ESCOLA DEL TREBALL BARCELONA Curs : ______ BARCELONA Alumne :_______________ Data : _____-_____-______

ActivitatIdentificador /

codi

Fitxa/

Pràctica

Durada Títol

UD7 P10.0 4h Fet i Mosfet

Transistor Fet. Com funcionaTransistor Mosfet. Com funciona. Avantatges teòriques. Control per tensió, alta Zin,Característiques de commutació.Paralelització. Deriva tèrmica.

Transistor Fet. Els transistors bipolars, controlem el corrent de col·lector amb el corrent de base.Els transistors FET ( transistors d‘efecte de camp), son també dispositius de tres terminals, on entre dosd’ells hi circula un corrent principal, però en aquest cas, es controla no per un altre corrent, sinó per tensió.

El principi dels FET es coneixia des dels anys 1930, però es varen començar a fabricar pels 60. A partir delsany 80 apareix el mosfet i esdevenen una autentica revolució en l’electrònica, sobretot en la potència.El procés de fabricació es mes simple que en el bipolar, arribant per tant a escales d’integració superiors.

Hi ha dos famílies de FET, els JFET i els MOSFET.

- Transistors JFETHi ha dos tipus de JFET, canal N i canal P.El canal es la zona vertical de la figura dreta.Les polaritats de funcionament son les indicades,el drenador, ha de ser + respecte la font o sortidori la porta tot seguit l’estudiarem.Pel canal N i pot circular un corrent, que en sentitconvencional, anirà de drenador a sortidor, aixòsense tensió aplicat a la porta.

Si apliquem a la porta una tensió negativa, faremEl canal N més estret, i augmentarà la seva resistència.

El símbols d’aquests transistors son:

I els pins, recordem-ho, Drenador D,Sortidor S i Porta G.

Les explicacions que segueixen, son respecte al JFET de canal N (NJFET), pels PJFET canvien polaritats isentit dels corrents.

Tenim, al igual que en els bipolars, tres zones de funcionament, TALL, SATURACIÓ i zona LÍNEAL.

Regió de TALLLa zona P de porta, forma un díode amb el canal N,recordem que al voltant d’una unió PN, hi ha unazona buida de portadors, es a dir, no hi ha portadorsde càrrega lliures, l’ample d’aquesta zona dependràde la tensió inversa que apliquem entre G-S.

Com més negativa, sigui Vgs, mes ample serà lazona buida de portadors i per tant disminueixl’ample del canal, el que equival a dir que laresistència D-S augmenta.

Quan Vgs es suficientment negatiu, com peraconseguir la Rds infinita, direm que hemarribat a la tensió de Tall o bloqueig (pinchoff-voltage) Vp

Per valors Vgs mes negatius, ja noaconseguim res, doncs, el corrent de drenadorId, ja s’ha fet 0, al arribar a Vp la Vgs.

Regió LÍNIALSi en un JFET, correctament polaritzat, sense arribar a Vp, apliquem una Vds >0v, evidentment circularàun corrent de drenador Id. El valor d’aquest corrent, dependrà de la resistència del canal N, arribats a aquestpunt distingirem el comportament entre valors petits o grans de Vds, respecte a Vgs.

- Valors petits Vds La Vds es menor que Vgs.

El corrent Id, depèn de Vds i de la Rds, quan més gran sigui Vgs-Vp, més ample el canal, menys Rds.Podem dir que Id ≈ (Vgs – Vp ) Vds , es a dir, Id es proporcional a Vgs i a Vds, i Rds es comporta

com una resistència que dependrà de Vgs.

0v --

0v -- Vp

- Valors grans VdsPer valors Vds > Vgs, la resistència deixa de tenir un comportament línial, veiem el perquè:

Al aplicar una Vds, per exple. de 5v, aquestatensió es trova al llarg del canal, fins arrivar aS on serà 0v.Al ser Vgs negatiu, observem en la figura,que la tensió al llarg del canal no es constant.Per tant l’estrenyiment del canal no esconstant, això ja passava a baixa Vds (casanterior), però l’efecte era despreciable.

