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Electrónica Transistores BJT, FET y MOSFET

Profesor: Javier Urquizo Guevara

I Termino 2014-2015



Electrónica

Contenido

1. Características y funcionamiento del transistor BJT2. Polarización de circuitos básicos de amplificación

con transistores BJT

3. Amplificación con transistores BJT4. Conmutación con transistores BJT

5. Características, funcionamiento y aplicación detransistores de Efecto de Campo (FET)

6. Características, funcionamiento y aplicación deTransistores de Efecto de campo de semiconductorde oxido metálico (MOSFET)



Electrónica

Transistor

El transistor es un dispositivo electrónico quecumple funciones de amplificador, oscilador,conmutador o rectificador.



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Cronología

• 1904: Diodo de Tubo de Vacío

• 1906: Tríodo, con rejilla de control.

• 1930: Tetrodo, Pentodo tuvieron un rol destacado

por la industria de radio y TV• 1947: Invención del primertransistor. Era mas pequeño, robustoy eficiente. Laboratorios Bell.

• 1951: Fabricación en serie



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Tipos de Transistores

T r

a n s i s t o r

BJTNPN

PNP

FET

JFET

MOSFET

IGBNTRIAC

TIRISTOR



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Transistor BJT

El transistor es un dispositivo semiconductor de trescapas que consta de dos capas de material tipo “n” yuna de material tipo “p” o de dos capas de material

tipo “p” y una de material tipo “n”.



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Características del BJT

Los terminales de este dispositivo se identifican pormedio de las letras mayúsculas:

E para emisor, C para colector y B para base



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• El emisor tiene gran cantidad de impurezas. Su función esemitir o suministrar los portadores de carga.

• La base tiene muy pocas impurezas y es muy delgada.

• La cantidad de impurezas en el colector es menor que en elemisor, pero mayor que en la base. El área del colector es lamayor de las 3, porque es el colector el que disipa mayorcantidad de calor en el emisor o la base.



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Por analogía de diodos, el transistor puede serconstruido como dos diodos que se conectan juntos.



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Operación del BJT

Polarización Directa-Inversa:

Para que el transistor funcione se debe tener unaunión p-n polarizada inversamente y la otra

polarizada directamente



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Operación del BJT

Aplicando LKC: = +

El material “emparedado” es muy delgado y su conductividad es baja, por lotanto el es muy pequeño. (típicamente en orden de los microamperios)



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Operación del BJT

La corriente es la unión de dos componentes losportadores mayoritarios y minoritarios

= +

La corriente de portadores minoritarios () sedenomina corriente de fuga y se le da el símbolo ,que simboliza a la corriente

con el terminal del

emisor abierto (open). En general se mide en miliamperes e se mide en nano amperes.



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Punto Q

Para los amplificadores o transistores, el voltaje y lacorriente DC resultantes establecen un pto deoperación sobre las características que definen una

región que se utilizara para la amplificación de la señalaplicada, este pto de operación es pto fijo (PUNTO Q)



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Operación en las Regiones

• Región Activa: definida por el circuitoempleado.

• Región de corte: región donde la corriente delcolector es 0A.

• Región de saturación: región de característicasa la izquierda de VCB= 0V.



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Configuración Base Común

Esta configuración se refiere a:

• La base es común para el circuito de entrada comopara el de salida

• La base es generalmente el terminal mas cercano alpotencial de tierra

• Entrada emisor, salida colector



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Electrónica


Para describir el comportamiento de los amplificadoresde base común se requiere dos graficas características:

• Entrada o características del emisor

• Salida o características del colector



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Las curvas (características de salida) claramente indicanque una primera aproximación a la relación entre IE eIC en la región activa esta dada por

• IC≈IE • Una vez que un transistor esta en el estado ‘on’ , el

voltaje base-emisor se asume ser: VBE= 0.7V



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Electrónica


Las características de salida tiene 3 regiones básicas:

• Región Activa -definida por el circuito empleado. Enla región activa la unión base-emisor se polariza en

directa en tanto que la unión colector-base está eninversa. Región para amplificación de voltaje.



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Configuración Emisor Común

• Región de corte –región donde la corriente delcolector es 0A. En la región de corte las unionesbase-emisor y colector-base de un transistor se

polarizan en directa.

• Región de Saturación-región de características a laizquierda de VCB= 0V. En la región de saturación lasuniones base-emisor y colector-base se polarizan eninversa. No fluye corriente en el colector.



