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TRANSISTOR FET Transistor JFET de canal n En la figura se observa que la parte principal de la estructura es el material tipo n, el cual forma el canal entre las capas incrustadas de material p. La parte superior del canal tipo n está conectada mediante un contacto óhmico a un material conocido como drenaje (D), en tanto que el extremo inferior del mismo material está conectado mediante un contacto óhmico a una terminal conocida como fuente (S). Los dos materiales tipo p están conectados entre sí y a la terminal de compuerta (G). En esencia, por consiguiente, el drenaje y la fuente están conectados a los extremos del canal tipo n y la compuerta a las dos capas de material tipo p. Sin potenciales aplicados, el JFET tiene dos uniones p-n en condiciones sin polarización. El resultado es una región de empobrecimiento en cada unión.

Figura 1: Transistor JFET de canal n

Transistor JFET de canal P El JFET de canal p se construye exactamente de la misma manera que el dispositivo de canal n, con los materiales p y n invertidos, como se muestra en la figura. Las direcciones de la corriente definidas están invertidas, del mismo modo que las polaridades reales de los voltajes y . Para el dispositivo de canal p, el canal se estrechará al incrementarse el voltaje positivo de la compuerta a la fuente y la notación de doble subíndice producirá voltajes negativos para .

Figura 2: Transistor JFET de canal p

Símbolos

Los símbolos gráficos para los JFET de canal n y de canal p se dan en la figura. La flecha apunta hacia dentro para el dispositivo de canal n para representar la dirección en la cual IG fluiría si la unión p-n se polarizará en directa. Para el dispositivo de canal p la única dirección en el símbolo es la dirección de la flecha.

Figura 3: a) tipo n b) tipo p

Características de transferencia Derivación La ecuación de Shockley define la relación entre y

El término al cuadrado en la ecuación produce una relación no lineal entre y , la cual genera una curva que crece exponencialmente con la magnitud decreciente de Podemos obtener la curva de transferencia utilizando la ecuación de Shockley:

Figura 4: Curva de transferencia a partir de las características de drenaje

En la figura aparecen dos gráficas, con la escala vertical en miliamperes en cada una. Una de ellas es una gráfica de contra , en tanto que la otra es contra VGS. Con las características de drenaje de la derecha del eje “y”, podemos trazar una línea horizontal de la región de saturación de la curva denotada al eje . El nivel de corriente resultante para ambas gráficas es El punto de intersección en la curva de contra será como se muestra, puesto que el eje vertical se define como Aplicaciones -

Amplificador Conmutador analógico Multiplexado Troceadores

-

Amplificador de aislamiento Amplificador de bajo ruido Resistencia controlada por voltaje Control de ganancia automático

Ventajas y Desventajas Ventajas: -

Son dispositivos controlados por tensión con una impedancia de entrada muy elevada (107 a 1012 ohmios). Los FET generan un nivel de ruido menor que los BJT. Los FET son más estables con la temperatura que los BJT. Los FET son más fáciles de fabricar que los BJT pues precisan menos pasos y permiten integrar más dispositivos en un CI. Los FET se comportan como resistencias controlados por tensión valores pequeños de tensión drenaje-fuente. La alta impedancia de entrada de los FET les permite retener carga el tiempo suficiente para permitir su utilización como elementos de almacenamiento. Los FET de potencia pueden disipar una potencia mayor y conmutar corrientes grandes.

Desventajas: -

Los FET presentan una respuesta en frecuencia pobre debido a la alta capacidad de entrada. Los FET presentan una linealidad muy pobre, y en general son menos lineales que los BJT. Los FET se pueden dañar debido a la electricidad estática. En este apartado se estudiarán brevemente las características de ambos dispositivos orientadas principalmente a sus aplicaciones analógicas. Ejercicio Trace la curva de transferencia para un dispositivo de canal p

Figura 5: Curva de transferencia

En

. Ambos puntos de gráficas aparecen en la figura junto con los puntos definidos por

TRANSISTOR MOSFET Definición •

Su nombre significa “Metal -Oxido -Semiconductor - FET” o transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico.

•

Es un dispositivo de cuatro terminales: el drenador (D) la puerta (G) el surtidor o fuente (S) y el sustrato (B); utilizado para amplificar o conmutar señales electrónicas.

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Es el transistor más utilizado en la industria microelectrónica, ya sea en circuitos analógicos o digitales. Prácticamente la totalidad de los microprocesadores comerciales están basados en transistores MOSFET.

•

Los MOSFET se dividen en tipo empobrecimiento y tipo enriquecimiento. Los términos empobrecimiento y enriquecimiento definen su modo básico de operación

ESTRUCTURA MOS La estructura MOS se compone de dos terminales y tres capas: Un SUBSTRATO de silicio, puro o poco dopado p o n, sobre esta se coloca una capa de METAL (Aluminio o poli silicio), que posee características conductoras. En la parte inferior se coloca un contacto óhmico, como se muestra a continuación.

La estructura MOS actúa como un condensador de placas paralelas en el que G y B son las placas y el óxido el aislante. De este modo: La figura muestra la estructura de dos transistores MOS, tipo N y P respectivamente. Así, para un transistor tipo N (electrones en conducción) el dopaje del sustrato es tipo P. Mientras que en el transistor tipo P (huecos en conducción) el dopaje es tipo N.

MOSFET DE EMPOBRECIMIENTO El MOSFET tipo empobrecimiento, es el que se estudiará, ya que sus características son parecidas a las de un JFET entre las condiciones de corte y saturación con IDSS y también adicionalmente tiene las características que se extienden hasta la región de polaridad opuesta de VGS. MOSFET de empobrecimiento tipo n Construcción básica La capa aislante de SiO2 en la construcción de un MOSFET es la responsable de la muy deseable alta impedancia de entrada del dispositivo.

