como no hay potencial constante a lo largo del canal aparece esa deformación en la zona de agotamiento. 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. Mientras el canal este creado a raíz de aplicar una tensión de por ejemplo de 2V, que no llegue a permitir que el canal se cierre, simplemente la zona de agotamiento se ensancha.

Mintras el canal exista tendrá un comportamiento lineal, conforme aumentamos VDS y lo comparamos con ID, obtendríamos una línea recta. De tal forma que, el comportamiento va a ser totalmente parecido al de una resistencia, entonces decimos que esta en regíon óhmica: Esto no tiene similitid en el transistor bipolar.

Llegará un momento que al aumentar la tensión, aumentará hasta que los transistores la zona de agotamiento se solape, y el canal se cierra. Se dice que el dispositivo a alcanzado la saturación. Esto se alcanza con una tensión: Donde Vp es la tensión de estrangulamiento, que es un parámetro especiífico y fijado para cada transistor JFET. A la cual el canal llega a estrangularse, la corriente ID que hemos visto su comportamiento lineal conforme aumenta VDS llegará un momento que se estabilizará con un valor IDSS que también es un valor específico del transistor, que es la corriente de saturación con VGS=0. Esto ocurre porque en el punto P con un potencial que se mantiene constante y atrae los e- que vienen de la Fuente, pasan a través de ese punto, que actua como un embudo, y llegan al drenador de una forma constante.

Si seguirmos aumentando VDS>Vp, aumentaría el solapamiento de las regiones de agotamiento, sin emabargo, la tensión del punto P se mantendría constante, y el número de electrones que va a traer a través de la fuente y que se van a colar por esa zona desprovista de carga y van a llegar hasta el drenador. Por lo tanto la zona anterior y esta respecto al comportamiento del dispositivo es prácticamente la misma, porque la corriente ya se ha estabilizado a su corriente de saturación

Por lo tanto podemos concluir viendo los resultados, que cuando VGS =0 tiene dos comportamientos: VDSVt(tambiíen es negativa) • La corriente de drenador es saliente

TABLA 6.2 Transistores de efecto de campo

Tipo

Símbolo y relaciones básicas

Curva de Transferencia

Resistencia y capacitancia de entrada

JFT (canal n)

Ri 7 100 MÆ Ci: 11 - 102 pF

MOSFET tipo empobrecimiento (canal n)

Ri 7 1010 Æ Ci: 11 - 102 pF

MOSFET

tipo enriquecimiento (canal n) (encendido) (encendido)

Ri 7 1010 Æ Ci: 11 - 102 pF

(encendido)

(encendido) (encendido) !

VGS (Th))2

(encendido)

MESFET

tipo empobrecimiento (canal n) Ri 7 1012 Æ Ci: 11 - 52 pF

MESFET

tipo enriquecimiento (canal n) Ri 7 1012 Æ Ci: 11 - 52 pF

(encendido)

(encendido) (encendido) !

VGS (Th))2 (encendido)

TABLA 7.1 Configuraciones de polarización del FET Tipo

Polarización fija del JFET

Configuración

Ecuaciones pertinentes

VDD RD

VGG –

VGSQ = -VGG VDS = VDD - ID RS

RG

Solución gráfica ID IDSS Punto Q

+ VDD RD

Autopolarización del JFET

VGS

VP VGG 0

RG

ID IDSS

VGS = -ID RS VDS = VDD - ID1RD + RS2

RS

I'D

Punto Q VP V' 0 GS

VDD

Polarización por medio del divisor de voltaje del JFET

R1

RD

R2

RS

VG =

VDS

VDD RD

Compuerta común del JFET RS –VSS

VGS = VSS - ID RS VDS = VDD + VSS - ID1RD + RS2

VP

VS = ID RS = VDD - IS RS

Polarización por medio del divisor de voltaje del MOSFET tipo empobrecimiento (y MESFET) Configuración por realimentación del MOSFET tipo enriquecimiento (y MESFET) Polarización por medio del divisor de voltaje del MOSFET tipo enriquecimiento (y MESFET)