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En el modo DC los niveles de IC e IE debido a losportadores de mayoría están relacionados por unacantidad llamada alfa

=

= +

Debido a que es un valor muy pequeño; =



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Para situaciones AC donde el punto de operación semueve sobre la curva característica, y un AC alfa estadefinida por

= ∆∆

Alfa es un factor de ganancia de corriente en base

común que muestra la eficiencia por calcular elporcentaje de corriente de emisor a colector. El valor de es típicamente entre 0.9 ~ 0.998.



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Polarización

La polarización apropiada de la configuración de basecomún en la región activa se determina de inmediatocon la aproximación ≅ y suponiendo que

≅ 0



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Esta configuración se refiere a:

• El emisor es común o referencia para los terminalesde entrada y de salida.

• El emisor es el terminal mas cercano al potencial detierra

• Entrada base, salida colector

• Casi toda la amplificación usa la conexión de CE dadoque tiene la mas alta ganancia de corriente y voltaje.



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De la misma manera que en la configuración basecomún, para describir el comportamiento de losamplificadores de emisor común se requiere dos

graficas características:• Entrada (terminal de la base)

• Salida (terminal del colector)



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Características de entrada

• IB esta en microamperios comparado a ICmiliamperios .

• IB fluye cuando VBE > 0.7V para silicio y 0.3V paragermanio.

• La unión Base-emisor esta polarizada directamente.

• Incrementando VCE reducirá IB para valoresdiferentes.



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Características de Salida• Para valores pequeños VCE (VCE < VCESAT), IC incrementa

linealmente cuando VCE incrementa.

• VCE > VCESAT IC no depende totalmente de VCE

ICconstante

• IB(uA) es muy pequeño comparado a IC(mA). Pequeñoincremento en IB causa un gran incremento in IC

• IB=0 A

ICEO aparece.• Note el valor cuando IC=0A. Hay todavía algún valor

de flujo de corriente.



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Las características de salida tiene 3 regiones básicas:

• Región Activa -definida por el circuito empleado. Enla región activa la unión base-emisor se polariza en

directa en tanto que la unión colector-base está eninversa. Región para amplificación de voltaje,corriente y potencia.



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• Región de corte –región donde la corriente delcolector es 0A. En la región de corte las unionesbase-emisor y colector-base de un transistor se

polarizan en directa.

• Región de Saturación-región de características a laizquierda de VCB= 0V. En la región de saturación las

uniones base-emisor y colector-base se polarizan eninversa. Uso del transistor como switch lógico.



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La relación de corriente de colector dc (IC) a la corrientede base dc (IB) es beta dc (βDC) la cual es una gananciade corriente dc donde IC e IB son determinados en un

punto de operación particular, punto Q (puntoinactivo). Se conoce a esta relación como la ganancia

de corriente emisor común.

=



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Para condiciones AC una beta AC se define comolos cambios de la corriente de colector(IC)comparado a los cambios de la corriente de base

(IB) donde IC e IB están determinados en un puntode operación. En la hoja de datos, βac=hfe.



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= 1 −

↔ = + 1



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Configuración Colector Común

Conocido también como seguidor de emisor. La entradacaracterística de la configuración colector común es similar ala de emisor común.Se llama colector común porque tanto la señal de la fuente yla carga el terminal del colector como un punto de conexióncomún.El voltaje de salida se obtiene en el terminal del emisor.La configuración del circuito colector común es obtenido conla resistencia de carga conectada desde emisor a tierra.

Se usa principalmente para acoplamiento de impedancia dadoque este tiene una alta impedancia de entrada y una bajaimpedancia de salida.



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Configuración Colector Común



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Limites de operación

Muchos transistores BJT son usados como amplificador. Por esto esimportante notar los límites de operación.

Al menos 3 valores máximos valores son mencionados en la hoja de datos.

a) Máximo poder de disipación en el colector: Pcmax o PD

b) Máximo voltaje colector-emisor: VCEmax algunas veces llamado comoVBR(CEO) o VCEO.

c) Máxima corriente del colector: ICmax

Hay pocas reglas para los transistores BJT usados como un amplificador. Lasreglas son:

i) El transistor necesita ser operado en la región activaii) IC< ICmax

ii) PC< PCmax



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Ejercicio

Para el siguiente circuito,encuentre:

1. Las corrientes deltransistor IE, IC e IB

2. Los voltajes del transistorVBC y VEC

Datos del transistor: VBE=0.7V,α=0.97



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Zonas de funcionamiento del transistor

Ej i i



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Ejercicio

18 V

2k

3.5 k18k

8k60k

90k

Q 2Q 1

-12 V

Hallar los puntos deoperación Q para cadatransistor (β= 100)

