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Transistores de efecto de campo (FET)

Electrónica Industrial

•  Interruptores •  Pulsadores •  Potenciómetros •  LDRs •  Fotocélulas •  Encoders

• Galgas extensom •  Termopares •  Acelerómetros • MEMs

SENSORES •  Solenoides, relés, piezoeléctricos • Motores de conGnua • Motores paso a paso •  Servomotores •  DisposiGvos hidráulicos y neumáGcos.

ACTUADORES

•  C. discretos •  Amplificadores

•  Filtros •  A/D

ACONDICIONADORES DE SEÑALES DE

ENTRADA E INTERFACES

•  Combinacionales •  Secuenciales •  μP •  μC

• Memorias •  SoC •  Comunicaciones •  SoTware

SISTEMAS DE CONTROL DIGITAL

•  D/A •  Amplificadores •  PWM

•  Transistores

ACONDICIONADORES DE SEÑALES DE SALIDA

E INTERFACES •  LEDs •  Displays •  LCD

•  CRT •  TFT

VISUALIZADORES

Sistemas mecánico

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Similaridades: •  Amplificadores. •  DisposiGvos de conmutación. •  Circuitos para control de impedancia.

Diferencias:

•  Los FETs son disposiGvos controlados por voltaje mientras que los BJTs son controlados por corriente.

•  Los FETs también Genen una impedancia de entrada elevada, pero los BJTs Genen ganancias más elevadas.

•  Los FETs son menos sensibles a variaciones de temperatura . •  Los FETs se integran mejor en los CIs. •  Los FETs son generalmente más sensibles a la electricidad.

Introducción (I)

Los transistores FET frente al BJT

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•  JFET–– JuncGon Field-‐Effect Transistor.

•  MOSFET –– Metal-‐Oxide Semiconductor Field-‐Effect Transistor.

•  D-‐MOSFET –– DepleGon MOSFET ó MOSFET de Deplexión. •  E-‐MOSFET –– Enhancement MOSFET ó MOSFET de Acumulación.

Introducción (II)

Tipos de transistores FET.

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Hay dos Gpos de JFETs.

•  canal n •  canal p

Los de canal n son los más usados.

JFET de canal n (I)

Estructura.

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Su funcionamiento se puede comparar a un grifo de agua: La presión de la fuente de agua es la acumulación de electrones existente en el polo negaGvo de la fuente de tensión drenador-‐fuente. El drenador de agua es la deficiencia de electrones (o huecos) en el polo posiGvo de la fuente de tensión aplicada.. El control del flujo de agua es el voltaje de compuerta que controla el ancho del canal n y de este modo el flujo de cargas entre la fuente y el drenador.

Principio de funcionamiento.

JFET de canal n (II)

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Electrónica Industrial Fundamentos de Electrónica Industrial

•  Aumenta la zona de deplexión y disminuye el ancho del canal n. Por tanto incrementa la resistencia del canal n.

•  Aunque la resistencia del canal n está aumentando, la corriente (ID) desde la fuente al drenador a través del canal n también aumenta. Esto ocurre porque VDS está aumentando.

•  Aumenta la densidad de corriente.

Tres cosas ocurren cuando VGS = 0 y VDS se incrementa desde 0 a un valor posiGvo:

Modos de funcionamiento. VGS = 0 y se aumenta VDS >0 paulaGnamente

JFET de canal n (III)

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•  Si VGS = 0 y VDS se ha aumentado a un valor lo suficientemente alto, la zona de deplexión llega a ser tan grande que se llega al punto de máximo estrechamiento del canal n (Pinch-‐off).

•  Nos podríamos imaginar que la (ID) valdría 0, pero ocurre justamente lo contrario. Como VDS aumenta, también lo hace ID. Existe un pequeño canal con una corriente de muy alta densidad.

Modos de funcionamiento. VGS = 0 y VDS es lo suficientemente grande como para que se alcance el máximo estrechamiento del canal

JFET de canal n (IV)

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En el punto de máximo extrechamiento (Vp):

•  Un incremento adicional de VDS no

produce un incremento en ID. VDS en el punto de máximo estrechamiento (pinch-‐off) se conoce como Vp.

