transistores. presentación por josé quiles hoyo objetivosobjetivos entender la distribución y...

Transistores

Presentación por José Quiles Hoyo

ObjetivosObjetivosObjetivosObjetivos

• Entender la distribución y movimientos de carga en los transistores

• Conocer las estructuras, funcionamiento y características de los diferentes tipos de transistor

• Ser capaz de explicar les diferencias entre el transistor de unión, el JFET y el MOSFET

• Conocer algunas aplicaciones

http://personales.upv.es/~jquiles/ffi/Inicio.pps


• El transistor de unión– Polarización– El amplificador– Modelos

• El transistor de efecto campo– El JFET– El MOSFET– Circuitos lógicos, memorias, CCDs, TFTs

– Fundamentos físicos de la informática, cap. 10– L. Montoto, Fundamentos físicos de la informática y las comunicaciones,

Thomson, 2005– A.M. Criado, F. Frutos, Introducción a los fundamentos físicos de la informática,

Paraninfo, 1999

TransistoresTransistoresTransistoresTransistores



TransistoresTransistoresTransistoresTransistores



I---

e-

-ColectorEmisor

Base

ColectorEmisor

Base

Colector Emisor Base

P N P

Colector Emisor Base

N P N

Base poco dopadaBase poco dopada

Emisor más dopado que colectorEmisor más dopado que colector

El transistor bipolar de unión (BJT)El transistor bipolar de unión (BJT)El transistor bipolar de unión (BJT)El transistor bipolar de unión (BJT)



p

E

pn

V V0

E

Unión no polarizadaUnión no polarizadaUnión no polarizadaUnión no polarizada



similar a dos diodos con polarización directa

p

E

pn

V V0

E

IE IB IC

IB + IC = IE

El transistor polarizado (saturación)El transistor polarizado (saturación)El transistor polarizado (saturación)El transistor polarizado (saturación)



p

E

pn

V

V0

E

IE = IC = IB = 0

similar a dos diodos con polarización inversa

El transistor polarizado (corte)El transistor polarizado (corte)El transistor polarizado (corte)El transistor polarizado (corte)



p

E

pn

E

(P) Emisor (P) Colector(N) Base

IE

IB

InB

IBB

InC

IpB

ICBC II

Transistor polarizado en forma activaTransistor polarizado en forma activaTransistor polarizado en forma activaTransistor polarizado en forma activa




IE

IB

InB

IBB

InC

IpB

IC

BC inversa puede conducir si BE directa

Los huecos que se difunden de E a B llegan a C

factor de gananciaBC II

Transistor polarizado en forma activaTransistor polarizado en forma activaTransistor polarizado en forma activaTransistor polarizado en forma activa




IE

IB

InB

IBB

InC

IpB

IB = -InC + IBB +InB IC = IpB - IBB + InCIE = IpB + InB

IC

IpB, huecos que por difusión pasan del emisor a la

base.

InB, electrones que pasan de la base al emisor.

IBB, electrones procedentes del circuito para cubrir las

recombinaciones.

InC, débil corriente de electrones del colector a la base.



Hay 4 variables que dependen el tipo de conexión: Vsalida, Ventrada, Isalida, Ientrada.

Base común

Variables:

VBE, VCB, IE, IC

E

B

C

Emisor común

Variables:

VBE, VCE, IB, IC

B

E

C B E

C

Colector común

Variables:

VCB, VCE, IB, IE

Configuraciones del transistorConfiguraciones del transistorConfiguraciones del transistorConfiguraciones del transistor



RC

VCCIB = 1 mA

VBB

RB

n

C

B p

n

IC = 99 mA

IE = 100 mA

E100 %

99 %

1 %

99E

c

I

I

RC

RB

VBE VCCVBB

VCE

IC

IB

Configuración en emisor comúnConfiguración en emisor comúnConfiguración en emisor comúnConfiguración en emisor común

E

C

B



Control de temperatura básico con AOControl de temperatura básico con AOControl de temperatura básico con AOControl de temperatura básico con AO

ventiladores



RC

RB

VBEVBB

VCE

IC

VCC

E

C

B

Curva característica de entradaCurva característica de entradaCurva característica de entradaCurva característica de entrada