Q1 =

1b I

1c

I

1e

I

1ce

V

Hallar los puntos de operación Q para cada transistor (β 100)



18 V

2k

3.5 k18k

8k60k

90k

Q 2

Q 1

-12 V

18 V 18 V

-12 V -12 V

3.5 k18k90k

8k 2k60k

AplicamosThevenin

V V Th

6)6090

90(12)

6090

90(18

k k k RTh 3690||60

ThQ 2

Q 1

Hallar los puntos de operación Q para cada transistor (β= 100)



A

k k

I b

33.918)101(36

127.06

1

mA A I

I I

c

bc

933.033.9)100(1

11

mA A I

I I

e

be

9424.033.9)101(

)1(

1

11

0)(87.0)1(2212

bcb I I k I k

Ak k

Ak I b

209.328)101(

7.0)933.0(82

mA A I

I I

c

bc

221.3209.32)100(2

22

2k8k

18k 3.5 k

18 V 18 V

-12 V -12 V

36k6 V

1b I 1

c I

1e

I 2c I

2e

I

2b

I

Th V Th

R

ceV

ecV

II )1(



mA A I

I I

e

be

253.3209.32)101(

)1(

2

22

)253.3(18)209.32933.0(8181mAk AmAk V

ce

V V ce

89.51 >0 Q1 “Zona Activa”

12)220.3(5.3)253.3(2182

mAk mAk V ce

V V ce 226.122 >0 Q2 “Zona Activa”

Q1 =

A I b

33.91

mA I c

933.01

mA I e

924.01

V V ce

89.51

Q2 =

A I b

209.322

mA I c

221.32

mA I e

253.32

V V ce

226.122



Electrónica

Transistores de Efecto de Campo

También llamado FET (Field Effect Transistor), es undispositivo de 3 terminales que se utiliza paraaplicaciones que se asemejan a la del BJT.

Los FET son más estables a la temperatura y en generalmas son mas pequeños que los BJT, lo que los haceparticularmente útiles en chips de circuitos integrados.



Electrónica

Transistores de Efecto de Campo

La principal diferencia es que el BJT es un dispositivocontrolado por corriente mientras que el FET es undispositivo controlado por voltaje.



Electrónica

Clasificación del FET

F E T

JFET

Canal N

Canal P

MOSFET

Agotamiento

Canal N

Canal P

EnriquecimientoCanal N

Canal P

T i t d Ef t d U ió d



Electrónica

Transistor de Efecto de Unión deCampo

Se denomina transistor JFET (Junction Field EffectTransistor) es un dispositivo electrónico que según unosvalores de entrada, reacciona dando unos valores de

salida. Utiliza una unión p-n similar al transistor BJT.

GS

D



Electrónica

Características del JFET

La parte superior del canal tipon está conectada mediante uncontacto óhmico a un materialconocido como drenaje (D), en

tanto que el extremo inferiordel mismo material estáconectado mediante uncontacto óhmico a una terminalconocida como fuente (S). Losdos materiales tipo p estánconectados entre sí y a laterminal de compuerta (G).



Electrónica


La fuente de la presión de agua puede ser vinculada al voltajeaplicado del drenaje a la fuente, el cual establece un flujo deagua (electrones) desde el grifo (fuente). La “compuerta” graciasa una señal aplicada (potencial), controla el flujo de agua (carga)

dirigido hacia el “drenaje”.



Electrónica


a) Canal N

NP

P

FuenteS(Surtidor)

DDrenador

GCompuerta

Simbología

Q3

Id

D + - S

+

Vgs-

G

Vds



Electrónica


P

N

N

FuenteS(Surtidor)

DDrenador

GCompuerta

b) Canal P Simbología



Electrónica

Construcción del JFET

Para un valor Vgs=0; Vds > 0La región de empobrecimiento esaquella que no presenta portadoreslibres y por tanto es incapaz de soportarla conducción a través de la región.

En el momento de aplicar Vdd, loselectrones serán atraídos al terminal dedrenaje, estableciéndose la Idconvencional en la dirección marcada.

El flujo de carga se encuentrarelativamente sin ninguna restricción ysolo lo limita la resistencia del canal nentre el drenaje y la fuente

Mientras mayor es la polarizacióninversa aplicada, mas ancha es la regiónde agotamiento.



