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Tema 3: EL TRANSISTOR FET2.1 Introducción
2.2 El Mosfet de acumulación
• Funcionamiento y curvas características
• Polarización
2.3 El Mosfet de deplexión
• Funcionamiento y curvas características
2.4 El Mosfet en conmutación
2.5 El inversor CMOS
2.6 Protección de los transistores Mosfet
2.7 Aplicaciones de los transistores Mosfet
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BIBLIOGRAFÍATEORÍA:
• Boylestad. Electrónica. Teoría de circuitos, Cap. 6 y 7
• Savant et al. Diseño electrónico, Cap. 4
• Millman y Grabel. Microelectrónica, Cap. 4
• Malik. Circuitos electrónicos…, Cap. 5
PROBLEMAS:
• Benlloch et al. Prob.resueltos de electrónica, Cap. 3
• Waterworth. Electrónica. Cuad. de trabajo, Cap. 3
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2.1 INTRODUCCIÓN
• FET = Field Effect Transistor
• Tipos:JFET (Junction FET), Shockley 1952MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET)
* Kahn and Atalla, 1960* Deplexión o empobrecimiento* Acumulación o enriquecimiento
MESFET (Metal-Semiconductor FET), Mead 1966
• Dispositivo unipolar
• Corriente controlada por un campo eléctrico4
2.1 INTRODUCCIÓN (2)
Primer Mosfet fabricado (1960):
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2.1 INTRODUCCIÓN (3)• Algunas características:
* Alta densidad de integración => VLSI
* Versatilidad
* Estabilidad con la temperatura
* Elevada impedancia de entrada
* Fet de potencia
* Sensibles a sobretensiones, sobrecorrientes y electricidad estática
* Linealidad pobre
* Menor ganancia que los BJT6
2.2 EL MOSFET DE ACUMULACIÓNFuncionamiento y curvas características
• Mosfet de enriquecimiento de canal N:
Contactos => S=Fuente (Source), G=Puerta (Gate), D=Drenador (Drain)
Aislante (dieléctrico) de SiO2 para aislar la puerta
Sustrato en ocasiones conectado a la fuente
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Formación del canal: Para VGS > VT (Threshold voltage) se induce un canaltipo N entre S y D, por acumulación de e-
Conducción: Para VDS > 0 se establece un flujo de e- de S a D a través delcanal => IDS > 0
Transistor unipolar y simétrico
2.2 EL MOSFET DE ACUMULACIÓNFuncionamiento y curvas características (2)
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2.2 EL MOSFET DE ACUMULACIÓNFuncionamiento y curvas características (3)
Región de corte: VGS ≤ VT, IDS = 0 ∀VDS, no se forma canal. VT: de 1 a 5V
Región óhmica: 0 < VDS ≤ VGS - VT, IDS = K [2 (VGS-VT) VDS - (VDS)2]
Si VDS pequeña => IDS ≈ K [2 (VGS-VT) VDS ] => RDS(on) variable con VGS
K es proporcional a la relación ancho/largo del canal (W/L)
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2.2 EL MOSFET DE ACUMULACIÓNFuncionamiento y curvas características (4)
Región de saturación: VDS > VGS - VT
El canal se estrangula y la corriente IDS ≈ constante, independientemente de VDS
Corriente de saturación: IDS = K (VGS-VT)2 (característica de transferencia,parábola de saturación,)
Fuente de corriente controlada por tensión (Field Effect Transistor)
Equivalencias con el BJT:
FET BJTDRENADOR COLECTORFUENTE EMISORPUERTA BASE
FET BJTZONA DE CORTE ZONA DE CORTEZONA DE SATURACIÓN ZONA ACTIVAZONA LINEAL ZONA DE SATURACIÓN
