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TRANSITORES DE EFECTO DE CAMPO
(Field effect transistor, FET) Generalidades Clasificación Principio de Funcionamiento y Simbología Característica V-I de Salida Característica de Transferencia Circuitos de Polarización MOSFET. Descripción. Simbología . Característica V-I
Características Generales Son dispositivos de estado sólido Tienen tres terminales denominados:
Drenador Puerta Fuente ó surtidor
Es el campo eléctrico el que controla el flujo de Cargas, por ello son dispositivos gobernados por tensión La corriente de puerta es prácticamente nula en func. Normal
Según en que región de polarización se encuentren, funcionan como:
Resistencias controladas por tensión Amplificadores de corriente ó tensión Fuentes de corriente Interruptores lógicos y de potencia
Utilizan un solo tipo de portadores de carga, (Por eso se llaman también unipolares): Electrones si son de canal N Huecos si son de canal P
Clasificaciones de los Transistores FET
FET
JFET
Canal N
Canal P
Canal P
MOSFET Decremental
Incremental
Canal N
FET: Transistores de efecto de campo.
JFET: Transistores de efecto de campo de unión.
MOSFET: Trans. de efecto de campo de metal-oxido-semiconductor
Analogía entre Transistores Bipolar y transistores FET
Colector Drenador Emisor Surtidor Base Compuerta
Analogía en el sistema hidráulico Fuente: Surtido (S) Drenaje: Drenador (D) Compuerta: Compuerta (G)
JFET de canal N
Simbología de los transistores JFET
JFET (canal P) Símbolo
G
D
S JFET (canal N)
Símbolo
G
D
S
canal P
G D
S canal N
G D
S
Otros símbolos
Principio de funcionamiento de los transistores de efecto de campo de unión, JFET
Con Tensión Compuerta Surtidor en corto circuito (VGS= 0V) y VDS > 0v
N-
(G)
(S)
P+
P+
(D)
Principio de funcionamiento de los transistores de efecto de campo de unión, JFET
V1
Según aumenta la tensión drenador-fuente, la corriente ID= IS sigue la ley de Ohm, quedando limitada por la resistencia del canal. El canal se comporta como una resistencia fija.
Principio de funcionamiento de los JFET
VDS
N-
(G)
(S)
P+
P+
(D)
Si se continúa aumentando más la tensión drenador-fuente, la zona de deplexión llega a dejar una parte del canal con muy pocos portadores. La corriente de drenador llega a su máximo valor IDSS y el canal se satura. La tensión VDS a la que se produce la saturación del canal recibe el nombre de tensión de contracción (“pinch-off”), VPO.
VDS ≥ VPO
IDSS + -
ID
VDS VPO
Comportamiento resistivo
Comportamiento como fuente de corriente
Caraterística V-I de los JFET cuando VGS = 0
IDSS
N-
(G)
(S)
P+
P+
(D)
VDS =VPO
¿Qué pasa si VGS < 0?
•Con VGS=0, la saturación ocurre cuando VDS = VPO y la ID= IDSS
•La saturación se produce cuando: •VDS =VP e Isat< IDSS
siendo Vp= |VPO |- |VGS|
Cuando VGS < 0, la corriente que circula es menor y la saturación se produce a una VDS
menor.
VPO
(G)
(S)
P+
P+
(D)
N-
•El canal es siempre más estrecho, al estar polarizado más inversamente mayor resistencia
VGS - UB
UA
VDS
+
-
VP
VGS = 0V
VGS = -0,5V
VGS = -1V
VGS = -1,5V
VGS = -2V
Saturación del canal
ID [mA]
VDS [V]
4
2
4 2 6 0
•Curvas de salida
•Curvas de entrada:
No tienen interés (unión polarizada inversamente)
G
D
S
+
-
VDS
ID
VGS
Referencias normalizadas
Saturación producida cuando: VP=|VPO |- |VGS |
Curvas características de un JFET (canal N)
VDS [V]
ID [mA]
4
2
8 4 12 0
G
D
S
+
-
VDS
ID
+
-
VGS
2,5KW
10V
VGS = -2V
VGS = -1,5V
VGS = -1V
VGS = -0,5V
VGS = 0V
VGS = 0V > -0,5V > -1V > -1,5V > -2V
Comportamiento resistivo
Comportamiento como fuente de corriente
VGS = -2,5V > -2,5V
Comportamiento como circuito abierto
Análisis gráfico de un JFET en fuente común
G (P) D
S
V1
R
V2 N
R
V1
V2
B (P) C (N)
E (N)
ID IC
+
-
VBE
+
VGS
-
•En ambos casos, las tensiones de entrada (VBE y VGS) determinan las corrientes de salida (IC e ID).
IB
•En zona de comportamiento como fuente de corriente, es útil relacionar corrientes de salida y entrada (transistor bipolar) o corriente de salida con tensión de entrada (JFET).
IG 0
• La potencia que la fuente V1 tiene que suministrar es mucho más pequeña en el caso del JFET (la corriente es casi cero, al estar polarizada inversamente la unión puerta-canal).
Muy importante
Comparación entre transistores bipolares y JFET
Resistor controlado por voltaje
• La región a la izquierda es conocida como la región óhmica o de resistencia controlada por voltaje. En esta región el JFET puede ser utilizado en realidad como un resistor variable, controlado por el voltaje de la VGS.