•

La resistencia de entrada de un MOSFET es más que la de un JFET típico, aun cuando la impedancia de entrada de la mayoría de los JFET es suficientemente alta en la mayoría de las aplicaciones.

•

Debido a la muy alta impedancia de entrada, la corriente de compuerta IG es en esencia de 0 A para configuraciones polarizadas de cd.

•

La capa aislante entre la compuerta y el canal dio origen a otro nombre para el dispositivo FET: compuerta aislada, o IGFET, aunque esta designación cada vez se utiliza menos en la literatura.

Operación y características básicas

Curvas de drenaje y transferencia

•

A menudo se le conoce como región de enriquecimiento, y a la región entre los niveles de corte y saturación de IDSS como región de empobrecimiento.

•

Es particularmente interesante y conveniente que la ecuación de Shockley continúe siendo aplicable en el caso de las características de los MOSFET tipo empobrecimiento tanto en la región de empobrecimiento como en la de enriquecimiento. Para ambas regiones, sólo se requiere incluir el signo apropiado con VGS en la ecuación y que el signo se monitoree con cuidado en las operaciones matemáticas.

MOSFET tipo empobrecimiento de canal P •

El sustrato es de tipo n y el canal de tipo p

•

Las terminales no cambian, pero las polaridades del voltaje y las direcciones de corrientes se invierten.

•

Las polaridades de VGS tienen las polaridades opuestas como se muestra en la figura

•

La corriente de drenaje se incrementara desde el valor de corte VGS=Vp en la región positiva de VGS hasta IDSS.

•

Continuara incrementándose con los valores negativos crecientes de VGS

MOSFET DE ENRIQUECIMIENTO MOSFET tipo enriquecimiento de canal N Si bien existen algunas semejanzas en la construcción y modo de operación entre los MOSFET tipo empobrecimiento y los tipo enriquecimiento, las características del MOSFET tipo enriquecimiento son muy diferentes de cualesquiera otras obtenidas hasta ahora. Construcción básica •

La fuente y el drenaje se conectan de nuevo mediante contactos metálicos a regiones tipo n dopadas, pero observe que en la figura no hay un canal entre las dos regiones tipo n dopadas. Ésta es la diferencia principal entre la construcción de los MOSFET tipo empobrecimiento y los tipo enriquecimiento: la ausencia de un canal como componente construido del dispositivo.

Operación y características básicas En la figura tanto VDS como VGS se ajustaron a un determinado voltaje positivo de más de 0 V, para establecer el drenaje y la compuerta a un potencial positivo con respecto a la fuente. El potencial positivo en la compuerta ejercerá presión en los huecos (puesto que las cargas semejantes se repelen) en el sustrato p a lo largo del borde de la capa de SiO3 para que abandonen el área y lleguen a regiones más profundas del sustrato p, como se muestra en la figura.

Características de drenaje de un MOSFET tipo enriquecimiento Para valores de VGS menores que el nivel de umbral, la corriente de drenaje de un MOSFET tipo enriquecimiento es de 0 mA.

Trazo de las características de transferencia de un MOSFET tipo enriquecimiento de canal n a partir de las características de drenaje.

MOSFET tipo enriquecimiento de canal P •

La construcción de un MOSFET tipo enriquecimiento de canal p es como se muestra en la figura. Es decir, ahora hay un sustrato tipo n y regiones tipo n dopadas bajo las conexiones del drenaje y la fuente. Las terminales no cambian, pero todas las polaridades del voltaje y las direcciones de la corriente se invierten.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS MOSFET Ventajas •

Consumo en modo estático muy bajo.

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Gran capacidad de integración debido a su reducido tamaño.

•

Funcionamiento por tensión, son controlados por voltaje por lo que tienen una impedencia de entrada muy alta. La intensidad que circula por la puerta es del orden de los nanoamperios.

•

Un circuito realizado con MOSFET no necesita resistencias, con el ahorro de superficie que conlleva.

•

La velocidad de conmutación es muy alta, siendo del orden de los nanosegundos.

•

Cada vez se encuentran más en aplicaciones en los convertidores de alta frecuencias y baja potencia.

Desventajas •

Una de las desventajas del MOSFET típico son los niveles de manejo de potencia reducidos (en general, menores que 1 W) comparados con los transistores BJT

•

Tienen problemas de descarga electrostática y requiere un embalaje especial

•

Es relativamente difícil su protección

•

Son mas caros que sus equivalente bipolares

•

La diferencia estática entre Drenador-Surtidor, es mas grande, lo que provoca mayores perdidas de potencia cuando trabaja en Conmutación APLICACIONES DEL MOSFET

Los MOSFET de potencia son muy populares para aplicaciones de baja tensión, baja potencia como: •

fuentes de alimentación conmutadas

•

motores sin escobillas

•

robótica

•

CNC y electrodomésticos

•

Mezcladores de frecuencia

EJERCICIO Trace las características para un MOSFET tipo empobrecimiento de canal n con IDSS = 10 mA y Vp = -4 V. SOLUCIÓN

Estos valores se encuentran en la gráfica a continuación.

Antes de trazar la curva de la región positiva de VGS tenga en cuenta que ID se incrementa muy rápido con los valores crecientes positivos de VGS. En otras palabras, sea conservador al seleccionar los valores a sustituir en la ecuación de Shockley. En este caso, probamos 1 V como se muestra:

Este valor es lo suficientemente grande para finalizar el trazado....