Al succeir aquest efecte, la Rds deixa de ser línial, perla qual cosa les aplicacions del transistor seran altres.

Regió de SATURACIÓSi anem incrementant Vds, ens trobem que el gradient Vg-Vd, es va fent cada cop mes gros, fins arribar aun punt en que Vg-d es més negatiu que Vp, es dir VGD < VP => VGS - VDS < VP => VDS > VGS - VP

Al arribar al punt en que el canal s’estreny elcorrent Id es fa independent de Vds, ja que siVds↑ ⇒ estrenyiment ↑ això fa que entrem enuna zona on el transistor es comporta com ungenerador de corrent constant.

--

Corbes Característiques.Normalment, el JFET sempre s’utilitza en polarització negativa de porta, ja que sinó el corrent Ig esimportant pel fet de tenir un díode directament polaritzat.

Observem que en la zona línial, per una Vgsdeterminada, Id es funció de Vds, però sianem pujant, deixa de ser línial, fins arribar ala saturació.

Paràmetres mes rellevantsIdss . Es la Id a Vgs=0 en muntatge font comú. Es el corrent màxim del transistor.Vp. Tensió d’estrangulament del canal.Rdson Es manté constant fins a la tensió Vp, i es l’invers de la corba Id/VdsBvds Tensió de ruptura del canal per màxima tensió VdsBvgs Tensió de ruptura Vgs, es la tensió inversa màxima que suporta la unió G-S.

Models del JFETUtilitzarem en primer lloc, un model per corrent continu.

Regió de Tall. Id=0, canal estrangulat en la zona pròxima al S. Succeeix quan Vgs<Vp

Regió Línial. Zona on al ↑Vds ⇒↑Id. Línial per Vds petites, si Vds ≈ -Vp perd la línialitat. Per estar en zona línial hem de complir les dues condicions :• VGS > VP• VGD > VP VGS > VP + VDS

I el valor de Id, ve donat per la formula:

Regió de saturació. Té lloc quan Vgd ≈Vp, l’estrenyiment del canal succeeix en la zona pròxima al D. Per saturar hem de complir les dues condicions :

• VGS > VP• VGD > VP i VGS > VP + VDS

I en aquest punt Id, ja no depèn de Vds, l’equació en aquest cas, es :

Algunes aplicacions.

Amplificador : El seu equivalent es :Guany en Tensió :VO = - (gm RD)/(1+gmRs)

Ús com resistència variable :

L’equació de la Rds en la zona líneal es :

On k depèn de cada JFET, la línialitates recupera sumant a la Vgs la meitat de Vds,cosa que s’aconsegueix amb una resistència D-G.

Transistor Mosfet.Hi ha quatre tipus bàsics de MOSFET

Com podem observar, la principal diferència, es que la porta esta separada del canal, per una capa d’òxidmetàl·lic ( d’aquí ve MOS metall òxid semiconductor fiel effect). Pel fet d’estar aïllat el canal i la porta, elcorrent de porta es encara més petit que en el JFET i el comportament de porta es el d’un condensador.

El tipus d’Empobriment – depletion- el canal es conductor normalment i s’estreny al aplicar Vg, es similar al JFET.

El tipus d’Enriquiment – enhacement – el canal no es normalment conductor, i ho es al aplicar Vg.

NMOS d’EnriquimentSuposem Vds>0, Vgs=0. La zona N del Drenador, es + i forma un díode en inversa amb el substracte que es P. No pot circular corrent D-S

Ara fem Vgs >0, per tant +. Sota de la G, hi haurà una zona on aniran electrons del material P i en canvi el “huecos” seran repel·lits, es

forma doncs un canal N per sota de la porta G. Per aquest canal hi podrà circular corrent i s’establirà un corrent Ids.

El valor Vgs al qual comença Id, s’anomena Vgsth (threshold) i al seu començament, la conducció es línial.