IB

VBE

IB

0,7 VVBE = VBB - IB RB

VBE 0,7 V



Curva característica de salidaCurva característica de salidaCurva característica de salidaCurva característica de salida

VCE (V)

IC

IB = 20 µA

IB = 40 µA

IB = 60 µA(mA)RC

RB

VBEVBB

VCE

IC

VCC

E

C

B

IB

VCE = VCC - IC RC



Variables: VBE, VCE, IB, IC

RB

RC

+VCC

Vsalida

Ventrada

RC

RB

VBE VCCVBB

VCE

IC

IB VBE 0,7 V para silicio

IC = IB

VBE = VBB - IB RB

VCE = VCC - IC RC

IC

IB

Emisor común: variablesEmisor común: variablesEmisor común: variablesEmisor común: variables



• En región activa: unión EB con polarización directa, BC con polarización inversa. Aplicación en amplificación.• En región de corte: las dos uniones polarizadas inversamente: circuito abierto.• En región de saturación: las dos uniones polarizadas directamente: cortocircuito.

IB = 0 µA

IB = 40 µA

IB = 20 µA

I C (

mA

)

VCE (V)

Región de saturación

Región activa

Región de corte

IB = 80 µA

IB = 60 µA

RC

RB

VBE

VCCVBB VCE

„

„Ruptura

Curvas características del transistor CECurvas características del transistor CECurvas características del transistor CECurvas características del transistor CE



VBB (V) VCE (V) Ic (mA) IB (mA)0,7 10 0 00,8 9,375 0,625 6,250,9 8,75 1,25 12,5

1 8,125 1,875 18,751,2 6,875 3,125 31,251,4 5,625 4,375 43,751,6 4,375 5,625 56,251,8 3,125 6,875 68,75

2 1,875 8,125 81,252,2 0,625 9,375 93,752,3 0 10 100

VBE = -IB RB+ VBB

RC =1 k

RB=16 k

VBE VCC=10 VVBB = 2 V

VCE

IC

VCEVCC = 10 V

C

CC

R

V

IB1

IB2

IB4

IB3

= 100 VBE 0,7 V

VCE = VCC - IC RC = 10 - 8,125 = 1,875 V

A25,8116000

7,02m

B

BEBBB R

VVI

Ic = IB = 8,125 mA

Q

Q

Q

Saturación

Corte

IC

IB

Re

gió

n a

ctiv

a

línea de carga

Línea de carga y punto de funcionamientoLínea de carga y punto de funcionamientoLínea de carga y punto de funcionamientoLínea de carga y punto de funcionamiento




V BE 0,7 V VCE (V) Ic (mA)

0 9,52 2,178 6,931840 8 0,00

130k 170

8 V

6 V

40,769 IB 40,77 µA 28,5385 PEB 28,54 µW

6,931 Ic 6,93 mA 15,0963 PCE 15,10 mW

6,972 IE 6,97 mA PT 15,12 mW

2,178 VCE 2,18 V

1,478 VCB 1,48 V

V CC

V B

B

R B

R C

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 2 4 6 8 10

Vcc (V)

Ic (

mA

)

40,77 µA 6,93 mA

6,97 mA

2,18 V

E

C

B



VCE = -IC RC+ VCC

IC

VCE

Q

O

VCE IC RC

VCC

línea de carga C

CECCC R

VVI

C

CC

R

V

RC

RB

VBE

VCCVBB VCE

IB1

IB2

IB4

IB3




IC

VCE

IB1

IB2

IB4

IB3

RC

RB

VBE VCCVBB

VCE

IC

IB

VCC

C

CC

R

V

Punto de funcionamiento: IPunto de funcionamiento: IBB Punto de funcionamiento: IPunto de funcionamiento: IBB



IC

VCE

IB1

IB2

IB4

IB3

RC

RB

VBE VCCVBB

VCE

IC

IB

VCC

1C

CC

R

V

2C

CC

R

V

3C

CC

R

V

Punto de funcionamiento: RPunto de funcionamiento: RCCPunto de funcionamiento: RPunto de funcionamiento: RCC



