1

Tema 3: EL TRANSISTOR FET2.1 Introduccin

2.2 El Mosfet de acumulacin

Funcionamiento y curvas caractersticas Polarizacin

2.3 El Mosfet de deplexin

Funcionamiento y curvas caractersticas2.4 El Mosfet en conmutacin

2.5 El inversor CMOS

2.6 Proteccin de los transistores Mosfet

2.7 Aplicaciones de los transistores Mosfet

2

BIBLIOGRAFATEORA:

Boylestad. Electrnica. Teora de circuitos, Cap. 6 y 7

Savant et al. Diseo electrnico, Cap. 4

Millman y Grabel. Microelectrnica, Cap. 4

Malik. Circuitos electrnicos, Cap. 5

PROBLEMAS:

Benlloch et al. Prob.resueltos de electrnica, Cap. 3

Waterworth. Electrnica. Cuad. de trabajo, Cap. 3

3

2.1 INTRODUCCIN

FET = Field Effect Transistor

Tipos:JFET (Junction FET), Shockley 1952MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET)

* Kahn and Atalla, 1960* Deplexin o empobrecimiento* Acumulacin o enriquecimiento

MESFET (Metal-Semiconductor FET), Mead 1966

Dispositivo unipolar Corriente controlada por un campo elctrico

4

2.1 INTRODUCCIN (2)

Primer Mosfet fabricado (1960):

5

2.1 INTRODUCCIN (3) Algunas caractersticas:

* Alta densidad de integracin => VLSI

* Versatilidad

* Estabilidad con la temperatura

* Elevada impedancia de entrada

* Fet de potencia

* Sensibles a sobretensiones, sobrecorrientes y electricidad esttica

* Linealidad pobre

* Menor ganancia que los BJT6

2.2 EL MOSFET DE ACUMULACINFuncionamiento y curvas caractersticas

Mosfet de enriquecimiento de canal N:

Contactos => S=Fuente (Source), G=Puerta (Gate), D=Drenador (Drain)

Aislante (dielctrico) de SiO2 para aislar la puerta

Sustrato en ocasiones conectado a la fuente

7

Formacin del canal: Para VGS > VT (Threshold voltage) se induce un canaltipo N entre S y D, por acumulacin de e-

Conduccin: Para VDS > 0 se establece un flujo de e- de S a D a travs del

canal => IDS > 0

Transistor unipolar y simtrico

2.2 EL MOSFET DE ACUMULACINFuncionamiento y curvas caractersticas (2)

8

2.2 EL MOSFET DE ACUMULACINFuncionamiento y curvas caractersticas (3)

Regin de corte: VGS VT, IDS = 0 VDS, no se forma canal. VT: de 1 a 5V

Regin hmica: 0 < VDS VGS - VT, IDS = K [2 (VGS-VT) VDS - (VDS)2]

Si VDS pequea => IDS K [2 (VGS-VT) VDS ] => RDS(on) variable con VGS K es proporcional a la relacin ancho/largo del canal (W/L)

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2.2 EL MOSFET DE ACUMULACINFuncionamiento y curvas caractersticas (4)

Regin de saturacin: VDS > VGS - VTEl canal se estrangula y la corriente IDS constante, independientemente de VDSCorriente de saturacin: IDS = K (VGS-VT)

2 (caracterstica de transferencia,parbola de saturacin,)

Fuente de corriente controlada por tensin (Field Effect Transistor)

Equivalencias con el BJT:

FET BJTDRENADOR COLECTORFUENTE EMISORPUERTA BASE

FET BJTZONA DE CORTE ZONA DE CORTEZONA DE SATURACIN ZONA ACTIVAZONA LINEAL ZONA DE SATURACIN

10

2.2 EL MOSFET DE ACUMULACIN de canal P

11

2.2 EL MOSFET DE ACUMULACIN de canal P (2)

Cambian los sentidos de las corrientes y las polaridades de lastensiones: VGS < 0, VDS < 0, IDS < 0

Corte: VGS -VT Saturacin: VDS < VGS+ VT => ISD= K (VGS+VT)2 , tomando K y VT en

valor absoluto

Se emplean menos que los de canal N pues la movilidad de los huecos esmenor =>

menor frecuencia de conmutacinretardo proporcional a

menor densidad de integracin: menor => K menor => IDS menor => necesario aumentar (W/L)

LVDD

2

2 FH

IK

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2.2 EL MOSFET DE ACUMULACINPolarizacin

Polarizacin fija

VGS = VGG = constante

VGS > VT

VDD

VGG

RD

Realimentacin de drenador

VGS = VDS => transistor saturado

VDS = VDD - IDS RD

Mayor estabilidad del punto Q

VDD

RG

RD

13

2.2 EL MOSFET DE ACUMULACINPolarizacin (2)

ECUACIONES PARA ANALIZAR LOS CIRCUITOS DE POLARIZACIN CON FET:

(1) MALLA DE ENTRADA, G-S(2) PARBOLA DE SATURACIN (SUPOSICIN)

IDS = K (VGS -VT)2

(3) MALLA DE SALIDA, D-S, RECTA DE CARGA

DE (1) Y (2) SE OBTIENE IDSQ Y VGSQEN (3) SE OBTIENE VDSQ

COMPROBACIN DE SATURACIN: VDSQ > VGSQ - VTSINO, UTILIZAR EN (2) LA EXPRESIN DE LA ZONAHMICA:

IDS = K [ 2 (VGS - VT) VDS - (VDS)2 ]

Y VOLVER A HACER LOS CALCULOS

14

2.3 EL MOSFET DE DEPLEXIN Funcionamiento y curvas caractersticas

Mosfet de deplexin de canal N:

El canal ya existe por construccin

Influencia de VGS: Si VGS > 0 => el canal se ampla (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 simtrico

15

2.3 EL MOSFET DE DEPLEXIN Funcionamiento y curvas caractersticas (2)

REGIN DE CORTE

VGS -VPO, IDS = 0 VDS EL CANAL DESAPARECE

REGIN HMICA

0 < VDS VGS + VPO I I 2 1V

V

V

V

V

VDS DSSGS

PO

DS

PO

DS

PO

2

= +

PARA VDS PEQUEA: I 2I

V1

V

VVDS

DSS

PO

GS

PODS=

+

REGIN DE SATURACIN

VDS > VPO + VGS I I 1V

VDS DSSGS

PO

= +

2

Parmetros:

Vpo, IDSS

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Resumen de algunas frmulasMOSFET ACUMULACIN

NMOS PMOS

V VGS T> CONDUCE V VGS T< V V VDS GS T> SATURACIN V V VDS GS T< +

( )I K V VDS GS T= 2 PARABOLASATURACIN ( )2

TGSSD VVKI +=

MOSFET DEPLEXIN

NMOS PMOS

V VGS PO> CONDUCE V VGS PO + SATURACIN V V VDS GS PO<

I IV

VDS DSSGS

PO

= +

1

2 PARABOLASATURACIN

2

1

=

PO

GSDSSSD V

VII

TOMANDO EL VALOR ABSOLUTO DE K, IDSS, VT Y VPOEN TODAS LAS FORMULAS

17

2.4 EL MOSFET EN CONMUTACIN

VDD

RD

Ve

VoVGS LINEAL

VT VDD

0V

Es un interruptor ms 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 : SATURACIN

W/L < 1 (RELACIN ANCHO/LARGODEL CANAL)

2.4 EL MOSFET EN CONMUTACIN (2) RD integradas: cargas activas construdas con transistores,para facilitar el proceso de fabricacin y que ocupen menosespacio

Algunos tipos:

TRANSISTORVe

Vo

T1

VDD

T2CARGA DE DEPLEXIN

VGS2 = 0V

W/L < 1

19

2.4 EL MOSFET EN CONMUTACIN (3)

Cargas activas. Curvas de transferencia

21

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 esttico bajsimo: T1 o T2 cortado

Consumo dinmico proporcional a: V2DD CL f 22

2.5 EL INVERSOR CMOS (3)

Inversor CMOS de pozo-N (N-well):

23

2.6 PROTECCIN DE LOS TRANSISTORESMOSFET

Sobretensiones, sobrecorrientes y potenciales electrostticoselevados pueden provocar la ruptura de la capa de dielctrico(SiO2) de los transistores MOSFET => gate oxide breakdown

Capa thinox: muy fina, 800 - 1000 (1 = 0.1 nm)

Rotura de la capa thinox debido apotenciales electrostticos en lapuerta

24

2.6 PROTECCIN DE LOS TRANSISTORESMOSFET (2)

Precauciones en el manejo de los MOSFET:

Almacenamiento en material conductor

Manipulacin humana cuidadosa

En funcionamiento, conectar las entradas no usadas amasa o VDD

25

2.6 PROTECCIN DE LOS TRANSISTORESMOSFET (3)

Circuitos de proteccin 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

26

2.7 APLICACIONES DE LOS TRANSISTORESFET

Buffers o amplificadores de alta impedancia de entrada

Interruptores analgicos/digitales

Circuitos lgicos VLSI (NMOS, CMOS)

Conmutacin de potencia (VMOS, DMOS, TMOS, )

Resistencias variables, fuentes de corriente

27

2.7 APLICACIONES DE LOS TRANSISTORESFET (2)

Fuente de corriente

Amplificadores:

Fuente comn Seguidor de fuente

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2.7 APLICACIONES DE LOS TRANSISTORESFET (3)

Interruptor analgico

Multiplexor analgico

29

2.7 APLICACIONES DE LOS TRANSISTORESFET (4)

Filtro pasa-bajos variable

Conversor de tensin

30

2.7 APLICACIONES DE LOS TRANSISTORESFET (5)

Conmutacin de potencia