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2.2 EL MOSFET DE ACUMULACIÓN de canal P
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2.2 EL MOSFET DE ACUMULACIÓN de canal P (2)
• Cambian los sentidos de las corrientes y las polaridades de lastensiones: VGS < 0, VDS < 0, IDS < 0
• Corte: VGS ≥ -VT
• Saturación: VDS < VGS+ VT => ISD= K (VGS+VT)2 , tomando K y VT envalor absoluto
• Se emplean menos que los de canal N pues la movilidad de los huecos esmenor =>
∗ menor frecuencia de conmutaciónretardo proporcional a
∗ menor densidad de integración: µ menor => K menor => IDS menor => necesario aumentar (W/L)
LVDD
2
2µ FH
IK
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2.2 EL MOSFET DE ACUMULACIÓNPolarización
Polarización fija
VGS = VGG = constante
VGS > VT
VDD
VGG
RD
Realimentación de drenador
VGS = VDS => transistor saturado
VDS = VDD - IDS RD
Mayor estabilidad del punto Q
VDD
RG
RD
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2.2 EL MOSFET DE ACUMULACIÓNPolarización (2)
ECUACIONES PARA ANALIZAR LOS CIRCUITOS DE POLARIZACIÓN CON FET:
(1) MALLA DE ENTRADA, G-S(2) PARÁBOLA DE SATURACIÓN (SUPOSICIÓN)
IDS = K (VGS -VT)2
(3) MALLA DE SALIDA, D-S, RECTA DE CARGA
DE (1) Y (2) SE OBTIENE IDSQ Y VGSQ
EN (3) SE OBTIENE VDSQ
COMPROBACIÓN DE SATURACIÓN: VDSQ > VGSQ - VT
SINO, UTILIZAR EN (2) LA EXPRESIÓN DE LA ZONAÓHMICA:
IDS = K [ 2 (VGS - VT) VDS - (VDS)2 ]
Y VOLVER A HACER LOS CALCULOS
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2.3 EL MOSFET DE DEPLEXIÓN Funcionamiento y curvas características
• Mosfet de deplexión de canal N:
• El canal ya existe por construcción
• Influencia de VGS:∗ Si VGS > 0 => el canal se amplía (enriquecimiento)∗ Si VGS < 0 => el canal se estrecha (empobrecimiento)∗ Si VGS ≤ - Vpo (pinch-off) => el canal desaparece (corte)
• Influencia de VDS: VDS > 0 => IDS > 0
• Transistor unipolar y simétrico
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2.3 EL MOSFET DE DEPLEXIÓN Funcionamiento y curvas características (2)
REGIÓN DE CORTE
VGS ≤ -VPO, IDS = 0 ∀VDS EL CANAL DESAPARECE
REGIÓN ÓHMICA
0 < VDS ≤ VGS + VPOI I 2 1
V
V
V
V
V
VDS DSSGS
PO
DS
PO
DS
PO
2
= +
−
PARA VDS PEQUEÑA: I 2I
V1
V
VVDS
DSS
PO
GS
PODS= ⋅
+
⋅
REGIÓN DE SATURACIÓN
VDS > VPO + VGSI I 1
V
VDS DSSGS
PO
= ⋅ +
2
Parámetros:
Vpo, IDSS
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Resumen de algunas fórmulasMOSFET ACUMULACIÓN
NMOS PMOS
V VGS T> CONDUCE V VGS T< −V V VDS GS T> − SATURACIÓN V V VDS GS T< +
( )I K V VDS GS T= −2 PARABOLA
SATURACIÓN( )2
TGSSD VVKI +=
MOSFET DEPLEXIÓN
NMOS PMOS
V VGS PO> − CONDUCE V VGS PO<V V VDS GS PO> + SATURACIÓN V V VDS GS PO< −
I IV
VDS DSSGS
PO
= +
1
2 PARABOLASATURACIÓN
2
1
−=
PO
GSDSSSD V
VII
TOMANDO EL VALOR ABSOLUTO DE K, IDSS, VT Y VPO
EN TODAS LAS FORMULAS
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2.4 EL MOSFET EN CONMUTACIÓN
VDD
RD
Ve
VoVGS LINEAL
VT VDD
0V
• Es un interruptor más ideal que el BJT: en la zona lineal
VDS ≈ 0V, frente a VCE(sat) de los transistores BJT
• A mayor RD => menor VDS en el nivel bajo de salida
• El transistor funciona entre corte y zona lineal
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TRANSISTOR
