CAPITULO Nº 5

TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO

Las características principales son:

• La potencia de control es nula, es decir, no se absorbe corriente por el terminal de control.

• Una señal muy débil puede controlar el dispositivo.

• La tensión de control se emplea para crear un campo eléctrico.

Hay dos familias de transistores de efecto de campo: los JFET y los MOSFET. Pese a que el concepto básico de los FET se conocía ya en 1930, estos dispositivos sólo empezaron a fabricarse comercialmente a partir de la década de los 60. Y a partir de los 80 los transistores de tipo MOSFET han alcanzado una enorme popularidad. Comparados con los BJT, los transistores MOS ocupan menos espacio, es decir, dentro de un circuito integrado puede incorporase un numero mayor. Además su proceso de fabricación es también más simple.

TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO DE UNION (JFET)

Esquema del transistor JFET de canal N

Símbolos de los transistores JFET

TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO

También llamado FET(FIELD EFFECT TRANSISTOR), es un dispositivo de 3 terminales que se utiliza para aplicaciones que se asemejan a la del BJT, aunque hay diferencias también tiene similitudes.

La principal diferencia es que el BJT es un dispositivo controlado por corriente mientras que el FET es un dispositivo controlado por voltaje es decir:

BJTIb

Ic

FET

Id

Gate (G)

Vgs

+

-Voltaje decontrol

Surtidor (S)

Clasificación del FETFET

JFET (Transistor deEfecto de unión de campo)

MOSFET (Transistor de Efecto de campo

Metal-óxido semiconductor)

De agotamiento (decremental)

De enriquecimiento(incremental)Canal n Canal p

Canal nCanal n Canal p

Canal p

a) Canal N

N

P

P

FuenteS(Surtidor)

DDrenador

GCompuerta

Simbología

P

N

N

FuenteS(Surtidor)

DDrenador

GCompuerta

b) Canal P Simbología

VddGCompuerta

Id

Iss

D

P n P

e

e

+

Para Vgs =0V; Vds algún valor positivo

-En el momento de aplicar Vdd, los electrones serán atraídos al terminal de drenaje, estableciéndose la Id convencional en la dirección marcada.

-El flujo de carga se encuentra relativamente sin ninguna restriccion y solo lo limita la resistencia del canal n entre el drenaje y la fuente

-La región de agotamientoes aquella que no presenta portadores libresy por tanto es incapazde soportar la conducciónA través de la región

Mientras mayor es la polarizacion inversa aplicada, mas ancha es la region de agotamiento.

CONSTRUCCION DEL J’FET

Idss= Corriente de Drenaje a la fuente con una conexión de cortocircuito

Aumento de la resistenciadebido al estrechamiento del canal

Idss

0Vp

Vds

Nivel desaturación

Vgs=0V

Resistencia canal N

Id

Cuando el Vds aumenta desde cero hasta unos cuantos voltios la corriente Id aumenta. Mientras mas horizontal es la curva, mayor es la resistencia y si Vds aumenta hasta donde parece que las dos regiones de agotamiento se tocan resulta la condicion de ESTRECHAMIENTO.

-Mientras Vds se incrementa mas alla de Vp, la region del encuentro cercano entre las dos regiones de agotamiento se incrementa pero el nivel de Id permanece constante.

-Por lo tanto una vez que Vds > Vp, el J’FET tiene las caracteristicas de una fuente de corriente.

-Idss es la corriente máxima de drenaje para un J’FET y esta definida mediante las condiciones de Vgs= 0 V y Vds > I Vp I

-Esta condicion se lo conoce como Voltaje de Estrechamiento o Vp (PINCH OFF)

GCompuerta

Id

Iss

D

P n P

e

e

+

Vgs=-1V(por ejemplo)

Vds>0V

Para Vgs<0V En forma análoga como en los BJTtenemos curvas de Ic en función de Vce para diferentes valores de Ib, Se pueden desarrollar curvas de IdEn función de Vds para varios niveles de Vgs para JFET

Vgs → voltaje que controla el JFET

Por ejemplo colocamos una fuentede -1V entre G y S (compuerta y fuente)

Idss

0 Vp Vds

Nivel desaturación

Vgs=0V

Id

RegiónOhmica Región de saturación

Vgs=-1V

Vgs=-2V

Vgs=-3VVgs=-4V

5 10 15

*El resultado de aplicar una polarización negativa en la compuerta es alcanzarUn nivel de saturación aun nivel menor de Vds

•Es decir el nivel de saturaciónPara Id disminuye y seguiráDisminuyendo mientras Vgs se hace más negativo(observe Figura de Caracteristicas)

•Además se observa como el Vp continua cayendo en una trayec-toria parabólica conforme Vgs esmas negativo.

