TRANSITORES DE EFECTO DE CAMPO Field effect transistor

TRANSITORES DE EFECTO DE CAMPO (Field effect transistor, FET) INTRODUCCIÓN: q. Son dispositivos de estado sólido q. Tienen tres o cuatro terminales q. Es el campo eléctrico el que controla el flujo de cargas q. El flujo de portadores es de un único tipo ( o electrones ó huecos) q. Pueden funcionar en diferentes regiones de polarización q. Según en que región de polarización se encuentren, funcionan como: q. Resistencias controladas por tensión q. Amplificadores de corriente ó tensión q. Fuentes de corriente q. Interruptores lógicos y de potencia Tema 8. - Transistores de efecto de campo 1

INTRODUCCIÓN (Continuación) q. Hay de bastantes tipos, pero los mas importantes son los: MOSFET (Metal-óxido semiconductor) q. Normalmente tienen tres terminales denominados: q. Drenador q. Puerta q. Fuente ó surtidor q. Son dispositivos gobernados por tensión q La corriente de puerta es prácticamente nula (func. Normal) q. Utilizan un solo tipo de portadores de carga, (Por eso se llaman también unipolares): q. Electrones si son de canal N q. Huecos si son de canal P Tema 8. - Transistores de efecto de campo 2

COMPARACIÓN ENTRE FETs y BJTs ØLos FETs necesitan menos área del chip, y menos pasos de fabr. ØLos BJts pueden generar corrientes de salida mas elevadas para conmutación rápida con cargas capacitivas. ØLos FETs tiene una impedancia de entrada muy alta Ø En los Fets el parámetro de transconductancia (gm) es menor que en los BJts, y por lo tanto tienen menor ganancia. Tema 8. - Transistores de efecto de campo 3

DIFERENTES TIPOS DE TRANSISTORES FET Tema 8. - Transistores de efecto de campo 4

TRANSISTOR MOSFET DE CANAL N DE ENRIQUECIMIENTO Ó ACUMULACIÓN Tema 8. - Transistores de efecto de campo 5

TRANSISTOR MOSFET DE CANAL N (N-MOS) DE ENRIQUECIMIENTO Ó ACUMULACIÓN(CONT) Tema 8. - Transistores de efecto de campo 6

EL N-MOS DE ACUMULACIÓN (CONT) CREACIÓN DEL CANAL Tema 8. - Transistores de efecto de campo 7

EL N-MOS DE ACUMULACIÓN (CONT) ESTANGULACION DEL CANAL Tema 8. - Transistores de efecto de campo 8

N-MOS DE ENRIQUECIMIENTO EN REGIÓN ÓHMICA (CONT) Si: Entonces la corriente de drenador viene dada por: Tema 8. - Transistores de efecto de campo 9

N-MOS DE ENRIQUECIMIENTO EN REGIÓN ÓHMICA (CONT) Es decir: Donde: Siempre que se cumpla que: Y teniendo en cuenta que v. DG=v. DS-v. GS Es lo mismo que decir: siempre que se cumpla que: v. DS <v. GS- vt , además de v. GS> vt Tema 8. - Transistores de efecto de campo 10

EL N-MOS EN LA ZONA ÓHMICA: RESISTENCIA LINEAL CONTROLADA POR TENSIÓN En la zona óhmica, el mosfet se comporta como una resistencia controlada por la tensión puerta-surtidor. Par valores de VDS pequeños, el término V 2 DS puede despreciarse, y entonces: Siempre que se verifique: Tema 8. - Transistores de efecto de campo 11

FUNCIONAMIENTO EN LA REGIÓN DE SATURACIÓN (ZONA ACTIVA) LÍMITE DE REGIONES Cuando v. DS se hace igual a v. GS- vt , la anchura del canal se hace cero, y el dispositivo entra a funcionar en la zona de saturación (también llamada zona activa), y la corriente de drenador se hace constante Tema 8. - Transistores de efecto de campo 12

FUNCIONAMIENTO EN LA REGIÓN DE SATURACIÓN LÍMITE DE REGIONES (CONT) El límite de las dos regiones viene marcado por la igualdad: v. DS =v. GS- vt Y sustituyendo en la expresión de i. D : i. D=K (v. DS)2 = (k/2) (v. DS)2 , que es la parábola que fija la zona límite entre las dos regiones Tema 8. - Transistores de efecto de campo 13

FUNCIONAMIENTO EN LA REGIÓN DE SATURACIÓN (O TAMBIÉN LLAMADO ESTADO ACTIVO) Por tanto: Cuando v. DS >v. GS- vt , además de v. GS> vt el transitor está en la región de saturación, y entonces i. D se hace constante y vale: i. D=K (v. GS-vt)2 = (k/2) (v. GS-vt)2 Tema 8. - Transistores de efecto de campo 14