•  ID está en saturación o en su valor máximo. Se conoce como IDSS.

•  A parGr de ese punto el transistor se comporta como una fuente de corriente.

Modos de funcionamiento. VGS = 0 y VDS es lo suficientemente grande como para que se alcance el máximo estrechamiento del canal. Curva CaracterísGca

JFET de canal n (V)

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Cuando VGS se hace negaGvo, la zona de deplexión se hace mas grande, y el estrechamiento se alcanza a niveles menores de tensión VDS. La anchura del estrechamiento no disminuye, pero la longitud del canal de estrechamiento aumenta.

Modos de funcionamiento. VGS < 0 y VDS>0

JFET de canal n (VI)

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Cuando VGS se hace más negaGva: •  El JFET experimenta el fenómeno

de pinch-‐off a voltajes inferiores (Vp).

•  ID disminuye (ID < IDSS) aún cuando VDS se aumenta.

•  ID se hace 0A. VGS en este punto se llama Vp or VGS(off)..

Modos de funcionamiento. VGS <0 y VDS>0. Curva caracterísGca

A niveles altos de VDS el JFET alcanza una situación de ruptura. ID aumenta descontroladamente sí VDS > VDSmax.

JFET de canal n (VII)

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rd =ro

1−VGSVP

"

#$$

%

&''

2

La región de la izquierda del punto de the pinch-‐off se llama región óhmica. Trabajando en esta zona, el JFET puede ser usado como un resistor variable, donde la VGS controla la resistencia drenador-‐fuente (rd). Cuando VGS se hace más negaGva, la resistencia (rd) se incrementa.

Modos de funcionamiento. VGS <0 y VDS>0. Zona resisGva

JFET de canal n (VIII)

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Electrónica Industrial 111

El JFET de canal p se comporta como el de canal n, excepto que las polaridades y corrientes se invierten.

JFET de canal p (I)

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Notar también que a altos niveles de VDS el JFET alcanza la ruptura —ID aumenta descontroladamente si VDS > VDSmax.

Cuando VGS aumenta posiGvamente:

•  La zona de deplexión aumenta •  ID disminuye (ID < IDSS) •  Puede llegarse a ID = 0A

JFET de canal p (II)

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Canal n Canal p

Símbolos del JFET

114



ID = IDSS 1−VGSV P

"

#

$$$

%

&

'''

2

Entre la entrada y la salida de un JFET no existe una relación lineal. En un BJT, β indica la relación entre IB (entrada) y IC (salida) => IC=β.IB En un JFET, la relación VGS (entrada) y ID (salida) es un poco más complicada:

CaracterísGca de transferencia (I)

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UGlizando los valores de IDSS y Vp, los cuales se pueden encontrar en la hoja de caracterísGcas de un JFET, se puede trazar de manera aproximada la curva de transferencia siguiendo los siguientes tres pasos:

Cuando VGS = 0V => ID = IDSS

I D= IDSS 1−VGSVP

"

#$$

%

&''

2

Step 1

Cuando VGS = Vp => ID = 0 Step 2

Cuando VGS = Vp/2 => ID=IDSS/4 Step 3

CaracterísGca de transferencia (II)

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CaracterísGca de transferencia (III)

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Valores Máximos

Hojas de caracterísGcas (I)

118 Electrón

ica Indu

stria

l

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MOSFETs Genen caracterísGcas similares a los JFETs y caracterísGcas adicionales que los hacen muy úGles. Hay dos Gpos de MOSFETs:

• Deplexión (canal n y p). • Acumulación (canal n y p).

Transistores MOSFET(I)

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El drenador (D) y la fuente (S) se conectan a las zonas Gpo n. Estas zonas están conectadas vía un canal n. Este canal n es conectado a la compuerta (G) vía una fina capa de material aislante de SiO2. El material n descansa sobre un substrato p que puede tener un terminal adicional llamado substrato (SS).

MOSFET de deplexión canal n (I)

Estructura.