• A medida que VGS se hace más y más negativo, la pendiente de cada curva se hace cada vez menor , correspondiendo con un nivel creciente de resistencia.
• La siguiente ecuación ofrecerá una buena primera aproximación al nivel de resistencia en términos del voltaje aplicado VGS.
CARACTERÍSTICAS DE TRANSFERENCIA
Característica de Transferencia obtenida a través de la ecuación Shockley
DETERMINACION DE gm El voltaje de dc compuerta-fuente controlaba el nivel de
la corriente de drenaje de dc (ecuación de Shockley) ID = IDSS (1 – VGS / VP)2. El cambio en la ID que se ocasionará por el cambio en el
VGS puede determinarse mediante el uso del factor de transconductancia gm de la forma siguiente:
El prefijo trans- de la terminología aplicada a gm indica
que éste establece una relación entre salida y entrada. La raíz conductancia se debe a que es una relación voltaje a corriente (conductancia de un resistor G = 1/R = I/V)
Determinación gráfica de gm En la característica de transferencia, gm es en realidad la pendiente de la curva en el punto de operación
Polarización del FET POLARIZACIÓN FIJA
a) Amplificador en conf. SC b)Análisis en CC con polarización fija
La solución gráfica, resulta de la
intercepción de la característica de
Transferencia con la recta de
polarización (Recta vertical VGSQ = - VGG
Cálculo de Av, configuración SC
Δvo + ΔId. Rd =0 y siendo ΔID= gm. ΔVGS Resulta Δvo= - gm. ΔVGS. Rd
→ 𝐴𝑣 =∆𝑉𝑜
∆𝑉𝑔𝑠 = -gm. Rd
Comportamiento en CA
Determinación Gráfica La solución gráfica, resulta de la intercepción
de la característica de Transferencia con la
recta de polarización, cuya pendiente es -1/Rs
Cálculo de Av, configuración SC
Δvo + ΔId. Rd =0 y siendo ΔID= gm. ΔVGS Resulta Δvo= - gm. ΔVGS. Rd
→ 𝐴𝑣 =∆𝑉𝑜
∆𝑉𝑔𝑠 = -gm. Rd
Comportamiento en CA
𝑰𝑫 = 𝑰𝑫𝑺𝑺. (𝟏 +𝑽𝑮𝑺
𝑽𝑷𝑶)2 = -
𝑽𝑮𝑺
𝑹𝑺 → 𝟏 − 𝟐
𝑽𝒈𝒔
𝑽𝒑𝒐+
𝑽𝑮𝑺𝟐
𝑽𝒑𝒐𝟐
𝟐
+ 𝑽𝑮𝑺
𝑰𝑫𝑺𝑺.𝑹𝒔= 𝟎
Resolviendo la ecuación cuadrática resulta 2 valores para VGS . Uno -2,6 V y otro
de -14V. Este último se desprecia por ser > Vpo
𝐷𝑒𝑠𝑝𝑒𝑗𝑎𝑛𝑑𝑜 𝐼𝐷 =𝑉𝐺
𝑅𝑠−
𝑉𝐺𝑆
𝑅𝑆 𝑠𝑒 𝑜𝑏𝑡𝑖𝑒𝑛𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑹𝒆𝒄𝒕𝒂 𝒅𝒆 𝑷𝒐𝒍𝒂𝒓𝒊𝒛𝒂𝒄𝒊ó𝒏
La solución se obtiene, reemplazando en la ecuación de la Característica de Transferencia ( Ec. de Shockley).
Solución Gráfica
Cálculo de Av, configuración SC
Δvo + ΔId. Rd =0 y siendo ΔID= gm. ΔVGS Resulta Δvo= - gm. ΔVGS. Rd
→ 𝐴𝑣 =∆𝑉𝑜
∆𝑉𝑔𝑠 = -gm. Rd
Comportamiento en CA
MOSFET (transistores de efecto de campo de metal-
óxido-semiconductor) MOSFET del Tipo Incremental o de Enriquecimiento (Canal N)
D S G
+
P-
Substrato
N+ N+
SiO2
Contactos
metálicos Metal G S D
Metal
Óxido
Semiconductor
MOSFET de enriquecimiento
(acumulación) de canal N
G
D
S
Substrato
Símbolo G
D
S MOSFET de
enriquecimiento
de canal P
Símbolo
Estructura Nombre
++ ++
G D S
+
P
Substrato
N N - - - -
G D S
+
P
Substrato
N N
Principios de operación de los MOSFET
V1
+ + + +
- - - -
Zona de transición
(con carga espacial)
V2 > V1
+ + + +
+++ +++
- - - -
- -
- -
Se empieza a formar una
capa de electrones
(minoritarios del substrato)
VDS
VDS
Curvas características de un MOSFET de
enriquecimiento de canal N
ID [mA]
VDS [V]
4
2
4 2 6 0
•Curvas de salida
VGS=VT
VGS = 2,5V
VGS = 3V
VGS = 3,5V
VGS = 4V
VGS = 4,5V
Referencias
normalizadas
+
- VDS
ID
+
- VGS
G
D
S
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