Transistores. Presentación por José Quiles Hoyo ObjetivosObjetivos Entender la distribución y...
-
Upload
arturo-ramirez-sevilla -
Category
Documents
-
view
223 -
download
1
Transcript of Transistores. Presentación por José Quiles Hoyo ObjetivosObjetivos Entender la distribución y...
Transistores
Presentación por José Quiles Hoyo
ObjetivosObjetivosObjetivosObjetivos
• Entender la distribución y movimientos de carga en los transistores
• Conocer las estructuras, funcionamiento y características de los diferentes tipos de transistor
• Ser capaz de explicar les diferencias entre el transistor de unión, el JFET y el MOSFET
• Conocer algunas aplicaciones
Presentación por José Quiles Hoyo
• El transistor de unión– Polarización– El amplificador– Modelos
• El transistor de efecto campo– El JFET– El MOSFET– Circuitos lógicos, memorias, CCDs, TFTs
– Fundamentos físicos de la informática, cap. 10– L. Montoto, Fundamentos físicos de la informática y las comunicaciones,
Thomson, 2005– A.M. Criado, F. Frutos, Introducción a los fundamentos físicos de la informática,
Paraninfo, 1999
TransistoresTransistoresTransistoresTransistores
Presentación por José Quiles Hoyo
Presentación por José Quiles Hoyo
TransistoresTransistoresTransistoresTransistores
Presentación por José Quiles Hoyo
I---
e-
-ColectorEmisor
Base
ColectorEmisor
Base
Colector Emisor Base
P N P
Colector Emisor Base
N P N
Base poco dopadaBase poco dopada
Emisor más dopado que colectorEmisor más dopado que colector
El transistor bipolar de unión (BJT)El transistor bipolar de unión (BJT)El transistor bipolar de unión (BJT)El transistor bipolar de unión (BJT)
Presentación por José Quiles Hoyo
p
E
pn
V V0
E
Unión no polarizadaUnión no polarizadaUnión no polarizadaUnión no polarizada
Presentación por José Quiles Hoyo
similar a dos diodos con polarización directa
p
E
pn
V V0
E
IE IB IC
IB + IC = IE
El transistor polarizado (saturación)El transistor polarizado (saturación)El transistor polarizado (saturación)El transistor polarizado (saturación)
Presentación por José Quiles Hoyo
p
E
pn
V
V0
E
IE = IC = IB = 0
similar a dos diodos con polarización inversa
El transistor polarizado (corte)El transistor polarizado (corte)El transistor polarizado (corte)El transistor polarizado (corte)
Presentación por José Quiles Hoyo
p
E
pn
E
(P) Emisor (P) Colector(N) Base
IE
IB
InB
IBB
InC
IpB
ICBC II
Transistor polarizado en forma activaTransistor polarizado en forma activaTransistor polarizado en forma activaTransistor polarizado en forma activa
Presentación por José Quiles Hoyo
(P) Emisor (P) Colector(N) Base
IE
IB
InB
IBB
InC
IpB
IC
BC inversa puede conducir si BE directa
Los huecos que se difunden de E a B llegan a C
factor de gananciaBC II
Transistor polarizado en forma activaTransistor polarizado en forma activaTransistor polarizado en forma activaTransistor polarizado en forma activa
Presentación por José Quiles Hoyo
(P) Emisor (P) Colector(N) Base
IE
IB
InB
IBB
InC
IpB
IB = -InC + IBB +InB IC = IpB - IBB + InCIE = IpB + InB
IC
IpB, huecos que por difusión pasan del emisor a la
base.
InB, electrones que pasan de la base al emisor.
IBB, electrones procedentes del circuito para cubrir las
recombinaciones.
InC, débil corriente de electrones del colector a la base.
Presentación por José Quiles Hoyo
Hay 4 variables que dependen el tipo de conexión: Vsalida, Ventrada, Isalida, Ientrada.