440

I'D

Punto Q

ID Punto Q IDSS VGS = 0 V

IDQ = IDSS

RG

Q

VP VDD

RG

VGSQ = +VGG

IDSS

0 VGG

VP

R1

RD

R2

RS

RG

VDD

VDD RD

R2VDD R1 + R2 VGS = VG - IS RS = VDD - ID1RD + RS2

VP

VGS

ID

VG RS IDSS

VG =

VDS

VGS

0

ID Punto Q

VDS = VDD - ID RS

RS

VGS

VP V'GS 0

VGSQ = 0 V

JFET

Polarización fija de MOSFET tipo empobrecimiento (y MESFET)

VSS VGS

0

ID IDSS

VDD RD

VGG

VSS RS

Punto Q

VGS = -ID RS VD = VDD VDS

1VGSQ = 0 V2

VG VGS

0

VP

1RD = 0 Æ2

caso especial

VG RS

Punto Q

ID IDSS

VDD RD

JFET

R2VDD R1 + R2 VGS = VG - ID RS = VDD - ID1RD + RS2

VGS

ID IDSS

Punto Q

0

VG VGS

VDD ID RD

VGS = VDS VGS = VDD - ID RD

ID(encendido) Punto Q 0

VDD R1

RD

R2VDD VG = R1 + R2

R2

RS

VGS = VG - ID RS

VGS(Th)

VDD VGS VGS(encendido)

V G ID RS Punto Q 0

VGS(Th)

VG VGS

Comparación entre transistor Unipolar(BJT) y transistor bipolar (JFET)

Circuito CMOS. MOS complementario. Se puede establecer un dispositivo lógico muy efectivo construyendo un MOSFET de canal p y uno de canal n en el mismo sustrato. Observe el canal p inducido a la izquierda y el canal n inducido a la derecha para los dispositivos de canal p y n,respectivamente. La configuración se conoce como una disposición de MOSFET complementaria (CMOS); tiene gran aplicación en el diseño de lógica de computadora. La relativamente alta impedancia de entrada, las rápidas velocidades de conmutación y los bajos niveles de potencia de operación y sus altos niveles de itntegración los hace dispositivos muy importantes dentro de la eléctronica.

Para ambos tipos de MOSFET la longitud del canal (identificado en las figuras 6.50 y 6.53) deberá hacerse tan corto como sea posible para aplicaciones de alta velocidad. La longitud por lo general es de entre 0.1 "m y 1 mm.

6.13

TABLA DE RESUMEN

●

Como las curvas de transferencia y algunas características importantes varían de un tipo de FET a otro, la tabla 6.2 se desarrolló para mostrar con claridad las diferencias de un dispositivo al siguiente. El claro entendimiento de todas las curvas y parámetros de la tabla constituirá un fundamento suficiente para los análisis de cd y ca que siguen. Tómese un momento para asegurarse de que es capaz de reconocer cada curva y de entender su derivación y de luego establecer una base para comparar los niveles de parámetros importantes de Ri y Ci para cada dispositivo.

6.14 RESUMEN Conclusiones y conceptos importantes

●

1. Un dispositivo controlado por corriente es aquél en el cual una corriente define las condiciones de operación, en tanto que un dispositivo controlado por voltaje es aquél en el 2. El en realidad puede ser utilizado como un por su sensibilidad única a la impedancia del drenaje a la fuente al voltaje de la compuerta a la fuente. 3. La c 4. La to definido por

T se designa y ocurre cuando ocurre en el momento en que se da el .

5. La relación entre la definida por la 6.

(

) son características del dispositivo pro-

piamente dicho y 7. Cuando VGS # Vp!2, ID # IDSS!4; y en un punto donde ID # IDSS!2, VGS " 0.3 V. 8. El a la fuente determina las .

-

9. Los 10. El

están disponibles en uno de dos tipos: o tiene las n S. En este punto las características de un MOSFET tipo empobrecimiento

11. La flecha en o, en tanto que la de un . 12. Las das por la de la sitivo v

de un

están defini-

s , el

yu

-

.

GS

13. Siempre maneje los MOSFET con un cuidado adicional debido a la electricidad estática que existe en lugares donde menos lo esperamos. No quite ningún mecanismo de cortocircuito entre los alambres de conexión del dispositivo hasta que esté instalado. 14. Un dispositivo

S (MOSFET complementario) emplea una con un solo conjunto de cables de conexión externos. Ofrece las ventajas de u .

15. Un Los MESFET tipo enriquecimiento tienen las mismas características que los MOSFET tipo enriquecimiento. El resultado de esta semejanza es que se pueden aplicar a los MESFET las mismas técnicas de análisis de cd y ca que se aplicaron a los JFET.