Cuando Vgs=- Vp, Vgs sera lo suficientemente negativo como para establecer un nivel de saturacion que sera en esencia cero miliamperios, por otro lado para todos los propositos el dispositivo ha sido “apagado”

+Vdd >=|Vp|-

Id =Idss

D

S

G+

-VgsVgs=0V

Resistor controlado por voltaje

20

1

VpVgs

d

Vgs de particular nivelun en aResistenci

0vVgscon aResistenci

d

0

donde

Resumen para dispositivos de canal N

La corriente máxima se encuentradefinida como Idss y ocurre cuando

Vgs=0V y Vds>=|Vp|

Vgs>=|Vp|

+Vdd-

Id =0A

D

S

G+

-Vgs

Vgs=-Vgg

Para los voltajes de compuerta a la fuente Vgs menores que el nivel de estrechamiento la corriente de drenaje es igual a 0A

Vgg

+Vdd-

Id

D

S

G +

-Vgs

Vgs=-Vgg

Vgg

|Vp|>=|Vgg|>0V

Para todos los niveles de Vgs entre OVY el nivel de estrechamiento, la corriente IdSe encontrará entre 0A y el valor de Idss(0mA < Id < Idss)

VddGCompuerta

Id

Iss

D

n P n

e

e

+

Vds

+

-

+

-

Vgs=Vgg

NOTESELAS CORRIENTES TIENEN DIRECCIONES INVERTIDA AL ANTERIOR DISPOSITIVO

DISPOSITIVOS CANAL P:

Para el tipo P, la region de estrechamiento sera mucho mas anchamediante voltajes crecientes positivos de la compuerta a la fuentePor lo tanto dará como resultado voltajes negativos para Vds.

No se debe confundir por el signo menos para Vds, este simplementeindica que la fuente se encuentra a un potencial mayor que el delDrenaje.

En el siguiente grafico se observa que para niveles altos de Vds las Curvas suben repentinamente a niveles que parecen ilimitados.

El crecimiento vertical indica que ha sucedido un ruptura y que laCorriente a través del canal ahora esta limitado únicamente por el Circuito externo.

Idss

0 Vp Vds

Nivel desaturación

Vgs=0V

Id

Regiónohmica Región de saturación

Vgs=1V

Vgs=3V

Vgs=4VVgs=5V

-5 -10 -15

Vgs=2V

Región de ruptura

Características de transferencia

Para el BJT tenemos: BBc IIfI )(

Variable de control

Constante

Se observa una relación lineal entre Ic e Ib

Pero para un JFET esta relación No existe , sino que se aplica LA ECUACIÓNDE SHOCKLEY:

2

1

Vp

VgsII DSSD

Constantes

Variable de control

El termino cuadrático produce una curva que crece exponencialmente con lasMagnitudes decrecientes de Vgs

Para resolver problemas en DC aparte de la grafica que resulta de la ecuación SHOCKLEY, habrá que plantear una ecuación de red que relacione las mismasVariables.

La solución esta definida por el punto de intersección de las dos curvas.

La curva de la característica de transferencia es una grafica de una corriente de Salida en función de una cantidad controladora de entrada.

En la curva de la izquierda observe el esparcimiento entre Vgs=0 voltios y Vgs= -1 voltio con aquel entre Vgs=-3 V y el de estrechamiento (Vp= - 4 V).

