Tema 3: EL TRANSISTOR FET...

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  • 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)

  • 9

    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

    12

    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

    16

    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

    18

    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

    28

    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