IC

VCE

IB1

IB2

IB4

IB3

RC

RB

VBE VCCVBB

VCE

IC

IB

VCC3

C

CC

R

V 3

C

CC

R

V 2

C

CC

R

V 1

VCC2VCC1

Punto de funcionamiento: VPunto de funcionamiento: VCCCCPunto de funcionamiento: VPunto de funcionamiento: VCCCC



B E

B

C

IC

VCEVCC

Si VBB , IB = , IE IC = VCC/RC

zona de saturación

cortocircuito CE VCE = 0

Si VBB = 0 o < 0,7 V, IB = 0,

IE IC 0, VCE = VCC

Zona de corte

circuito abierto VCE = VCC

El transistor como conmutadorEl transistor como conmutadorEl transistor como conmutadorEl transistor como conmutador



VBB (V) VCE (V) Ic (mA) IB (mA)0,7 10 0 00,8 9,375 0,625 6,250,9 8,75 1,25 12,5

1 8,125 1,875 18,751,2 6,875 3,125 31,251,4 5,625 4,375 43,751,6 4,375 5,625 56,251,8 3,125 6,875 68,75

2 1,875 8,125 81,252,2 0,625 9,375 93,752,3 0 10 100

RB

RC

+VCC

Vsalida

Ventrada

Ventrada Vsalida

A Y

Y = not AINVERSOR

Circuito inversor simpleCircuito inversor simpleCircuito inversor simpleCircuito inversor simple



IE

IB

PEmisor

PColecto

r

NBase

IC

RL

A

D

VEB V

E

B

C

gm : transconductancia

VAD = RLIC

(-IC) = gm VEB

mLEB

AD gRV

V

Transistor de unión: amplificadorTransistor de unión: amplificadorTransistor de unión: amplificadorTransistor de unión: amplificador



• Transistor de efecto campo de unión (JFET)

• Transistor de efecto campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET)

Transistores de efecto campoTransistores de efecto campoTransistores de efecto campoTransistores de efecto campo



n

Drenador D

Fuente S

Puerta Gp p

Región de agotamiento

Contactos óhmicos

Transistores de efecto de campo de unión Transistores de efecto de campo de unión (JFET)(JFET)




D S

G

S D

G

n p n

n

p

p

a) b)

Canal n Canal p

Fuente Drenador

Puerta

+VDD

D

S

G

IG

VG

-VDD

D

S

G

IG

VG

Transistor de efecto campo de unión (JFET)Transistor de efecto campo de unión (JFET)Transistor de efecto campo de unión (JFET)Transistor de efecto campo de unión (JFET)



n

p

p

S

G

D

IDID

VDD

ID

VDS

IDSS

VPVoltaje de estrechamiento

Al aumentar la tensión entre Drenador y Fuente VDS, la intensidad ID aumenta, al tiempo que se estrecha el pasillo debido al incremento de la de las uniones p-n y la ampliación de la región de agotamiento.El pasillo se cierra para VDS = VP; tensión para la que ID deja de aumentar.

Tra

nsi

store

s de e

fect

o d

e c

am

po

Tra

nsi

store

s de e

fect

o d

e c

am

po

de u

nió

nd

e u

nió

nTra

nsi

store

s de e

fect

o d

e c

am

po

Tra

nsi

store

s de e

fect

o d

e c

am

po

de u

nió

nd

e u

nió

n



VDD VDD

n n p

pp

pS S

G G

D D

IDID IDID

VGS=0

Manteniendo nula la tensión entre la fuente y G, VGS, al aumentar la tensión entre Drenador y Fuente VDS, la intensidad ID aumenta, al tiempo que se estrecha el pasillo debido al incremento de la de las uniones p-n y la ampliación de la región de agotamiento .