Base común
Variables:
VBE, VCB, IE, IC
E
B
C
Emisor común
Variables:
VBE, VCE, IB, IC
B
E
C B E
C
Colector común
Variables:
VCB, VCE, IB, IE
Configuraciones del transistorConfiguraciones del transistorConfiguraciones del transistorConfiguraciones del transistor
Presentación por José Quiles Hoyo
RC
VCCIB = 1 mA
VBB
RB
n
C
B p
n
IC = 99 mA
IE = 100 mA
E100 %
99 %
1 %
99E
c
I
I
RC
RB
VBE VCCVBB
VCE
IC
IB
Configuración en emisor comúnConfiguración en emisor comúnConfiguración en emisor comúnConfiguración en emisor común
E
C
B
Presentación por José Quiles Hoyo
Control de temperatura básico con AOControl de temperatura básico con AOControl de temperatura básico con AOControl de temperatura básico con AO
ventiladores
Presentación por José Quiles Hoyo
RC
RB
VBEVBB
VCE
IC
VCC
E
C
B
Curva característica de entradaCurva característica de entradaCurva característica de entradaCurva característica de entrada
IB
VBE
IB
0,7 VVBE = VBB - IB RB
VBE 0,7 V
Presentación por José Quiles Hoyo
Curva característica de salidaCurva característica de salidaCurva característica de salidaCurva característica de salida
VCE (V)
IC
IB = 20 µA
IB = 40 µA
IB = 60 µA(mA)RC
RB
VBEVBB
VCE
IC
VCC
E
C
B
IB
VCE = VCC - IC RC
Presentación por José Quiles Hoyo
Variables: VBE, VCE, IB, IC
RB
RC
+VCC
Vsalida
Ventrada
RC
RB
VBE VCCVBB
VCE
IC
IB VBE 0,7 V para silicio
IC = IB
VBE = VBB - IB RB
VCE = VCC - IC RC
IC
IB
Emisor común: variablesEmisor común: variablesEmisor común: variablesEmisor común: variables
Presentación por José Quiles Hoyo
• En región activa: unión EB con polarización directa, BC con polarización inversa. Aplicación en amplificación.• En región de corte: las dos uniones polarizadas inversamente: circuito abierto.• En región de saturación: las dos uniones polarizadas directamente: cortocircuito.
IB = 0 µA
IB = 40 µA
IB = 20 µA
I C (
mA
)
VCE (V)
Región de saturación
Región activa
Región de corte
IB = 80 µA
IB = 60 µA
RC
RB
VBE
VCCVBB VCE
„
„Ruptura
Curvas características del transistor CECurvas características del transistor CECurvas características del transistor CECurvas características del transistor CE
Presentación por José Quiles Hoyo
VBB (V) VCE (V) Ic (mA) IB (mA)0,7 10 0 00,8 9,375 0,625 6,250,9 8,75 1,25 12,5
1 8,125 1,875 18,751,2 6,875 3,125 31,251,4 5,625 4,375 43,751,6 4,375 5,625 56,251,8 3,125 6,875 68,75
2 1,875 8,125 81,252,2 0,625 9,375 93,752,3 0 10 100
VBE = -IB RB+ VBB
RC =1 k
RB=16 k
VBE VCC=10 VVBB = 2 V
VCE
IC
VCEVCC = 10 V
C
CC
R
V
IB1
IB2
IB4
IB3
= 100 VBE 0,7 V
VCE = VCC - IC RC = 10 - 8,125 = 1,875 V
A25,8116000
7,02m
B
BEBBB R
VVI
Ic = IB = 8,125 mA
Q
Q
Q
Saturación
Corte
IC
IB
Re
gió
n a
ctiv
a
línea de carga
Línea de carga y punto de funcionamientoLínea de carga y punto de funcionamientoLínea de carga y punto de funcionamientoLínea de carga y punto de funcionamiento
Presentación por José Quiles Hoyo
Línea de carga y punto de funcionamientoLínea de carga y punto de funcionamientoLínea de carga y punto de funcionamientoLínea de carga y punto de funcionamiento
V BE 0,7 V VCE (V) Ic (mA)
0 9,52 2,178 6,931840 8 0,00
130k 170
8 V
6 V
40,769 IB 40,77 µA 28,5385 PEB 28,54 µW
6,931 Ic 6,93 mA 15,0963 PCE 15,10 mW
6,972 IE 6,97 mA PT 15,12 mW
2,178 VCE 2,18 V
1,478 VCB 1,48 V
V CC
V B
B
R B
R C
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 2 4 6 8 10
Vcc (V)
Ic (
mA
)