Electrónica


Cuando el Vds aumenta desdecero hasta unos cuantos voltios lacorriente Id aumenta. Mientrasmas horizontal es la curva, mayores la resistencia y si Vds aumenta

hasta donde parece que las dosregiones de agotamiento se tocanresulta la condición deEstrechamiento.

Esta condición se lo conoce comoVoltaje de Estrechamiento o Vp(PINCH OFF).

Idss= Corriente de Drenaje a lafuente con una conexión decortocircuito

Aumento de la resistenciadebido al estrechamiento del canal

Idss

0 Vp Vds

Nivel desaturación

Vgs=0V

Resistencia canal N

Id



Electrónica


Mientras Vds se incrementa mas allá de Vp, la región delencuentro cercano entre las dos regiones de agotamiento seincrementa pero el nivel de Id permanece constante.

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

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



Electrónica


Para Vgs<0VEn forma análoga como en los BJTtenemos curvas de Ic en función deVce para diferentes valores de Ib,

se pueden desarrollar curvas de IdEn función de Vds para variosniveles de Vgs para JFET

Vgs → voltaje que controla el JFET

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



Electrónica

Construcción del JFETEl resultado de aplicar una polarización negativa en la compuerta es alcanzarun nivel de saturación aun nivel menor de Vds.

Es decir el nivel de saturación para Iddisminuye y seguirá disminuyendo mientrasVgs se hace más negativo (observe Figura deCaracterísticas).

Además se observa como el Vp continuacayendo en una trayectoria parabólicaconforme Vgs es mas negativo.

Cuando Vgs= - Vp, Vgs será lo

suficientemente negativo como paraestablecer un nivel de saturación que seráen esencia cero miliamperios, por otro ladopara todos los propósitos el dispositivo hasido “apagado”.

Idss

0 Vp Vds

Nivel desaturación

Vgs=0V

Id

RegiónOhmica

Región de saturación

Vgs=-1V

Vgs=-2V

Vgs=-3V Vgs=-4V

5 10 15



+Vdd >=|Vp|

-

Id =Idss

D

S

G

+-

VgsVgs=0V

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 la fuenteVgs 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)



Electrónica

Para el BJT tenemos: B Bc I I f I )(

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 SHOCKEY:

2

1

VpVgs I I DSS D

Constantes

Variable de control

Características de transferencia



Electrónica

Para el BJT tenemos: B Bc I I f I )(

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 SHOCKEY:

2

1

VpVgs I I DSS D

Constantes

Variable de control




Electrónica




Electrónica

Operación del JFET

Similar al transistor BJT, el JFET también tienetres regiones de operación:

• Región de corte

• Región lineal

• Región de saturación



Electrónica

Operación del JFET

Región de corte

La condición de la región de corte es que el canal estécompletamente estrangulado en las proximidades de la

fuente, lo que sucede cuando la tensión puerta-fuentealcance la tensión de estrangulamiento (VGS<VP). Eneste caso ID=0.



Electrónica

Operación del JFET

Región lineal (activa)

Es la región en que se produce un incremento de laintensidad ID al aumentar VDS. Este incremento es

lineal para bajos valores de VDS aunque la linealidad sepierde cuando VDS se acerca a -VP. Para trabajar en laregión lineal se deben dar dos condiciones:

VGS > VP

VGD > VP ;VGS > VP + VDS



Electrónica

Operación del JFET

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

=

2

− −

2



Electrónica

Operación del JFET

Región de saturaciónLa región de saturación tiene lugar cuando la tensiónentre drenaje y puerta alcanza la tensión deestrangulamiento. Para que ello ocurra, el canal N,

tiene que estar estrangulado en el extremo cercano aldrenaje, pero no en el extremo del canal cercano a lafuente. Entonces, al igual que en el caso anterior,deben ocurrir dos condiciones:

VGS > VP

VGD < VP ;VGS < VP + VDS



Electrónica

Operación del JFET

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

= 1 −



Electrónica

Comparación JFET y BJT

Transistor de Efecto de campo



Electrónica

Transistor de Efecto de campoMetal-óxido semiconductor

Se denomina MOSFET (Metal Oxide SemiconductorField Effect Transistor) es un transistor utilizado paraamplificar o conmutar señales electrónicas. Es eltransistor mas utilizado en la industriamicroelectrónica, ya sea en circuitos analógicos odigitales. Prácticamente la

totalidad de los microprocesadores

comerciales están basados entransistores MOSFET.