VDD

n p

p

S

G

D

IDID

VDS

IDSSID

Región de comportamiento óhmico

Estrechamiento del canal, aumento de la resistencia

ParaVGS=0

VP

Voltaje de estrechamiento, VP

Al aumentar la tensión entre Drenador y Fuente VDS, la intensidad ID aumenta, al tiempo que se estrecha el pasillo debido al incremento de la de las uniones p-n y la ampliación de la región de agotamientoEl pasillo se cierra para VDS = VP

Corriente de saturación, IDSat

Estrechamiento del canalEstrechamiento del canalEstrechamiento del canalEstrechamiento del canal



VGS< 0

ID

VDD

nS

G

D

IDID

p

p

VDS

ID

VGS= -1 V

VGS= -3 V

VGS= 0 V

VP (para VGS=0)

2

1

P

GSDSSDsat V

VII

IDSat3

VGS= -VP

Con valores negativos de VGS el pasillo se cierra antes, siendo la corriente de saturación menor

VP

IDSS

IDSat2

IDSat1

Estrechamiento del canalEstrechamiento del canalEstrechamiento del canalEstrechamiento del canal



VDS (V)

ID (mA)

VGS= -1 V

VGS= -2 V

VGS= 0 V

2

518,7

GS

DsatV

I

IDSS

VGS= -VP

S

GD

5 10 15

1

5

VP = 5 V

-2-4 0VGS (V) -5 -3 -1

VP

VGS= -3 V

Intensidad de saturación IIntensidad de saturación IDSDS=f(V=f(VGSGS))Intensidad de saturación IIntensidad de saturación IDSDS=f(V=f(VGSGS))



D

G sustrato

n

S

D

G sustrato

p

S

D

G sustrato

n

S

D

G sustrato

p

S

DS G

np

n

DS G

np

n

Metal

Óxido

Semiconductor

Metal

de enriquecimiento de agotamiento

pMOS-FETde enriquecimiento

nMOS-FETde enriquecimiento

pMOS-FETde agotamiento

nMOS-FETde agotamiento

Formado por una placa de metal y un semiconductor, separados por una zona de óxido del semiconductor - por ejemplo SiO2 - de unos 100 nm de espesor. Posee cuatro electrodos:

•Compuerta, gate en inglés, simbolizado con G; que se conecta a la placa metálica. •Fuente (Source) y drenador (Drain), ambos simétricos, que se internan en el sustrato. •Sustrato (Body), generalmente conectado eléctricamente con la fuente.

Tra

nsi

stor

de e

fect

o c

am

po m

eta

l-Tra

nsi

stor

de e

fect

o c

am

po m

eta

l-óxid

o-s

em

icon

du

ctor

(MO

SFE

T)

óxid

o-s

em

icon

du

ctor

(MO

SFE

T)

Tra

nsi

stor

de e

fect

o c

am

po m

eta

l-Tra

nsi

stor

de e

fect

o c

am

po m

eta

l-óxid

o-s

em

icon

du

ctor

(MO

SFE

T)

óxid

o-s

em

icon

du

ctor

(MO

SFE

T)



p

D

G

n n

SiO2S

Contactos metálicos

D

G sustrato

p

S

MOSFET de enriquecimiento nMOSFET de enriquecimiento nMOSFET de enriquecimiento nMOSFET de enriquecimiento n



p

S D

G

VDS

+++++++++++++

n n

e- atraídos por la puerta +VGS>VT

ID

Región de agotamiento

D

G sustrato

p

S

- - - - - - - - - - - - - - - - -

Formación del canal en el MOSFET de Formación del canal en el MOSFET de enriquecimiento nenriquecimiento n




D

G sustrato

p

S

p

S D

G

VDS

+++++++++++++

n n

VGS>VT

ID

- - - - - - - - - - - - - - - - -

Al aumentar VDS, se estrecha el canal, alcanzándose la I de saturación, IDS





Cara

cterí

stic

a M

OSFE

T d

e

Cara

cterí

stic

a M

OSFE

T d

e

en

riq

ueci

mie

nto

de c

an

al n

en

riq

ueci

mie

nto

de c

an

al n

VDS

ID (mA)

VGS= 4 V

VGS= 6 V

VGS= 5 V

VGS= VT

En ausencia de canal para VGS = 0, no hay corriente ID. Es necesario un valor mínimo de voltaje umbral VT positivo de VGS para que se forme el canal.