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Un MOSFET de deplexión puede trabajar en dos modos: deplexión y acumulación.

MOSFET de deplexión canal n (II)

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El comportamiento es similar a un JFET canal n •  Cuando VGS = 0V, ID = IDSS •  Cuando VGS < 0V, ID < IDSS

Modo deplexión

ID = IDSS 1−VGSVP

"

#$$

%

&''

2

MOSFET de deplexión canal n (III)

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Electrónica Industrial •  VGS > 0V •  ID aumenta por encima de IDSS

2

P

GSDSSD V

V1II ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

Notar que VGS Gene ahora una polaridad posiGva

Modo de acumulación

MOSFET de deplexión canal n (IV)

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MOSFET de deplexión canal p (I)

Estructura y funcionamiento.

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Simbología MOSFET de deplexión

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MOSFET de deplexión Hoja de caracterísGcas

127 Electrón

ica Indu

stria

l

128



•  El drenador (D) y la fuente (S) se conecta a las regiones de material Gpo n.

•  La compuerta (G) se conecta al substrato Gpo p via una fina capa de material aislante de SiO2

•  No hay canal

•  Las regiones Gpo n descansan sobre un substrato de material Gpo p que puede tener un terminal adicional llamado substrato (SS)

MOSFET acumulación canal n (I)

Estructura.

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El MOSFET de acumulación solo trabaja en modo de acumulación. •  VGS es siempre posiGvo. •  Cuando VGS aumenta, ID aumenta. •  Cuando VGS se manGene constante y VDS se aumenta, entonces ID se satura (IDSS)

MOSFET acumulación canal n (II)

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Para obtener ID dado VGS: Donde:

VT = voltaje umbral o voltaje a parGr del cual el MOSFET pasa a on k = constante que se obGene de la hoja de caractrerísGcas

2TGSD )VV(kI −=

k también puede obtenerse a parGr de la fórmula:

2TGS(ON)

D(ON)

)V(V

Ik

−=

VDSsat puede ser calculada por:

TGSDsat VVV −=

MOSFET acumulación canal n (III)

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El MOSFET Gpo incremental de canal p es similar al de canal n, excepto que las polaridades de voltaje y corriente se invierten.

MOSFET acumulación canal p (I)

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Simbología MOSFET acumulación

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MOSFET de acumulación Hoja de caracterísGcas

134 Electrón

ica Indu

stria

l

135



Los MOSFETs son muy sensibles a la electricidad estáGca. Debido a que la capa de SiO2 es muy fina y se puede perforar debido a una pequeña descarga eléctrica.

Protección

•  Transportar siempre en bolsas de transporte anG estáGcas.

•  Llevar una correa de protección estáGca cuando se manipulan los MOSFETs

•  Colocar disposiGvos limitadores de tensión entre la compuerta y la fuente, tales como Zeners en oposición para limitar cualquier transitorio de tensión.

Manipulación de los MOSFET

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JFET canal n

MOSFET deplexión, canal n

MOSFET acumulación, canal p

Tabla resumen

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Aumenta el área superficial del disposiGvo.

Ventajas •  VMOS manejan corrientes

más elevadas al disponer de más superficie para disipar calor.

•  VMOS Genen también velocidades de conmutación mucho más rápidas.

Otros transistores MOSFET (I) VMOS (VerGcal MOSFET)

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•  ÚGl en el diseño de circuitos lógicos •  Altas impedancias de entrada •  Velocidades de conmutación más rápidas •  Niveles de disipación de potencia bajos

CMOS (Complementary MOSFET) UGliza un MOSFET de canal p y otro de canal n sobre el mismo substrato.

Otros transistores MOSFET (II)

Dr. Andrés Iborra Universidad Politécnica de Cartagena Campus Muralla del Mar, s/n 30202 Cartagena

Tel. +34 968 32 56 54 Fax. +34 968 32 53 45 E-‐mail [email protected] Twiwer @CincubatorHUB @aiborra Lista de correo cloud-‐[email protected] Www www.cincubator.com

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