Mientras Vgs se hace mas y mas negativo se observa que la curva decreceNotoriamente (en forma parabólica)

Idss

0 Vp Vds

Nivel desaturación

Vgs=0V

Id

RegiónCrtitica

Región de saturación

Vgs=-1V

Vgs=-2V

Vgs=-3VVgs=-4V

5 10 15-4

8

Id(mA)

Vgs0Vgs=Vp

Id=0mA

Idss

Curva de la ecuación de SHOCKLEY

Aplicación de la ecuación de SHOCKEY

AIII

Vp

VgsIIVpVgsSI

IIIIVgsSI

Vp

VgsII

DDSSD

DSSD

DSSDDSSD

DSSD

0)11(

1

010

1

2

2

2

2

Según datos del problema anterior Vgs= -1V , Idss=8mA Vp=-4VEntonces:

grafico elen tienese como Tal

)(5.44

38

4

118

4

118

222

mAID

Y para hallar el valor de Vgs para un nivel de Id:

DSS

D

DSS

D

I

IVpVgs

Vp

Vgs

I

I

1

12

De la misma gráfica anterior se toman los datos Vp=-4V, Id=4.5mA, Idss=8mA

VVgs

Vgs

Vgs

1

)25.0(4)75.01(45625.014

8

5.414

Método manual rápido

2/4

25.02

11

2/1

2/*22

VpVgsconI

IDECIRES

IIVp

VpII

VpVgsSI

DSSD

DSSDSSDSSD

23.0

293.05.012/

1

2/*

DSSD

DSS

DSS

DSSD

IIconVpVgs

VpVpI

IVpVgs

II

EJEMPLO: Trazar la curva por Idss=12mA y Vp=-6V

Los puntos estan definidos por:

VpVgsmAI

VVgsmAI

D

DSS

0

012*

VVgs

mAIIICon

mAI

I

VgsVpVgsCon

DDSSD

DSSD

8.1610

3

62/*

34

12

4

32/*

-6

12

Id(mA)

Vgs0

Vgs=Vp

Id=0mA

Idss

-3 -1.8

3

6

PRINCIPIO DE OPERACION DEL NJFET

A continuación se explica cómo se controla la corriente en un JFET. Al igual que sucede con los transistores BJT el JFET tiene tres regiones de operación: • Región de corte • Región lineal • Región de saturación

Región de corte: la condición de la región de corte es que el canal esté completamente estrangulado en las proximidades de la fuente, lo que sucede cuando la tensión puerta-fuente alcance la tensión de estrangulamiento (VGS<VP). En este caso ID=0.

Región lineal: es la región en que se produce un incremento de la intensidad ID al aumentar VDS. Este incremento es lineal para bajos valores de VDS aunque la linealidad se pierde cuando VDS se acerca a -VP. Para trabajar en la región lineal se deben dar dos condiciones:

• VGS > VP

• VGD > VP ;VGS > VP + VDS

Estas condiciones equivalen a admitir que el canal de conducción no se estrangula por la zona de deplección en inversa tanto en el extremo de drenaje como en la fuente. El valor que toma la corriente ID es:

Región de saturación: la región de saturación tiene lugar cuando la tensión entre drenador y puerta alcanza la tensión de estrangulamiento. Para que ello ocurra, el canal N, tiene que estar estrangulado en el extremo cercano al drenaje, pero no en el extremo del canal cercano a la fuente. Entonces, al igual que en el caso anterior, deben ocurrir dos condiciones:

• VGS > VP

• VGD < VP ;VGS < VP + VDS

En este caso la intensidad ID ya no depende de VDS, siendo su expresión

Relaciones importantes

JFET CONTRA BJT

BJTIb

Ic

Ie

FET

Id

Gate (G)

Vgs

+

-Voltaje decontrol

Surtidor (S)Is

VVbeAI

IIII

IIVp

VgsII

G

ECSD

BCDSSD

7.00

12

Ig =0A

Las prestaciones del transistor MOSFET son similares a las del JFET, aunque su principio de operación y su estructura interna son diferentes. Existen cuatro tipos de transistores MOSFET:

• Incremental de canal N • Incremental de canal P • Decremental de canal N • Decremental de canal P

MOSFET

La característica constructiva común a todos los tipos de transistor MOS es que el terminal de puerta (G) está formado por una estructura de tipo Metal/Óxido/Semiconductor.

El óxido es aislante, con lo que la corriente de puerta es prácticamente nula, mucho menor que en los JFET. Por ello, los MOS se emplean para tratar señales de muy baja potencia.