VDD
Ve
Vo
CARGA SATURADAT2
T1
VGS2 = VDS2
VDS2 > VGS2 -VT : SATURACIÓN
W/L < 1 (RELACIÓN ANCHO/LARGODEL CANAL)
2.4 EL MOSFET EN CONMUTACIÓN (2)• RD integradas: cargas activas construídas con transistores,para facilitar el proceso de fabricación y que ocupen menosespacio
• Algunos tipos:
TRANSISTORVe
Vo
T1
VDD
T2CARGA DE DEPLEXIÓN
VGS2 = 0V
W/L < 1
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2.4 EL MOSFET EN CONMUTACIÓN (3)
• Cargas activas. Curvas de transferencia
<=
<=
<=
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2.5 EL INVERSOR CMOS
• Tecnología CMOS = Complementary MOS
• Combinación de transistores NMOS y PMOS por parejas
• Gran difusión en en c.i. digitales VLSI:
∗ Consumo de potencia muy bajo
∗ Curva de transferencia muy ideal
∗ Aceptable velocidad y densidad de integración
• Circuito básico digital: inversor CMOS
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2.5 EL INVERSOR CMOS (2)
Ve Vs
VDD
S
D
G
D
SG
PMOS
NMOS
ID
T2
T1
• VGS1 = Ve , VGS2 = Ve - VDD
• Si Ve ≈ VDD (“1”) => PMOS off, NMOS on, Vs ≈ 0V
• Si Ve ≈ 0V (“0”) => PMOS on, NMOS off, Vs ≈ VDD
• Consumo estático bajísimo: T1 o T2 cortado
• Consumo dinámico proporcional a: V2DD CL f
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2.5 EL INVERSOR CMOS (3)
Inversor CMOS de pozo-N (N-well):
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2.6 PROTECCIÓN DE LOS TRANSISTORESMOSFET
• Sobretensiones, sobrecorrientes y potenciales electrostáticoselevados pueden provocar la ruptura de la capa de dieléctrico(SiO2) de los transistores MOSFET => gate oxide breakdown
• Capa thinox: muy fina, ∼ 800 - 1000 Å (1Å = 0.1 nm)
Rotura de la capa thinox debido apotenciales electrostáticos en lapuerta
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2.6 PROTECCIÓN DE LOS TRANSISTORESMOSFET (2)
• Precauciones en el manejo de los MOSFET:
∗ Almacenamiento en material conductor
∗ Manipulación humana cuidadosa
∗ En funcionamiento, conectar las entradas no usadas amasa o VDD
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2.6 PROTECCIÓN DE LOS TRANSISTORESMOSFET (3)
• Circuitos de protección con diodos (clamping diodes):
Ve
D1
D2
VDD
G
D
S
-0.7V ≤ VG ≤ VDD + 0.7V
D1 CONDUCE SI Ve > 0.7V + VDD
D2 CONDUCE SI Ve < - 0.7 V
Ve G
D
S
-0.7V ≤ VG ≤ +VZ
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2.7 APLICACIONES DE LOS TRANSISTORESFET
• Buffers o amplificadores de alta impedancia de entrada
• Interruptores analógicos/digitales
• Circuitos lógicos VLSI (NMOS, CMOS)
• Conmutación de potencia (VMOS, DMOS, TMOS, …)
• Resistencias variables, fuentes de corriente
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2.7 APLICACIONES DE LOS TRANSISTORESFET (2)
Fuente de corriente
Amplificadores:
∗ Fuente común
∗ Seguidor de fuente
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2.7 APLICACIONES DE LOS TRANSISTORESFET (3)
Interruptor analógico
Multiplexor analógico
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2.7 APLICACIONES DE LOS TRANSISTORESFET (4)
Filtro pasa-bajos variable
Conversor de tensión
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2.7 APLICACIONES DE LOS TRANSISTORESFET (5)
Conmutación de potencia