Electrónica

MOSFET

Las prestaciones del transistor MOSFET son similares alas del JFET, aunque su principio de operación y suestructura interna son diferentes. Existen cuatro tiposde transistores MOSFET:

• Incremental de canal N

• Incremental de canal P

• Decremental de canal N

• Decremental de canal P



Electrónica

Características del MOSFET

La característica constructiva común a todos los tiposde transistor MOS es que el terminal de puerta (G) estáformado por una estructura de tipoMetal/Óxido/Semiconductor.

El óxido es aislante, con lo que la corriente de puerta esprácticamente nula, mucho menor que en los JFET. Por

ello, los MOS se emplean para tratar señales de muybaja potencia.

MOSFET de tipo Decremental de



Electrónica

MOSFET de tipo Decremental decanal n

La construcción básica de este dispositivo correspondea una placa de material tipo “p” que esta formada apartir de base de Silicio y se la conoce como sustrato.

DrenajeDRegión dopada N

CompuertaG

FuenteS

Sustrato

P

n

n

n



Electrónica

Características

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

La fuente y el drenaje se conectan a la región dopada npor medio de contactos metálicos y unidas por un canaln.

í



Electrónica

Características

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 altaimpedancia, muy deseable por cierto.

La muy alta impedancia de entrada, continua

soportando totalmente el hecho de que la corriente dela entrada (Ig) en esencia de valor cero amperios, paralas configuraciones de polarización en DC.

ó



Electrónica

Operación

SustratoP

n

nn

Vdd

D

G

S

+

-

SS

Id=Is=Idss

í i



Electrónica

Curvas Características

Idss

Id(mA)

0 Vp Vds

Vgs=0V

Id

Vgs=-1V

Vgs=-2V

Vgs=-3VVgs=-4V

5 10 15

Vgs =1V

-4

8

Vgs 0Vp/2

-3 -2 -1

ModoDe agotamiento

10.9

MOSFET de tipo Decremental de



Electrónica

MOSFET de tipo Decremental decanal p

A diferencia del MOSFET anterior, el sustrato es del tipo “n” y elcanal del tipo “p”, así mismo, los terminales parecen marcadospero todas las polaridades y las direcciones de las constantesestán invertidas. La curva de salida Id Vs Vds tiene valores

positivos de Id y negativos de Vds con niveles de Vgs positivos.DrenajeD

Región dopada N

CompuertaG

FuenteS

Sustraton

p

pp SS

Id

+

-Vgs

C C í i



Electrónica


-6

6

Vgs

0

Vp/2-3

-2

-1 Vgs 0 Vp Vds

Vgs=0

V

Id

Vgs=1V

Vgs=2V

Vgs=3VVgs=4V

5 10 15

Vgs =-1V

Sí b l MOSFET D l



Electrónica

Símbolos para MOSFET Decremental

SS

D

S

D

S

D

S

S

D

S

G

G

G

G

Canal -n Canal p

MOSFET de tipo Incremental de



Electrónica

pcanal n

En la construcción básica de un MOSFET de tipoincremental, se puede observar una diferencia marcadaque es la ausencia de un canal entre las regionesdopadas tipo n.

DrenajeD

CompuertaG

FuenteS

Sustrato

P

n

n

Contactos metálicos

Región dopada -n

O ió



Electrónica

Operación

D

G

S

n

n

Ig=0 +++

- -

Is=Id

+

-

Vsd

Id

ss

O ió



Electrónica

Operación

Para valores de Vgs menores que elnivel de Umbral, la corriente drenajees 0.

Para los niveles de Vgs>Vt, lacorriente drenaje esta dada por:

= −

=()

() −

Según el grafico Vgs=8V, la saturaciónocurrió en el nivel Vds=6V y por tanto: = −

0 Vp Vds

Vgs=7

Id

Vgs=6V

Vgs=5V

Vgs=4VVgs=3V

5 10 15

Vgs =8V

C C t í ti



Electrónica


0 Vp Vds

Vgs=7

Id

Vgs=6V

Vgs=5V

Vgs=4V

Vgs=3V

5 10 15

Vgs =8V

2

7

Id (mA)

6

5

5 6 7

MOSFET de tipo Incremental de



Electrónica

pcanal p

DrenajeD

Compuerta

GFuenteS

N

p

p

Contactos metálicos

Región dopada -n

ss

C C t í ti



Electrónica


0Vp Vds

Vgs=-7

Id

Vgs=-6V

Vgs=-5V

Vgs=-4V Vgs=-3V

5 10 15

Vgs =-8V

-8Vgs

Id

Sí b l MOSFET I t l



Símbolos para MOSFET Incremental

Canal -n Canal p

D

S

D

S

D

S

D

S

ssss

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