40,77 µA 6,93 mA
6,97 mA
2,18 V
E
C
B
Presentación por José Quiles Hoyo
VCE = -IC RC+ VCC
IC
VCE
Q
O
VCE IC RC
VCC
línea de carga C
CECCC R
VVI
C
CC
R
V
RC
RB
VBE
VCCVBB VCE
IB1
IB2
IB4
IB3
Línea de carga y punto de funcionamientoLínea de carga y punto de funcionamientoLínea de carga y punto de funcionamientoLínea de carga y punto de funcionamiento
Presentación por José Quiles Hoyo
IC
VCE
IB1
IB2
IB4
IB3
RC
RB
VBE VCCVBB
VCE
IC
IB
VCC
C
CC
R
V
Punto de funcionamiento: IPunto de funcionamiento: IBB Punto de funcionamiento: IPunto de funcionamiento: IBB
Presentación por José Quiles Hoyo
IC
VCE
IB1
IB2
IB4
IB3
RC
RB
VBE VCCVBB
VCE
IC
IB
VCC
1C
CC
R
V
2C
CC
R
V
3C
CC
R
V
Punto de funcionamiento: RPunto de funcionamiento: RCCPunto de funcionamiento: RPunto de funcionamiento: RCC
Presentación por José Quiles Hoyo
IC
VCE
IB1
IB2
IB4
IB3
RC
RB
VBE VCCVBB
VCE
IC
IB
VCC3
C
CC
R
V 3
C
CC
R
V 2
C
CC
R
V 1
VCC2VCC1
Punto de funcionamiento: VPunto de funcionamiento: VCCCCPunto de funcionamiento: VPunto de funcionamiento: VCCCC
Presentación por José Quiles Hoyo
B E
B
C
IC
VCEVCC
Si VBB , IB = , IE IC = VCC/RC
zona de saturación
cortocircuito CE VCE = 0
Si VBB = 0 o < 0,7 V, IB = 0,
IE IC 0, VCE = VCC
Zona de corte
circuito abierto VCE = VCC
El transistor como conmutadorEl transistor como conmutadorEl transistor como conmutadorEl transistor como conmutador
Presentación por José Quiles Hoyo
VBB (V) VCE (V) Ic (mA) IB (mA)0,7 10 0 00,8 9,375 0,625 6,250,9 8,75 1,25 12,5
1 8,125 1,875 18,751,2 6,875 3,125 31,251,4 5,625 4,375 43,751,6 4,375 5,625 56,251,8 3,125 6,875 68,75
2 1,875 8,125 81,252,2 0,625 9,375 93,752,3 0 10 100
RB
RC
+VCC
Vsalida
Ventrada
Ventrada Vsalida
A Y
Y = not AINVERSOR
Circuito inversor simpleCircuito inversor simpleCircuito inversor simpleCircuito inversor simple
Presentación por José Quiles Hoyo
IE
IB
PEmisor
PColecto
r
NBase
IC
RL
A
D
VEB V
E
B
C
gm : transconductancia
VAD = RLIC
(-IC) = gm VEB
mLEB
AD gRV
V
Transistor de unión: amplificadorTransistor de unión: amplificadorTransistor de unión: amplificadorTransistor de unión: amplificador
Presentación por José Quiles Hoyo
• Transistor de efecto campo de unión (JFET)
• Transistor de efecto campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET)
Transistores de efecto campoTransistores de efecto campoTransistores de efecto campoTransistores de efecto campo
Presentación por José Quiles Hoyo
n
Drenador D
Fuente S
Puerta Gp p
Región de agotamiento
Contactos óhmicos
Transistores de efecto de campo de unión Transistores de efecto de campo de unión (JFET)(JFET)
Transistores de efecto de campo de unión Transistores de efecto de campo de unión (JFET)(JFET)
Presentación por José Quiles Hoyo
D S
G
S D
G
n p n
n
p
p
a) b)
Canal n Canal p
Fuente Drenador
Puerta
+VDD
D
S
G
IG
VG
-VDD
D
S
G
IG
VG
Transistor de efecto campo de unión (JFET)Transistor de efecto campo de unión (JFET)Transistor de efecto campo de unión (JFET)Transistor de efecto campo de unión (JFET)
Presentación por José Quiles Hoyo
n
p
p
S
G
D
IDID
VDD
ID
VDS
IDSS
VPVoltaje de estrechamiento
Al aumentar la tensión entre Drenador y Fuente VDS, la intensidad ID aumenta, al tiempo que se estrecha el pasillo debido al incremento de la de las uniones p-n y la ampliación de la región de agotamiento.El pasillo se cierra para VDS = VP; tensión para la que ID deja de aumentar.
