1

Tema 3: EL TRANSISTOR FET2.1 Introducción

2.2 El Mosfet de acumulación

• Funcionamiento y curvas características

• Polarización

2.3 El Mosfet de deplexión

• Funcionamiento y curvas características

2.4 El Mosfet en conmutación

2.5 El inversor CMOS

2.6 Protección de los transistores Mosfet

2.7 Aplicaciones de los transistores Mosfet

2

BIBLIOGRAFÍATEORÍA:

• Boylestad. Electrónica. Teoría de circuitos, Cap. 6 y 7

• Savant et al. Diseño electrónico, Cap. 4

• Millman y Grabel. Microelectrónica, Cap. 4

• Malik. Circuitos electrónicos…, Cap. 5

PROBLEMAS:

• Benlloch et al. Prob.resueltos de electrónica, Cap. 3

• Waterworth. Electrónica. Cuad. de trabajo, Cap. 3

3

2.1 INTRODUCCIÓN

• FET = Field Effect Transistor

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

* Kahn and Atalla, 1960* Deplexión o empobrecimiento* Acumulación o enriquecimiento

MESFET (Metal-Semiconductor FET), Mead 1966

• Dispositivo unipolar

• Corriente controlada por un campo eléctrico4

2.1 INTRODUCCIÓN (2)

Primer Mosfet fabricado (1960):

5

2.1 INTRODUCCIÓN (3)• Algunas características:

* Alta densidad de integración => VLSI

* Versatilidad

* Estabilidad con la temperatura

* Elevada impedancia de entrada

* Fet de potencia

* Sensibles a sobretensiones, sobrecorrientes y electricidad estática

* Linealidad pobre

* Menor ganancia que los BJT6

2.2 EL MOSFET DE ACUMULACIÓNFuncionamiento y curvas características

• Mosfet de enriquecimiento de canal N:

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

Aislante (dieléctrico) de SiO2 para aislar la puerta

Sustrato en ocasiones conectado a la fuente

7

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

Conducción: Para VDS > 0 se establece un flujo de e- de S a D a través delcanal => IDS > 0

Transistor unipolar y simétrico

2.2 EL MOSFET DE ACUMULACIÓNFuncionamiento y curvas características (2)

8

2.2 EL MOSFET DE ACUMULACIÓNFuncionamiento y curvas características (3)

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

Región óhmica: 0 < VDS ≤ VGS - VT, IDS = K [2 (VGS-VT) VDS - (VDS)2]

Si VDS pequeña => IDS ≈ K [2 (VGS-VT) VDS ] => RDS(on) variable con VGS

K es proporcional a la relación ancho/largo del canal (W/L)

9

2.2 EL MOSFET DE ACUMULACIÓNFuncionamiento y curvas características (4)

Región de saturación: VDS > VGS - VT

El canal se estrangula y la corriente IDS ≈ constante, independientemente de VDS

Corriente de saturación: IDS = K (VGS-VT)2 (característica de transferencia,parábola de saturación,)

Fuente de corriente controlada por tensión (Field Effect Transistor)

Equivalencias con el BJT:

FET BJTDRENADOR COLECTORFUENTE EMISORPUERTA BASE

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

10

2.2 EL MOSFET DE ACUMULACIÓN de canal P

11

2.2 EL MOSFET DE ACUMULACIÓN de canal P (2)

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

• Corte: VGS ≥ -VT

• Saturación: VDS < VGS+ VT => ISD= K (VGS+VT)2 , tomando K y VT envalor absoluto

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

∗ menor frecuencia de conmutaciónretardo proporcional a

∗ menor densidad de integración: µ menor => K menor => IDS menor => necesario aumentar (W/L)

LVDD

2

2µ FH

IK

12

2.2 EL MOSFET DE ACUMULACIÓNPolarización

Polarización fija

VGS = VGG = constante

VGS > VT

VDD

VGG

RD

Realimentación de drenador

VGS = VDS => transistor saturado

VDS = VDD - IDS RD

Mayor estabilidad del punto Q

VDD

RG

RD

13

2.2 EL MOSFET DE ACUMULACIÓNPolarización (2)

ECUACIONES PARA ANALIZAR LOS CIRCUITOS DE POLARIZACIÓN CON FET:

(1) MALLA DE ENTRADA, G-S(2) PARÁBOLA DE SATURACIÓN (SUPOSICIÓN)

IDS = K (VGS -VT)2

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

DE (1) Y (2) SE OBTIENE IDSQ Y VGSQ

EN (3) SE OBTIENE VDSQ

COMPROBACIÓN DE SATURACIÓN: VDSQ > VGSQ - VT

SINO, UTILIZAR EN (2) LA EXPRESIÓN DE LA ZONAÓHMICA:

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

Y VOLVER A HACER LOS CALCULOS

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2.3 EL MOSFET DE DEPLEXIÓN Funcionamiento y curvas características

• Mosfet de deplexión de canal N:

• El canal ya existe por construcción

• Influencia de VGS:∗ Si VGS > 0 => el canal se amplía (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 simétrico

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2.3 EL MOSFET DE DEPLEXIÓN Funcionamiento y curvas características (2)

REGIÓN DE CORTE

VGS ≤ -VPO, IDS = 0 ∀VDS EL CANAL DESAPARECE

REGIÓN ÓHMICA

0 < VDS ≤ VGS + VPOI I 2 1

V

V

V

V

V

VDS DSSGS

PO

DS

PO

DS

PO

2

= +

−

PARA VDS PEQUEÑA: I 2I

V1

V

VVDS

DSS

PO

GS

PODS= ⋅

+

⋅

REGIÓN DE SATURACIÓN

VDS > VPO + VGSI I 1

V

VDS DSSGS

PO

= ⋅ +

2

Parámetros:

Vpo, IDSS

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Resumen de algunas fórmulasMOSFET ACUMULACIÓN

NMOS PMOS

V VGS T> CONDUCE V VGS T< −V V VDS GS T> − SATURACIÓN V V VDS GS T< +

( )I K V VDS GS T= −2 PARABOLA

SATURACIÓN( )2

TGSSD VVKI +=

MOSFET DEPLEXIÓN

NMOS PMOS

V VGS PO> − CONDUCE V VGS PO<V V VDS GS PO> + SATURACIÓN V V VDS GS PO< −

I IV

VDS DSSGS

PO

= +

1

2 PARABOLASATURACIÓN

2

1

−=

PO

GSDSSSD V

VII

TOMANDO EL VALOR ABSOLUTO DE K, IDSS, VT Y VPO

EN TODAS LAS FORMULAS

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2.4 EL MOSFET EN CONMUTACIÓN

VDD

RD

Ve

VoVGS LINEAL

VT VDD

0V

• Es un interruptor más 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 : SATURACIÓN

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

2.4 EL MOSFET EN CONMUTACIÓN (2)• RD integradas: cargas activas construídas con transistores,para facilitar el proceso de fabricación y que ocupen menosespacio

• Algunos tipos:

TRANSISTORVe

Vo

T1

VDD

T2CARGA DE DEPLEXIÓN

VGS2 = 0V

W/L < 1

19

2.4 EL MOSFET EN CONMUTACIÓN (3)

• Cargas activas. Curvas de transferencia

<=

<=

<=

20

2.5 EL INVERSOR CMOS

• Tecnología CMOS = Complementary MOS

• Combinación de transistores NMOS y PMOS por parejas

• Gran difusión en en c.i. digitales VLSI:

∗ Consumo de potencia muy bajo

∗ Curva de transferencia muy ideal

∗ Aceptable velocidad y densidad de integración

• Circuito básico digital: inversor CMOS

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 estático bajísimo: T1 o T2 cortado

• Consumo dinámico proporcional a: V2DD CL f

22

2.5 EL INVERSOR CMOS (3)

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

23

2.6 PROTECCIÓN DE LOS TRANSISTORESMOSFET

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

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

Rotura de la capa thinox debido apotenciales electrostáticos en lapuerta

24

2.6 PROTECCIÓN DE LOS TRANSISTORESMOSFET (2)

• Precauciones en el manejo de los MOSFET:

∗ Almacenamiento en material conductor

∗ Manipulación humana cuidadosa

∗ En funcionamiento, conectar las entradas no usadas amasa o VDD

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2.6 PROTECCIÓN DE LOS TRANSISTORESMOSFET (3)

• Circuitos de protección 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 analógicos/digitales

• Circuitos lógicos VLSI (NMOS, CMOS)

• Conmutación de potencia (VMOS, DMOS, TMOS, …)

• Resistencias variables, fuentes de corriente

27

2.7 APLICACIONES DE LOS TRANSISTORESFET (2)

Fuente de corriente

Amplificadores:

∗ Fuente común

∗ Seguidor de fuente

28

2.7 APLICACIONES DE LOS TRANSISTORESFET (3)

Interruptor analógico

Multiplexor analógico

29

2.7 APLICACIONES DE LOS TRANSISTORESFET (4)

Filtro pasa-bajos variable

Conversor de tensión

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2.7 APLICACIONES DE LOS TRANSISTORESFET (5)

Conmutación de potencia