MODELOS DE GRAN SEÑAL PARA EL NMOS DE ENRIQUECIMIENTO Zona de Corte: v. GS<= (Vt>0) Zona óhmica: v. GS> vt y además: v. DS <v. GS- vt o lo que es lo mismo: v. DG<-Vt Característica de transferencia en la región De saturación (ó zona activa) Zona activa: v. DS >v. GS- vt , además de v. GS> vt Tema 8. - Transistores de efecto de campo 15

TRANSISTOR MOSFET DE CANAL N DE DEPLEXIÓN Es casi idéntico al de enriquecimiento. La única diferencia es que hay un delgado canal de semiconductor de tipo n que conecta la fuente y el drenador, antes de aplicar ninguna tensión a la puerta Tema 8. - Transistores de efecto de campo 16

TRANSISTOR MOSFET DE CANAL N DE DEPLEXIÓN (CONT) Observe en el símbolo que D y S están unidos por un trazo continuo Ahora aún con v. GS cero, existe un canal de conducción, y podrá haber corriente de circulación entre drenador y surtidor. Habrá que aplicar una tensión v. GS negativa para que el canal desaparezca y el transistor deje de conducir Tema 8. - Transistores de efecto de campo 17

TRANSISTOR MOSFET DE CANAL N DE DEPLEXIÓN (CONT) Tema 8. - Transistores de efecto de campo 18

TRANSISTOR MOSFET DE CANAL N DE DEPLEXIÓN (CONT): Salvo que la tensión umbral en los nmos de deplexión es negativa, las ecuaciones que describen su comportamiento en las diferentes zonas, son idénticas a las de los nmos de enriquecimiento Carcterística de transferencia en la Zona activa (ó región de saturación) Tensión umbral: vt esencialmente negativa IDSS= corriente de drenador para VGS=0 (en zona activa) Expresiones y zona límites idénticas a los NMOS de enriquecimiento Tema 8. - Transistores de efecto de campo 19

TRANSISTORES MOSFET DE CANAL P ØAhora el sustrato es semiconductor de tipo N, y los pozos drenador y fuente son de tipo P. ØAhora los portadores de corriente son huecos Tema 8. - Transistores de efecto de campo 20

TRANSISTOR MOSFET DE CANAL P (P-MOS), DE ENRIQUECIMIENTO ØEl transistor estará a corte si v. GS> vt ØEn los transistores P-MOS de enriquecimiento, Vt es esencialmente negativa Tema 8. - Transistores de efecto de campo 21

TRANSISTOR MOSFET DE CANAL P (P-MOS) DE DEPLEXIÓN ØEn los P-MOS de deplexión, previamente existe un canal de conducción de tipo P. Ø En los P-MOS de deplexión, Vt esencialmente positiva Tema 8. - Transistores de efecto de campo 22

TRANSISTOR MOSFET DE CANAL P (P-MOS) DE DEPLEXIÓN (CONT) Tensión umbral: vt esencialmente positiva IDSS= corriente de drenador para VGS=0 (en zona activa) Expresiones y zona límites idénticas a los PMOS de enriquecimiento Tema 8. - Transistores de efecto de campo 23

TRANSISTORES MOSFET DE CANAL P (CONT) circuitos equivalentes de gran señal ØLas definiciones de estados de los PMOS son las mismas que las de los N-MOS, salvo que el sentido de todas las desigualdades se invierte, y las corrientes drenador fuente se consideran positivas en sentido contrario (positivas de surtidor a drenador) Tema 8. - Transistores de efecto de campo 24

POLARIZACIÓN DE LOS TRANSISTORES MOSFET Análisis del Punto de Operación El procedimiento a seguir es idéntico al estudiado con los transistores bipolares. Existen dos posibilidades: q. Hallar el P. O. Cuando se conoce el estado del transistor. q. Hallar el P. O. Cuando el estado es desconocido ØEn el primer caso, en el circuito equivalente de continua, sustituiremos el transistor por su modelo , y realizaremos el análisis correspondiente. ØEn el segundo caso, al igual que hicimos con diodos y transistores bipolares, supondremos un estado, realizaremos el análisis correspondiente, y posteriormente comprobaremos si los resultados de corrientes y tensiones obtenidos son coherentes con el estado supuesto del transistor Tema 8. - Transistores de efecto de campo 25

POLARIZACIÓN DE LOS TRANSISTORES MOSFET Análisis de transistores en estado activo En el circuito equivalente de continua sustituimos el mosfet por su modelo de gran señal en la zona activa: i. D=K (v. GS-vt)2 = (k/2) (v. GS-vt)2 i. G=0; ID=IS Que junto a las ecuaciones impuestas por la red de polarización (ecuaciones de polarización) Da lugar a resolver dos ecuaciones, una de ellas cuadrática, con dos incógnitas, que matemáticamente tiene dos posibles soluciones (P. O. ), de los cuales, solamente una de ellas tendrá significado físico Tema 8. - Transistores de efecto de campo 26

POLARIZACIÓN DE LOS TRANSISTORES MOSFET Análisis de transistores en estado activo (cont) [1] i. D=K (v. GS-vt)2 = (k/2) (v. GS-vt)2 i. G=0; ID=IS [1] y [2] dan lugar a resolver dos ecuaciones, una de ellas cuadrática, con dos incógnitas, que dará lugar matemáticamente a dos posibles soluciones (P. O. ), de los cuales, solamente uno de ellos tendrá significado físico Tema 8. - Transistores de efecto de campo 27

ANÁLISIS DE TRANSISTORES EN ESTADO DESCONOCIDO Se sigue el mismo procedimiento que con los transistores bipolares: 1º) Hacer una suposición sobre el estado de cada transistor. 2º) Reemplazar cada transistor con el modelo apropiado. 3º) Utilizar los resultados del análisis y las definiciones de estados para confirmar cada estado del transistor. 4º) Si hay alguna contradicción, hacer una nueva suposición y repetir el análisis. (Ver ejemplos del Malik Capítulo 5) Tema 8. - Transistores de efecto de campo 28

RESISTENCIAS FET Y LINEAS DE CARGA NO LINEALES En circuitos integrados donde se necesiten resistencias de elevado valor, fabricadas mediante proceso de difusión, éstas ocupan excesivo espacio. Una alternativa ampliamente utilizada es utilizar transistores de efecto de campo como resistencias no lineales, para lo que sirven tanto transistores de enriquecimiento como transistores de deplexión. Ahora la relación I-V en lugar de ser una recta como lo es en una resistencia lineal, será una parábola. Tema 8. - Transistores de efecto de campo 29

RESISTENCIAS NO LINEALES DE ENRIQUECIMIENTO CONEXIÓN BÁSICA: Si en un NMOS de enriquecimiento, unimos la puerta con el drenador, el dispositivo tendrá ahora dos terminales. Para v. R=v. GS<= vt, el transistor no está en conducción, y por tanto i. R=0. Cuando v >= V , el está en R t conducción y además en la zona activa (saturación), ya que se cumple la desigualdad VDG>-Vt i. R=K (v. R-vt)2 = (k/2) (v. R-vt)2 Aunque la característica i-v es una cuadrática en vez de una exponencial, se puede hablar de “transistor conectado como diodo” Tema 8. - Transistores de efecto de campo 30

RESISTENCIAS NO LINEALES DE ENRIQUECIMIENTO (CONT) CONEXIÓN CON FUENTE DE POLARIZACIÓN: La figura muestra una variación que utiliza una fuente de polarización externa. Con VGS=VR+Vt , , si VR<=0 el transistor no está en conducción; si VR >=0 el transistor está en conducción y en la zona activa. En c. i. es muy fácil modificar las características variando la relación W/L. Tema 8. - Transistores de efecto de campo 31

RESISTENCIAS NO LINEALES DE DEPLEXIÓN En la figura se muestra un NMOS de deplexión con la puerta y el surtidor conectados entre si. La característica I-V será la correspondiente a la del transistor, para VGS=0. Cuando VR=VDG <= -Vt (Vt es negativo en lo transistores de deplexión) El dispositivo es óhmico. Cuando VR=VDG >-Vt el dispositivo se comportará como una fuente de corriente constante Tema 8. - Transistores de efecto de campo 32

DIVISORES DE TENSIÓN MOS Las resistencias de enriquecimiento crean divisores de tensión que ocupan poco espacio en el chip y manejan corrientes bajas. En la figura a), la tensión vx puede ajustarse fácilmente en función de las dimensiones w 1 , L 1 y w 2, L 2 de los transistores M 1 y M 2, con el adecuado diseño de las máscaras Análogamente para conseguir dos o mas tensiones , tal como se indica en al figura b) Todas ellas estarán comprendidas dentro de los valores de las alimentaciones. Tema 8. - Transistores de efecto de campo 33

TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO CON PUERTA DE UNIÓN En este tipo de transistores, al contrario que en los MOS, la puerta no está aislada galvánicamente. Siguen siendo transistores unipolares, y la conductividad del canal se controla mediante una tensión aplicada a la unión puerta-fuente polarizada inversamente Existen dos tipos fundamentales de transistores FET con puerta de unión: ØLos MESFET ó FETs metal-semiconductor, donde el canal es un semiconductor compuesto, como arseniuro de galio, la puerta un metal, y el interfase puerta-canal una unión Schottky. ØLos J-FETs, donde la puerta y el canal consisten en Si dopado de forma inversa, y una unión PN polarizada inversamente forma la interfase puerta-canal Tema 8. - Transistores de efecto de campo 34

TRANSISTORES MESFET ØAprovechan la alta movilidad del electrón en el arseniuro de galio. Ø El resultado es un dispositivo muy superior en velocidad pero inferior en densidad de integración, y actualmente mucho mas caro que los transistores de Si. ØSe utiliza principalmente en circuitos lineales que funcionan a frecuencias de microondas, y en circuitos digitales de altísima velocidad. ØSu funcionamiento se asemeja al Mosfet de deplexión Tema 8. - Transistores de efecto de campo 35

TRANSISTORES MESFET (CONT) Tema 8. - Transistores de efecto de campo 36

TRANSISTORES JFET El transistor de efecto de campo de unión (JFET: junction field-effect transsitor) de canal N consiste en un canal semiconductor de tipo N contactos óhmicos en cada extremo , llamados drenador y fuente (ó surtidor). A los lados del canal hay regiones de material semiconductor tipo P Conectadas eléctricamente entre si y al terminal denominado puerta. La unión PN entre puerta y el canal es similar a la unión PN de un diodo. En las aplicaciones normales , esta unión debe estar polarizada inversamente. Tema 8. - Transistores de efecto de campo 37

TRANSISTOR J-FET DE CANAL N (CONT) Cuanto mas negativa es la tensión inversa de polarización de una unión PN, mas ancha se hace la zona de deplexión (no conductora, libre de cargas), y por tanto en este caso mas se estrecha el canal conductor Tema 8. - Transistores de efecto de campo 38

TRANSISTOR J-FET DE CANAL N (CONT) q. Cuando la zona no conductora ocupa toda la anchura del canal, decimos que ocurre un fenómeno llamado de estrangulamiento. q. La tensión de estrangulamiento Vto (VP) es valor necesario de la tensión puerta - canal para que desaparezca el canal conductor Tema 8. - Transistores de efecto de campo 39

TRANSISTOR J-FET DE CANAL N (CONT) q. La tensión de estrangulamiento Vto (Vp), es el valor necesario de la tensión puerta - canal para que desaparezca el canal conductor. q. En los JFET de canal N ésta tensión es esencialmente negativa: En funcionamiento normal, la tensión VGS debe ser: Vto<=VGS<=0 q. En los JFET de canal N, el drenador es positivo respecto a la fuente. q. La corriente entra por el drenador y sale por la fuente. q. Como la resistencia del canal depende de la tensión puerta-fuente, la corriente de drenador se controla con VGS Tema 8. - Transistores de efecto de campo 40

CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UN JFET DE CANAL N El J-FET es un dispositivo de tres estados: Zona de corte si : entonces: ID=IS=0 El límite entre la zona óhmica y la activa viene marcada en viene marcada por la igualdad VDG=-VP Tema 8. - Transistores de efecto de campo 41

ZONAS DE FUNCIONAMIENTO DE UN JFET DE CANAL N El JFET es un dispositivo muy parecido a los MOSFET. A tensiones VDS pequeñas, el dispositivo funciona como una resistencia controlada por la tensión VGS Cuando VDS alcanza tensiones suficientemente elevadas, es decir cuando : Entonces polarización inversa de drenador es tan grande que el canal se estrangula, y un incremento adicional de VDS no afecta demasiado a la corriente de drenador, al igual que ocurre con los transistores MOSFET, el JFET entra en el estado activo, también llamado zona de saturación del canal. La corriente se hace prácticamente constante Tema 8. - Transistores de efecto de campo 42

ESTADO ÓHMICO DEL TRANSISTOR JFET El JFET de canal N, se encuentra en el estado óhmico o zona óhmica si: Entonces, la corriente de drenador viene dada por la expresión: Donde β (K), tiene la expresión: W, L, t, son la anchura, longitud, y espesor del canal. µn la movilidad de los electrones, ND la concentración del dopado, y εSi la constante dieléctrica del silicio Tema 8. - Transistores de efecto de campo 43

Resistencia del JFET controlada por tensión Si en la ecuación: v. DS es tan pequeño que el término cuadrático es despreciable, entonces: Esta expresión se podrá considerar válida si: Discusión interpretativa: Compare la definición dada de RN-JFET con la de resistencia dinámica rd, JFET, : Tema 8. - Transistores de efecto de campo 44

ESTADO ACTIVO DEL TRANSISTOR JFET El JFET de canal N, se encuentra en el estado activo o zona de saturación del canal si: (VP negativo en los JFET N) Entonces, la corriente de drenador viene dada por la expresión: La corriente i. D que circula cuando VGS es igual a cero y el transistor está en estado activo, se denomina IDSS es un parámetro que suele aparecer en las hojas de características, junto con VP, de los cuales se puede deducir β Tema 8. - Transistores de efecto de campo 45