Tra
nsi
store
s de e
fect
o d
e c
am
po
Tra
nsi
store
s de e
fect
o d
e c
am
po
de u
nió
nd
e u
nió
nTra
nsi
store
s de e
fect
o d
e c
am
po
Tra
nsi
store
s de e
fect
o d
e c
am
po
de u
nió
nd
e u
nió
n
Presentación por José Quiles Hoyo
VDD VDD
n n p
pp
pS S
G G
D D
IDID IDID
VGS=0
Manteniendo nula la tensión entre la fuente y G, VGS, al aumentar la tensión entre Drenador y Fuente VDS, la intensidad ID aumenta, al tiempo que se estrecha el pasillo debido al incremento de la de las uniones p-n y la ampliación de la región de agotamiento .
Transistores de efecto de campo de unión Transistores de efecto de campo de unión (JFET)(JFET)
Transistores de efecto de campo de unión Transistores de efecto de campo de unión (JFET)(JFET)
Presentación por José Quiles Hoyo
VDD
n p
p
S
G
D
IDID
VDS
IDSSID
Región de comportamiento óhmico
Estrechamiento del canal, aumento de la resistencia
ParaVGS=0
VP
Voltaje de estrechamiento, VP
Al aumentar la tensión entre Drenador y Fuente VDS, la intensidad ID aumenta, al tiempo que se estrecha el pasillo debido al incremento de la de las uniones p-n y la ampliación de la región de agotamientoEl pasillo se cierra para VDS = VP
Corriente de saturación, IDSat
Estrechamiento del canalEstrechamiento del canalEstrechamiento del canalEstrechamiento del canal
Presentación por José Quiles Hoyo
VGS< 0
ID
VDD
nS
G
D
IDID
p
p
VDS
ID
VGS= -1 V
VGS= -3 V
VGS= 0 V
VP (para VGS=0)
2
1
P
GSDSSDsat V
VII
IDSat3
VGS= -VP
Con valores negativos de VGS el pasillo se cierra antes, siendo la corriente de saturación menor
VP
IDSS
IDSat2
IDSat1
Estrechamiento del canalEstrechamiento del canalEstrechamiento del canalEstrechamiento del canal
Presentación por José Quiles Hoyo
VDS (V)
ID (mA)
VGS= -1 V
VGS= -2 V
VGS= 0 V
2
518,7
GS
DsatV
I
IDSS
VGS= -VP
S
GD
5 10 15
1
5
VP = 5 V
-2-4 0VGS (V) -5 -3 -1
VP
VGS= -3 V
Intensidad de saturación IIntensidad de saturación IDSDS=f(V=f(VGSGS))Intensidad de saturación IIntensidad de saturación IDSDS=f(V=f(VGSGS))
Presentación por José Quiles Hoyo
D
G sustrato
n
S
D
G sustrato
p
S
D
G sustrato
n
S
D
G sustrato
p
S
DS G
np
n
DS G
np
n
Metal
Óxido
Semiconductor
Metal
de enriquecimiento de agotamiento
pMOS-FETde enriquecimiento
nMOS-FETde enriquecimiento
pMOS-FETde agotamiento
nMOS-FETde agotamiento
Formado por una placa de metal y un semiconductor, separados por una zona de óxido del semiconductor - por ejemplo SiO2 - de unos 100 nm de espesor. Posee cuatro electrodos:
•Compuerta, gate en inglés, simbolizado con G; que se conecta a la placa metálica. •Fuente (Source) y drenador (Drain), ambos simétricos, que se internan en el sustrato. •Sustrato (Body), generalmente conectado eléctricamente con la fuente.
