Transistores JFET y MOSFET

 

Estructura de los transistores de efecto de campo de unión, JFET (canal N)

P+ NFuente (S)

Canal Drenador  (D)

P+

G

Puerta (G)

D

G Otros símbolos

G

JFET (canal N) Símbolo

D

S

canal N

D

G

S canal P

D S

JFET (canal P) