INSTITUTO TECNOLOGICO DE NOGALES

Diseño con transistores

Tarea de investigación de transistores FET

PRESENTA:José Arturo Rascón Martínez

No. Control: 11340158

Ingeniería en electrónica

Profesor: Jorge Alberto Baturoni Encinas

H. Nogales, Sonora, México. Febrero 2014

Índice

Índice...........................................................2Transistores FET.................................................3Tipos y estructuras de JFET.....................................3Símbolos........................................................4Polarización....................................................4Principio de operación de JFET..................................5Influencia de VGS...............................................8Grafica característica..........................................9Zona de corte o de no conducción..............................9Zona óhmica o de no saturación................................9Zona de saturación o de corriente constante...................9

Transistores de efecto de campo metal óxido semiconductor (MOSFET)................................................................10MOSFET de acumulación..........................................10Símbolos.......................................................11Polarización...................................................12Influencia de VGS..............................................12Influencia de VDS..............................................13Zona de corte o de no conducción.............................15Zona óhmica o de no Saturación...............................15Zona de saturación o de corriente constante..................15Zona de ruptura..............................................16

MOSFET de deplexión............................................16Estructura básica............................................16Símbolos.....................................................16Polarización.................................................17

Principios de funcionamiento.................................18Curva característica.........................................19

Mapa Conceptual.................................................20Amplificador en Cascada.........................................21El Arreglo Darlington...........................................23

Polarizacion en cd de un circuito darlington.................23

Transistores FET

El transistor bipolar es un dispositivo muy versátil y degran uso, pero presenta un gran inconveniente. Sin el uso deun gran número de componentes, su impedancia de entrada esrelativamente baja. Esta característica presentainconvenientes al diseñador, cuando la etapa de entrada oalimentación requiere ver una alta resistencia. Aquí es dondeel transistor de efecto de campo (FET) tiene una cabidaperfecta, pues su impedancia de entrada es del orden deMegaohms. Además presenta menos ruido interno que eltransistor bipolar.

Entre los transistores FET (Field Effect Transistor) podemosdistinguir dos grandes tipos:

*Transistor de Efecto de Campo de Unión: JFET (Junction FieldEffect Transistor)

* Transistor de Efecto de Campo Metal - Óxido -Semiconductor: MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor)

Tipos y estructuras de JFET

Las terminales del FET son conocidas como: Drenaje (drain),compuerta (gate) y fuente (source). La región que estácomprendida entre las dos porciones de semiconductores que

forman la compuerta, recibe el nombre de canal. Este puedeser tipo N o tipo P, mientras que la compuerta está hecha delmaterial opuesto.

La estructura y representación esquemática del JFET es lasig:

Símbolos

Como podemos observar, la diferencia en el símbolo entreambos tipos reside en el sentido de la flecha del terminal depuerta (G). En el JFET de canal n el terminal de puerta serepresenta con una flecha entrante al dispositivo, mientrasque en el de canal p es saliente. Recordar que el sentido dela flecha indica el sentido de circulación de la corriente si

la unión pn correspondiente estuviera polarizada en directa.

Polarización

Para el funcionamiento más habitual, los transistores decanal n se polarizan aplicando una tensión positiva entredrenador y fuente (VDS) y una tensión negativa entre puerta yfuente (VGS). De esta forma, la corriente circulará en elsentido de drenador a fuente. En el caso del JFET de canal pla tensión VDS a aplicar debe ser negativa y la tensión VGSpositiva, de esta forma la corriente fluirá en el sentido dela fuente hacia el drenador.

Para explicar el funcionamiento, de forma cualitativa, deltransistor JFET vamos a aplicarle las tensiones VGS y VDS taly como se han indicado anteriormente y recordando que nosestamos centrando en los JFET de canal n. (Solo basta coninvertir las polaridades de las fuentes para que lo tratadoaplique al JFET canal P.

Principio de operación de JFET

En primer lugar vamos a estudiar el efecto que sobre eldispositivo tiene la variación de la tensión VDS aplicadaentre los extremos del canal. Para ello vamos a suponer queinicialmente la tensión VGS = 0 y vamos a ir aumentando elvalor de VDS desde 0.

Al establecer una tensión VGS = 0 los terminales de fuente ypuerta están al mismo potencial, por tanto la zona dedeplexión del lado de la fuente será semejante a la queteníamos en condiciones de no polarización. En el instante enque apliquemos una tensión VDS, los electrones se veránatraídos hacia el lado del drenador, estableciéndose unacorriente ID en el sentido mostrado.

Bajo estas condiciones las corrientes ID e IS serán iguales yse verán únicamente limitadas por la resistencia eléctricaque presenta el canal entre el drenador y la fuente. Esimportante notar que ambas uniones p-n se encuentranpolarizadas en inversa, con lo cual la corriente a su travésserá prácticamente nula.

Cuando aplicamos una tensión VDS (por ejemplo 2 V) esta sedistribuirá a lo largo del canal, que en un principio y paratensiones pequeñas, podemos suponer uniforme. De esta forma,si nos fijamos en la polarización inversa de las uniones p-n,podemos observar cómo éstas están más inversamentepolarizadas de la zona del drenador que de la zona de lafuente. Si recordamos que la anchura de la zona de carga deespacio en una unión p-n polarizada en inversa es tanto mayorcuanto mayor sea dicha polarización inversa, tendremos que laanchura de estas zonas deplexión son tanto mayores cuanto máscerca del drenador nos encontremos, o lo que es lo mismo, laanchura efectiva del canal será menor en la parte deldrenador que en la parte de la fuente.

Para valores pequeños de la tensión VDS aplicada, elestrechamiento del canal no será importante, por lo que eldispositivo se comporta, en esencia, como una resistencia deforma que la relación entre la tensión aplicada y lacorriente que circula por el dispositivo será lineal tal ycomo establece la Ley de Ohm. Sin embargo, a medida queaumentamos la tensión aplicada, el estrechamiento del canalse va haciendo más importante, lo que lleva consigo unaumento de la resistencia y por tanto un menor incremento enla corriente ante un mismo incremento de la tensión aplicada

Si continuamos aumentando la tensión VDS, el canal seestrecha cada vez más, especialmente cerca de la zona deldrenador, hasta que ambas zonas de deplexión de tocan.

La tensión VDS para la cual se produce el estrangulamientodel canal se denomina VDSsat . Para tensiones VDS aplicadassuperiores a este valor, la pendiente de la curva (ID - VDS)se satura, haciéndose aproximadamente cero, manteniéndose lacorriente ID prácticamente constante a un valor denominadoIDSS (Corriente drenador - fuente de saturación) que es lamáxima corriente que podemos tener para un determinado JFET(característico para cada JFET).

Influencia de VGS. Una vez establecida la variación de la corriente ID por eldispositivo en función de la tensión VDS cuando VGS = 0, paracompletar el análisis, tenemos que estudiar el comportamientodel JFET para tensiones VGS aplicadas menores que cero (porser JFET de canal n). El funcionamiento del JFET para valoresde VGS < 0 es muy similar al que tiene con VGS = 0, conalguna pequeña modificación.

Grafica característica

Zona de corte o de no conducción. Se corresponde con el eje horizontal de la gráfica. En estazona la corriente ID = 0 con independencia del valor VDS.Esto se da para valores de VGS ≤ VGSoff, donde el canal estácompletamente cerrado.

Zona óhmica o de no saturación. Se da para valores de VDS inferiores al de saturación, esdecir, cuando VDS ≤ VGS - VGSoff . Para estos valores detensión el canal se va estrechando de la parte del drenador,principalmente, hasta llegar al estrangulamiento completopara VDSsat.

En esta zona el transistor se comporta aproximadamente comouna resistencia variable controlada por la tensión de puerta,sobre todo para valores pequeños de VDS, ya que a medida quenos aproximamos al valor de VDSsat, y para cada valor de VGSse va perdiendo la linealidad debido al estrechamiento delcanal que se aproxima al cierre.

Zona de saturación o de corriente constante. Esta zona se da para valores VDS > VDSsat . Ahora lacorriente ID permanece invariante frente a los cambios de VDS

(suponiendo la hipótesis de canal largo) y sólo depende de latensión VGS aplicada. En esta zona el transistor se comportacomo una fuente de corriente controlada por la tensión depuerta VGS.

La relación entre la tensión VGS aplicada y la corriente IDque circula por el canal en esta zona vienedada por la siguiente ecuación:

Transistores de efecto de campo metalóxido semiconductor (MOSFET)

Visto el transistor JFET vamos ahora a ver el otro gran grupode transistores de efecto de campo: Los transistores MOSFET.Vamos a ver que existen dos tipos de transistores MOSFET.

MOSFET de acumulación o de enriquecimiento MOSFET de deplexión o empobrecimiento

MOSFET de acumulación

Estructura: para un MOSFET de canal n, partimos de una zonade material semiconductor tipo p en la que aparecen dos zonastipo n+ con contactos metálicos a los terminales de drenadory fuente. La zona roja representada corresponde a una capa dematerial aislante, en este caso óxido de silicio. Por tanto,si nos fijamos en el terminal de puerta, vemos como tenemosuna zona metálica (correspondiente al contacto óhmico) unazona de óxido y una zona de semiconductor. Es precisamentedebido a esta estructura de dónde le viene el nombre aldispositivo de Metal – Óxido – Semiconductor (MOS). Además,este dispositivo tendría un cuarto terminal, el terminal delSustrato (SS), aunque habitualmente éste se encuentraconectado a la fuente.}

A diferencia del JFET, las zonas de carga de espacio nojuegan un papel primordial en el funcionamiento deldispositivo.

Símbolos

Notar dos aspectos significativos del símbolo, en primerlugar que el terminal de puerta no tiene conexión con elresto de terminales, ya que tal y como hemos vistoanteriormente, está aislado eléctricamente del resto deldispositivo. En segundo lugar que los terminales de drenadory fuente están unidos a través de una línea discontinua, estalínea hace referencia al canal que se va a formar. De nuevo,la flecha indica el sentido en que circularía la corriente enel caso de que la unión pn estuviera polarizada en directa.

Polarización

Los transistores MOSFET de acumulación de canal n sepolarizan aplicando una tensión positiva entre drenador yfuente (VDS) y una tensión positiva entre puerta y fuente(VGS). De esta forma, la corriente circulará en el sentido dedrenador a fuente. En el caso del MOSFET de acumulación decanal p la tensión VDS a aplicar debe ser negativa y latensión VGS negativa, de esta forma la corriente fluirá en elsentido de la fuente hacia el drenador.

Influencia de VGS. A diferencia de lo hecho con el JFET, vamos a comenzar eneste caso con el efecto de la influencia de la tensión VGS .Para ello vamos a suponer en un principio VDS = 0

En primer lugar, si aplicamos una tensión VGS =0, aunqueapliquemos una tensión VDS no circulará corriente alguna por

el dispositivo, ya que la unión de drenador está polarizadaen inversa.

Sin embargo, cuando VGS >0 aparece un campo eléctrico quelleva a los electrones hacia la zona de la puerta y aleja dedicha zona a los huecos, no pudiéndose establecer unacorriente por estar la puerta aislada. Para valores pequeñosde esta tensión VGS aplicada se creará una zona de carga deespacio (sin portadores), sin embargo, si seguimos aumentandoel valor de esta tensión, la acumulación de electrones sehará lo suficientemente importante como para decir quetenemos una zona n, es decir, se formará un canal de tipo nque unirá los terminales de drenador y fuente.

Influencia de VDS. Si una vez que se ha formado el canal aplicamos una tensiónpositiva, por el canal circulará una corriente ID en elsentido del drenador hacia la fuente. Si ahora nos fijamos enla relación de tensiones VDS = VGS - VGD , al ser VDS > 0

tendremos que VGD < VGS , por lo tanto la anchura del canalserá menor del lado del drenador.

De nuevo el comportamiento es el mismo que hemos vistoanteriormente para el JFET. Para valores de tensión VDSpequeños, el estrechamiento del canal no será importante, porlo que la relación entre la tensión aplicada y la corrienteque circula será lineal tal y como establece la Ley de Ohm. Amedida que el valor de VDS aumente, el estrechamientocomenzará a ser importante, variando la resistencia quepresenta el canal y perdiendo la linealidad de lacaracterística.

Zona de corte o de no conducción. Se corresponde con el eje horizontal de la gráfica. En estazona la corriente ID = 0 con independencia del valor VDS.Esto se da para valores de VGS VT, donde el canal no estácompletamente formado.

Zona óhmica o de no Saturación. Se da para valores de VDS inferiores al de saturación, esdecir, cuando

VDS ≤ VGS - VT Para estos valores de tensión el canal se vaestrechando de la parte del drenador, principalmente, hastallegar al estrangulamiento completo para VDSsat.

En esta zona el transistor se comporta aproximadamente comouna resistencia variable controlada por la tensión de puerta,sobre todo para valores pequeños de VDS, ya que a medida quenos aproximamos al valor de VDSsat, y para cada valor de VGSse va perdiendo la linealidad debido al estrechamiento delcanal que se aproxima al cierre.

Zona de saturación o de corriente constante. Esta zona se da para valores VDS > VDSsat . Ahora lacorriente ID permanece invariante frente a los cambios de VDSy sólo depende de la tensión VGS aplicada. En esta zona eltransistor se comporta como una fuente de corrientecontrolada por la tensión de puerta VGS.

Zona de ruptura. Un transistor MOSFET puede romper por dos motivos. Bienporque se perfora el dieléctrico cuando la tensión VGS superauna determinado valor que vendrá determinado por el aislante,o bien porque en la unión pn del lado del drenador(polarizada en inversa) se supera el valor de la tensión deruptura de dicha unión, dado que esta unión está polarizadacon una tensión inversa de valor VDS la ruptura se producirácuando VDS ≥ Vr con independencia del valor de VGS, por tantoen la zona de ruptura todas las distintas curvas en funciónde VGS se juntan en una única.

MOSFET de deplexión

Estructura básica

Como podemos observar, la estructura básica para un MOSFET dedeplexión es similar al caso del de acumulación, con laimportante diferencia de que en este caso disponemos de uncanal inicial realizado en el proceso de fabricación deldispositivo.

Símbolos

MOSFET de deplexión canal n

MOSFET de deplexión canal p

Polarización

Los transistores MOSFET de deplexión de canal n se polarizanaplicando una tensión positiva entre drenador y fuente (VDS)y una tensión entre puerta y fuente (VGS) que puede sernegativa o positiva. De esta forma, la corriente circulará enel sentido de drenador a fuente. En el caso del MOSFET deacumulación de canal p la tensión VDS a aplicar debe sernegativa y la tensión VGS positiva o negativa, de esta formala corriente fluirá en el sentido de la fuente hacia eldrenador.

Principios de funcionamiento

En este caso, si aplicamos una tensión VGS > 0, se atraerán más electrones hacia la zona de la puerta y se repelerán más huecos de dicha zona, por lo que el canal se ensanchará. Por lo tanto, el efecto que tenemos es el mismo que en el caso del MOSFET de acumulación, es decir, para valores VGS > 0 el MOSFET de deplexión tiene un comportamiento de acumulación. Si por el contrario damos valores VGS < 0 el efecto será el contrario, disminuyéndose la anchura del canal. En definitiva, volvemos a tener de nuevo un efecto de modulaciónde la anchura de un canal en función de una tensión aplicada VGS . Sin embargo, si seguimos disminuyendo el valor de VGS podrá llegar un momento en que el canal desaparezca por completo, esto sucederá cuando VGS disminuya por debajo de unvalor VGSoff .

En cuanto al efecto de la tensión VDS tendríamos exactamente lo mismo que en los dos casos analizados anteriormente.

Curva característica

Mapa Conceptual

Amplificador en Cascada

 

Una conexión popular entre etapas de amplificadores la conexión en cascada. Básicamente una conexiónen cascada es aquella en la cual la salida de unaetapa se conecta a la entrada de la segunda etapa.El siguiente circuito muestra una conexión encascada de dos etapas de amplificador a FET. Laconexión en cascada proporciona una multiplicaciónde la ganancia en cada una de las etapas para teneruna mayor ganancia en total.La ganancia total del amplificador en cascada es elproducto de las ganancias de las etapas Av1 yAv2. 

 En este caso:

 Amplificador FET en cascada.

La impedancia de entrada (Zi) del amplificador encascada es la de la etapa 1:

mientras la impedancia de salida (Zo) es la de laetapa 2:

La función principal de las etapas en cascada esconseguir la mayor ganancia total. Puesto que lapolarización de cd y los cálculos de ca para unamplificador en cascada se siguen de aquellosdeducidos para las etapas individuales, un ejemplodemostrará los diversos cálculos para determinar lapolarización de cd y la operación de ca.

El Arreglo Darlington

El amplificador Darlington (frecuentemente llamado amplificadorcompuesto) es una conexión muy popular de dos transistores deunión bipolar para funcionar como un solo transistor “superbeta.La principal característica de la conexión Darlington es que eltransistor compuesto actúa como una sola unidad con una gananciade corriente que es el producto de las ganancias de corriente dedos transistores por separado. Si la conexión se hace utilizandodos transistores individuales con ganancias de corriente de 1 y 2la conexión Darlington proporciona una ganancia de corriente de:

βD=β1β2

Si se hace coincidir a los dos transistores de tal modo que == . La conexión Darlington suministra una ganancia decorriente.

βD=β'

Una conexión de transistor Darlington proporciona un transistor con una ganancia decorriente de varios miles.

Amplificador Darlington Básico (Compuesto)

Polarizacion en cd de un circuito darlingtonSe hace uso de un transistor Darlington con muy alta gananciade corriente,D. La corriente de base puede calcularse apartir de:

IB=VCC−2VBERB+βDRE

Mientras que la ecuación anterior es la misma para un transistorregular, el valor de D es mucho mayor, y el valor de VBE es másgrande. La corriente de emisor es por lo tanto:

IE=(βD+1 )IB=βDIB

Los voltajes de cd son:

VE=IERE

VB=VE+2VBE

La ganancia de corriente del amplificador Darlington, puede sercalculada a partir de:

Ai=ioiB2

=iC1+iC2iB2

=α1iE1+α2iE2iB2(iB2 )

donde:

iE1iB2

=iE1iB1

iB1iE2

iE2iB2

=(hfe1+1) (1 ) (hfe2+1)=(hfe1+1 )(hfe2+1)

Así:

Ai=α1 (hfe1+1 )(hfe2+1)+α2 (hfe2+1)

Si los dos transistores son idénticos, =y hfe1 = hfe2 =hfe, de forma que:

Ai≈hfe2