RESUMEN 405

462 POLARIZACIÓN DE LOS FET

Cuando el sistema está encendido y la luz choca de forma consistente con la celda fotoconductora, la resistencia de ésta puede reducirse a 10 kÆ. A este nivel una aplicación de la regla del divisor de voltaje producirá un voltaje de aproximadamente 0.54 V en la compuerta (con el potenciómetro de 50 kÆ ajustado a 0 kÆ). El MOSFET se encenderá, pero no con un nivel de corriente de drenaje que hará que el relevador cambie de estado. Cuando alguien pase, la fuente luminosa se interrumpirá y la resistencia de la celda puede elevarse de inmediato (en microsegundos) a 100 kÆ. El voltaje en la compuerta se elevará entonces a 3 V, el MOSFET se enciende y el relevador se activa, lo cual enciende el sistema de control. Un circuito de alarma tiene su propio diseño de control para garantizar que no se apague cuando la luz regrese a la celda fotoconductora. Por consiguiente, lo fundamental es que tenemos una red de alta corriente controlada con un nivel de voltaje de cd relativamente pequeño y un diseño no muy caro. La única falla obvia del diseño es que el MOSFET permanecerá encendido aun cuando no haya una intrusión. Esto se puede remediar utiizando un diseño más complejo, pero tenga en cuenta que los MOSFET en general son dispositivos de bajo consumo de potencia, por lo que la pérdida de potencia, incluso con el tiempo, no es tan grande.

7.16

RESUMEN

●

Conclusiones y conceptos importantes 1. Una configuración de polarización fija tiene, como su nombre lo indica, un voltaje de cd fijo aplicado de la compuerta a la fuente para establecer un punto de operación. 2. La relación no lineal entre el voltaje de la compuerta a la fuente y de la corriente de drenaje de un JFET requiere que se utilice una solución gráfica o matemática (que implique la solución de dos ecuaciones simultáneas) para determinar el punto de operación quiescente. 3. 4. La configuración de autopolarización está determinada por una ecuación de VGS que siempre pasa por el origen. Cualquier otro punto determinado por la ecuación de polarización establecerá una línea recta para representar la red de polarización. 5. Para la configuración del divisor de voltaje siempre se puede suponer que la corriente de compuerta es de 0 A para que aísle la red del divisor de voltaje de la sección de salida. El voltaje de la compuerta a tierra resultante siempre será positivo para un JFET de canal n y negativo para uno de canal p. Los valores crecientes de RS producen valores quiescentes bajos de ID y valores más negativos de VGS para un JFET de canal n. 6. El método de análisis aplicado a los MOSFET tipo empobrecimiento es igual al que se aplica a JFETs con la única diferencia de un posible punto de operación con un nivel de ID por encima del valor de IDSS. 7. Las características y el método de análisis aplicado a los MOSFET tipo enriquecimiento son totalmente diferentes de los de los JFET y los MOSFET tipo empobrecimiento. Para valores de VGS menores que el valor de umbral, la corriente de drenaje es de 0 A. 8. Cuando analice redes con varios dispositivos, primero trabaje con la región de la red que proporcionará un nivel de voltaje o corriente mediante las relaciones básicas asociadas con esos dispositivos. Luego utilice ese nivel y las ecuaciones apropiadas para determinar otros niveles de voltaje o corriente de la red en la región circundante del sistema. 9. El proceso de diseño a menudo requiere encontrar un nivel de resistencia para establecer el nivel de voltaje o corriente deseado. Con esto en mente, recuerde que el voltaje a través de un resistor dividido entre la corriente define un nivel de resistencia a través de él. En el proceso de diseño, estas dos cantidades a menudo están disponibles para un elemento resistivo particular. 10. La habilidad de solucionar las fallas de una red requiere entender con claridad el comportamiento final de cada uno de los dispositivos que integran la red. Dicho conocimiento permitirá estimar los niveles de voltaje de trabajo de puntos específicos de la red, los cuales puede verificar con un voltímetro. La sección ohmímetro de un multímetro es en particular útil para asegurarse de que haya una conexión real entre todos los elementos de la red. 11. El análisis de los FET de canal p es igual al aplicado a los FET de canal n excepto que todos los voltajes tendrán la polaridad opuesta y las corrientes la dirección contraria....