MOSFET DE TIPO DECREMENTAL

Construcción Básica Una placa de material tipo “p” esta formada a partir de base de Silicio y se la conoce como sustrato

DrenajeD

Región dopada N

Compuerta G

Fuente S

Sustrato P

n

nn

Este tipo de mosfet tiene caracteristicas similares a aquellas de un JFETentre el corte y la saturación en Idss, pero luego tiene el rasgo adicionalde caracteristicas que se extienden hacia la region de polaridad opuesta para Vgs

La compuerta se encuentra conectada a una superficie de contacto metálico pero permanece aislada del canal n por una capa de dióxido de silicio (Si O2 ).

La fuente y el drenaje se conectan a la region dopada n por medio decontactos metálicos y unidas por un canal n.

Debido a la presencia de Si O2 se revela lo siguiente :No existe conexión eléctrica entre la compuerta y el canal de un

Mosfet.Se debe a esta capa aislante que se explica la alta impedancia,

muy deseable por cierto.

La muy alta impedancia de entrada, continua soportando totalmente el hecho de que la corriente de la entrada (Ig) en esencia de valor ceroamperios, para las configuraciones de polarizacion en DC.

Sustrato P

n

nn

Vdd

D

G

S

+

-

SS

Id=Is=Idss

Operación y características (Canal n):

Idss

Id(mA)

0 Vp Vds

Vgs=0V

Id

Vgs=-1V

Vgs=-2V

Vgs=-3VVgs=-4V

5 10 15

Vgs =1V

-4

8

Vgs0

Vp/2

-3 -2 -1

ModoDe agotamiento

10.9

CURVAS CARACTERISTICAS PARA MOSFETDECRECEMENTAL canal N

Mosfet tipo decremental de canal PDrenaje

DRegión dopada N

Compuerta G

Fuente S

Sustrato n

p

pp SS

Id

+

-Vgs

•El sustrato es del tipo “n” y el canal del tipo “p”.•Los terminales aparecen marcados pero todas las polaridades y las direccionesde las constantes están invertidas.•La curva de salida Id Vs Vds tiene valores positivos de id y negativos de Vds con niveles de Vgs positivos.

-6

6

Id

0

Vp/2-3

-2-1

Vgs 0 Vp Vds

Vgs=0V

Id

Vgs=1V

Vgs=2V

Vgs=3VVgs=4V

5 10 15

Vgs =-1V

CURVAS CARACTERISTICAS PARA MOSFETDECRECEMENTAL canal P

Simbolos PARA MOSFET DECREMENTAL:

SS

D

S

D

S

D

S

S

D

S

G

G

G

G

Canal n Canal p

MOSFET tipo incremental

DrenajeD

Compuerta G

Fuente S

Sustrato P

n

n

Contactos metálicos

Región dopada -n

Existe una diferencia marcada que es la Ausencia de un canal entre las regiones Dopadas n

Construcción básica canal -n

D

G

S

n

n

Ig=0 +++

- -

Is=Id

+

-

Vsd

Id

ss

Operación básicas y características

0 Vp Vds

Vgs=7

Id

Vgs=6V

Vgs=5V

Vgs=4VVgs=3V

5 10 15

Vgs =8V

VgsVdsVdg

*Según el gráfico Vgs= 8V, la saturaciónocurrió en el nivel Vds=6V y por tanto

VtVgsVdsat

*Para valores de Vgs menores de nivel de Umbral la corriente de drenaje es 0

Para los niveles de Vgs> Vt, la corrienteDe drenaje esta dada por

2)( VtVgskID

2)(

VtVgs

Ik

encendido

ENCENDIDOD

0 Vp Vds

Vgs=7

Id

Vgs=6V

Vgs=5V

Vgs=4VVgs=3V

5 10 15

Vgs =8V

2

7

Id (mA)

6

5

5 6 7Vds

MOSFET tipo incremental canal p

0 Vp Vds

Vgs=-7

Id

Vgs=-6V

Vgs=-5V

Vgs=-4V Vgs=-3V

5 10 15

Vgs =-8V

-8Vgs

Id

DrenajeD

Compuerta G

Fuente S

N

p

p

Contactos metálicos

Región dopada -n

ss

Simbología

D

Canal n Canal p

D

S

ss

D

S

D

S

ss

ssss

D

S