Si Vds ↑ el canal s’estreny prop del drenador,(al igual que passava en el JFET) i es perd la línialitat. Finalment arribem al punt de saturació.

Corbes Característiques

Observem que el transistor es en tall, mentre Vgs < Vgsth. Vgs sol estar entre 3 i 5v. Hi ha famíliesdissenyades per treballar a 5v de Vgs, llavors Vgsth sol estar entre 1 i 2,5v, son les famílies “Logic level”.

Zona Óhmica o Línial, a l’esquerra de la zona puntejada (Vgs-Vgsth) =Vds, es compleix que (Vgs-Vgsth) > Vds >0, Rds es funció de Vgs. Hi ha transistors específicament dissenyats per treballar en aquesta zona. (veure APT.com)

Zona activa, es la zona de treball més freqüent, aplicant Vgs aconseguim un Id.

Més endavant estudiarem de nou les característiques de commutació.

NMOS d’EmpobrimentEn aquest cas, el canal ja existeix, per tant a Vgs=0,si Vds>0 ja hi ha Id.

Pertallar-lo, calaplicarunaVgsnegativa.

Si Vgs<0, es crea un estrenyiment del canal i el transistor passa al tall. També aquí, al igual que el JFET, si Vds>>Vgs, Id no depèn de Vds.

Corbes característiques

Observem que quan Vgs=Vp , Id es fa 0 , transistor tallar, Vp es la tensió Pinch-Off.Observem també, que pot funcionar com transistor d’empobriment, ja que si Vgs es + , s’atreuen electronsal canal.

Model pels MOSFET

El model estàtic del transistor MOSFET s’anomena model de Schichman-Hodges. Es un model semblantals dels transistors JFET. El circuit equivalent es composa d’un interruptor obert i una font de corrent,en que el valor ID depèn de la regió de funcionament del transistor.

Pel transistor NMOS de enriquiment les regions de funcionament son:

Regió de Tall• Condició VGS<VTH• Corrent ID=0

Regió lineal.• Condicions: VGS>VTH

VGD < VTH VGS < VTH+VDS

• Intensitat:

on K es una constant que depèn del material i les dimensions del transistor

• µe es la mobilitat dels electrons, que depend del material i la temperatura• W, L son l’ample i la longitud del canal. Factors geomètrics del disseny del transistor.• C'OX es la capacitat per unitat de superfície del condensador que formen el metall de la porta i el canal.

Regió de saturació• Condiciones VGS > VTH VGD > VTH VGS > VTH+VDS

• Intensitat:

Model per senyals alterns

Pel cas en que el transistor suporti senyals alterns de petita amplitud i baixa freqüència sobre un punt depolarització en la regió de saturació, la transconductancia gm se calcula a través de la següent expressió

NMOS d’Enriquiment. Variants i Característiques de commutació.

Els fabricants, han anat introduint diferents formesconstructives, al llarg del temps, per intentar millorar elcomportament dels mosfet.Així, l’estructura VMOS, una de les primeres emprades,tenia una forma de V en la zona de porta.

Degut a la pocaestabilitat defabricació es vadeixar i vaser substituïda pel DMOS.

Estructura UMOS

Avantatges del MOSFET- Impedància d’entrada alta, corrent de porta teòrica 0.- Alta velocitat de commutació, pel fet de que no hi ha recombinació de portadors.- No hi ha segona ruptura- Coeficient positiu de Rdson. Fàcilment es

poden posar mos en paral·lel.- Díode en antiparalel inherent- Velocitat de commutació controlable per Rg,

que es pot desdoblar en Rgon i Rgoff

Desavantatges del MOSFET- Per Vds grans, la Rdson te valors elevats.- Díode antiparalel lent- Entre D-S, apareix un transistor bipolar, que

dificulta la commutació,constructivament, s‘intenta minimitzar peròmalgrat tot, si la commutació ON→OFF es molt ràpida, el transistor es fa evident i entra en segonaruptura, com un transistor bipolar normal. Per evitar aquest efecte, cal controlar la Rgoff.