Tra
nsi
stor
de e
fect
o c
am
po m
eta
l-Tra
nsi
stor
de e
fect
o c
am
po m
eta
l-óxid
o-s
em
icon
du
ctor
(MO
SFE
T)
óxid
o-s
em
icon
du
ctor
(MO
SFE
T)
Tra
nsi
stor
de e
fect
o c
am
po m
eta
l-Tra
nsi
stor
de e
fect
o c
am
po m
eta
l-óxid
o-s
em
icon
du
ctor
(MO
SFE
T)
óxid
o-s
em
icon
du
ctor
(MO
SFE
T)
Presentación por José Quiles Hoyo
p
D
G
n n
SiO2S
Contactos metálicos
D
G sustrato
p
S
MOSFET de enriquecimiento nMOSFET de enriquecimiento nMOSFET de enriquecimiento nMOSFET de enriquecimiento n
Presentación por José Quiles Hoyo
p
S D
G
VDS
+++++++++++++
n n
e- atraídos por la puerta +VGS>VT
ID
Región de agotamiento
D
G sustrato
p
S
- - - - - - - - - - - - - - - - -
Formación del canal en el MOSFET de Formación del canal en el MOSFET de enriquecimiento nenriquecimiento n
Formación del canal en el MOSFET de Formación del canal en el MOSFET de enriquecimiento nenriquecimiento n
Presentación por José Quiles Hoyo
D
G sustrato
p
S
p
S D
G
VDS
+++++++++++++
n n
VGS>VT
ID
- - - - - - - - - - - - - - - - -
Al aumentar VDS, se estrecha el canal, alcanzándose la I de saturación, IDS
Formación del canal en el MOSFET de Formación del canal en el MOSFET de enriquecimiento nenriquecimiento n
Formación del canal en el MOSFET de Formación del canal en el MOSFET de enriquecimiento nenriquecimiento n
Presentación por José Quiles Hoyo
Cara
cterí
stic
a M
OSFE
T d
e
Cara
cterí
stic
a M
OSFE
T d
e
en
riq
ueci
mie
nto
de c
an
al n
en
riq
ueci
mie
nto
de c
an
al n
VDS
ID (mA)
VGS= 4 V
VGS= 6 V
VGS= 5 V
VGS= VT
En ausencia de canal para VGS = 0, no hay corriente ID. Es necesario un valor mínimo de voltaje umbral VT positivo de VGS para que se forme el canal.
Aumentando VGS aumenta el valor de la corriente de saturación
VGS= 7 V
2)( TGSSatD VVKI
53 7
ID (mA)
VGS (V)1 2 4 6 8
VT
n+
p
GS D
+ VD
- - - - - - - - - - - - - - - - -
+ VG
+ + + + + +
n+
p
GS D
+ VDS=VDsat
n+n+ - - - - - - - - - - - - - - - - - -
+ + + + +
n+ n+
p
GS D
+ VDS+ VG
Presentación por José Quiles Hoyo
p
S D
G
n nn
D
G sustrato
p
S
MOSFET de agotamiento nMOSFET de agotamiento nMOSFET de agotamiento nMOSFET de agotamiento n
Presentación por José Quiles Hoyo
p VDS
n n
VGS = 0ID
Con VGS=0 ya existe canal y los e- del canal son atraídos por D
S D
G
D
G sustrato
p
S
- - - - - - - - - - - - - - - - -n
MOSFET de agotamiento nMOSFET de agotamiento nMOSFET de agotamiento nMOSFET de agotamiento n
Presentación por José Quiles Hoyo
D
G sustrato
p
S
p VDS
VGS < 0
ID
n
S D
G -
— — — — — —
- - - - - - - - - - - - - - -
+ + + + + + + + + + + + + + +n n- - - - - - - - - - - -
+ + + + + + + + + +
Con VGS<0, los e- del canal son repelidos hacia la zona p, recombinándose con huecos. La corriente de saturación disminuye.