Aumentando VGS aumenta el valor de la corriente de saturación

VGS= 7 V

2)( TGSSatD VVKI

53 7

ID (mA)

VGS (V)1 2 4 6 8

VT

n+

p

GS D

+ VD

- - - - - - - - - - - - - - - - -

+ VG

+ + + + + +

n+

p

GS D

+ VDS=VDsat

n+n+ - - - - - - - - - - - - - - - - - -

+ + + + +

n+ n+

p

GS D

+ VDS+ VG



p

S D

G

n nn

D

G sustrato

p

S

MOSFET de agotamiento nMOSFET de agotamiento nMOSFET de agotamiento nMOSFET de agotamiento n



p VDS

n n

VGS = 0ID

Con VGS=0 ya existe canal y los e- del canal son atraídos por D

S D

G

D

G sustrato

p

S

- - - - - - - - - - - - - - - - -n




D

G sustrato

p

S

p VDS

VGS < 0

ID

n

S D

G -

— — — — — —

- - - - - - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + + + + + + +n n- - - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + +

Con VGS<0, los e- del canal son repelidos hacia la zona p, recombinándose con huecos. La corriente de saturación disminuye.




Cara

cterí

stic

a M

OSFE

T d

e

Cara

cterí

stic

a M

OSFE

T d

e

ag

ota

mie

nto

de c

an

al n

ag

ota

mie

nto

de c

an

al n

Cara

cterí

stic

a M

OSFE

T d

e

Cara

cterí

stic

a M

OSFE

T d

e

ag

ota

mie

nto

de c

an

al n

ag

ota

mie

nto

de c

an

al n

VDS (V)

ID (mA)

VGS= -3 V

VGS= -2 V

VGS= -1 V

VGS= 0 V

VGS= 1 V

5 10 15

2

1

p

GSDSSD V

VII

2

418

GS

DV

I

5

10

D

G sustrato

p

S

n+ n+

p

GS D

+ VDS

n

VGS (V)-3 -2 -1 0 1

VP

5

10

IDSS

ID (mA)

-4

- VG

- - - - - - -

n+

p

GS

D

+ VDS=VDsat

n+- - - - - - - - -

- - - - - - - - -



Aplicaciones: circuitos lógicosAplicaciones: circuitos lógicospuertas AND y OR, lógica de diodospuertas AND y OR, lógica de diodos

Aplicaciones: circuitos lógicosAplicaciones: circuitos lógicospuertas AND y OR, lógica de diodospuertas AND y OR, lógica de diodos

1N914

1N914

A

B

R

Vs

10 V

Puerta “AND” con diodos

Vs

R

Puerta “OR” con diodos



1950: Abandono de las válvulas de vacío y sustitución por transistores individuales

1960: Circuitos integrados en sustrato de silicio

1980: Transistores de efecto campo

1993: Tecnología CMOS

Del vacío al CMOSDel vacío al CMOSDel vacío al CMOSDel vacío al CMOS



Inversor (NOT)

Aplicaciones: circuitos lógicosAplicaciones: circuitos lógicostecnología CMOStecnología CMOS

Aplicaciones: circuitos lógicosAplicaciones: circuitos lógicostecnología CMOStecnología CMOS



G

D

S

FILA

BIT Se almacena un “1” en la celda cargando el condensador mediante una VG en fila y VD en bit

La lectura se hace aplicando VG en fila y midiendo la corriente en la línea bit

La lectura es un proceso destructivo. Hay que restaurar el valor leído

SRAM

DRAM

Aplicaciones: memorias RAMAplicaciones: memorias RAMAplicaciones: memorias RAMAplicaciones: memorias RAM



EPROM

MOSFET ROM

Aplicaciones: memorias ROMAplicaciones: memorias ROMAplicaciones: memorias ROMAplicaciones: memorias ROM



CCD

CMOS sensor

Aplicaciones: CCDAplicaciones: CCDAplicaciones: CCDAplicaciones: CCD



Estructura DRAM con celdaLCD i LED

RGB

Aplicaciones: TFTAplicaciones: TFTAplicaciones: TFTAplicaciones: TFT


transistores. presentación por josé quiles hoyo objetivosobjetivos entender la distribución y...

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