- Capacitats entre terminals altes.

Com funciona. Capacitats entre terminals.Podem definir les capacitats :

- D’entrada Ciss=Cgd+Cgs on Cgs = Co + Cn + Cp, Co i Cn depenen de la construcció.- De sortida Coss=Cgd+Cds- De transferència inversa Crss=Cgd Que podem deduir de les figures adjuntes.

Observem Cp i Cgd, son les úniques capacitats que varien en funció de la tensió D-S, per tant ens variaran acada commutació. Quan Vd es alt, el canal s’eixampla i Cp i Cgd baixen. Son les causants del efecte Millerque tot seguit estudiarem.

Commutació

Observem els temps de commutació .- De t0 a t2, es càrrega Cgs, al arribar a Vgsth, el mos es fa conductor i comença a establir-se Id

En l’interval t1 a t2, el mos passa per la zona línial, per tant hi ha gran dissipació de potència.- De t2 a t3, on el mos comença a conduir i per tant Vds baixa, Cp i Cgd es van posant en paral·lel amb

Cgs , cal per tant un temps de càrrega que ens farà mantenir Vgs constant, es la zona del efecteMiller i hem de procurar que sigui el mes curta possible i ha poder ser, la Vgs no ha de baixar, ja quesinó tornaríem a la zona línial.

- A partir de t3, fins t4, Cp i Cgd ja s’han càrregat, acaba la carrega de Cgs i Vgs assoleix el seu valorfinal. El transistor ja es en saturació.

Avalncha del transistor paràsit.Si es produeixen ∆v/∆t molt alts en laVds, el transistor paràsit pot entrar enconducció, però també pot haver-hi unafalsa conducció per la càrrega de Cgd, sila impedància a massa del driver no esprou baixa.Per prevenir el primer cas, controlarem laRgsoff, pel segon haurem de treballarel driver o fins i tot aplicar tensiónegativa a la porta per bloquejar el MOS.

Díode paràsit.Ja hem vist, que es inherent a lafabricació del MOS l’existència d’un díode paràsit, D-S.Aquest sol ser lent de commutació, amb la qual cosa, haurem de tenir cura en muntatges pont o semi-

pont.

Existeixen MOSFET amb el díode inversràpid, que trobarem amb nomenclaturaMOS-FRED recovery. (Infineon, APT, Ixis)

Derives Tèrmiques.Cal recordar que si ↑tº ⇒ ↑Rdson i si ↑tº⇒↓VgsthLa tensió de ruptura del transistor bipolar paràsit, també augmenta amb la tº.

Ampliació de coneixements:Veure pdf P10_1_1 MOSFETBasics ,, P10_1_2 Apunts.pdf i P10_2-Apunts i Apunts 3.Webs d’interès: irf.com ,, stmicro.com,, ixis.com

Pràctica

Commutació d’un mosfet N.- Muntar un inversor 4049 o no inversor 4050 a 12Vcc i aplicar senyal cuadrat i continua , amb el

generador. Atacar un nmosfet , visualitzar la tensió de porta i la caiguda en la Rg. Observar Irg.- Veure els temps de commutació Vds comparant-lo amb Vgs i Vout driver.

- Posar un díode en // amb R57 en sentit de descarrega de Cgs i veure com accelerem el tall, quantificar elcorrent de descarrega amb l’osc.

- Veure les oscil·lacions en G i remoure el calbejat, per minimitzar les L. Quantificar les diferències.

Provar el següent circuit :

R61R

R60

R

Generador 0-12v

0

U1A

40106

1 2

F.A.Potència

Q99MOSFET N

C4

+ C8Q7NPN

R57R

00

R63R

0

12v

C5

0

VCC

Q100

R61R

R60

R

Generador 0-12v

D99

0

U1A

40106

1 2

F.A.Potència

Q99MOSFET N

R59R

R62R

+ C8R57R

00

R63R

0

Q3NPN

C5

0

VCC

0

Q101