MOSFET de agotamiento nMOSFET de agotamiento nMOSFET de agotamiento nMOSFET de agotamiento n
Presentación por José Quiles Hoyo
Cara
cterí
stic
a M
OSFE
T d
e
Cara
cterí
stic
a M
OSFE
T d
e
ag
ota
mie
nto
de c
an
al n
ag
ota
mie
nto
de c
an
al n
Cara
cterí
stic
a M
OSFE
T d
e
Cara
cterí
stic
a M
OSFE
T d
e
ag
ota
mie
nto
de c
an
al n
ag
ota
mie
nto
de c
an
al n
VDS (V)
ID (mA)
VGS= -3 V
VGS= -2 V
VGS= -1 V
VGS= 0 V
VGS= 1 V
5 10 15
2
1
p
GSDSSD V
VII
2
418
GS
DV
I
5
10
D
G sustrato
p
S
n+ n+
p
GS D
+ VDS
n
VGS (V)-3 -2 -1 0 1
VP
5
10
IDSS
ID (mA)
-4
- VG
- - - - - - -
n+
p
GS
D
+ VDS=VDsat
n+- - - - - - - - -
- - - - - - - - -
Presentación por José Quiles Hoyo
Aplicaciones: circuitos lógicosAplicaciones: circuitos lógicospuertas AND y OR, lógica de diodospuertas AND y OR, lógica de diodos
Aplicaciones: circuitos lógicosAplicaciones: circuitos lógicospuertas AND y OR, lógica de diodospuertas AND y OR, lógica de diodos
1N914
1N914
A
B
R
Vs
10 V
Puerta “AND” con diodos
Vs
R
Puerta “OR” con diodos
Presentación por José Quiles Hoyo
1950: Abandono de las válvulas de vacío y sustitución por transistores individuales
1960: Circuitos integrados en sustrato de silicio
1980: Transistores de efecto campo
1993: Tecnología CMOS
Del vacío al CMOSDel vacío al CMOSDel vacío al CMOSDel vacío al CMOS
Presentación por José Quiles Hoyo
Inversor (NOT)
Aplicaciones: circuitos lógicosAplicaciones: circuitos lógicostecnología CMOStecnología CMOS
Aplicaciones: circuitos lógicosAplicaciones: circuitos lógicostecnología CMOStecnología CMOS
Presentación por José Quiles Hoyo
G
D
S
FILA
BIT Se almacena un “1” en la celda cargando el condensador mediante una VG en fila y VD en bit
La lectura se hace aplicando VG en fila y midiendo la corriente en la línea bit
La lectura es un proceso destructivo. Hay que restaurar el valor leído
SRAM
DRAM
Aplicaciones: memorias RAMAplicaciones: memorias RAMAplicaciones: memorias RAMAplicaciones: memorias RAM
Presentación por José Quiles Hoyo
EPROM
MOSFET ROM
Aplicaciones: memorias ROMAplicaciones: memorias ROMAplicaciones: memorias ROMAplicaciones: memorias ROM
Presentación por José Quiles Hoyo
CCD
CMOS sensor
Aplicaciones: CCDAplicaciones: CCDAplicaciones: CCDAplicaciones: CCD
Presentación por José Quiles Hoyo
Estructura DRAM con celdaLCD i LED
RGB
Aplicaciones: TFTAplicaciones: TFTAplicaciones: TFTAplicaciones: TFT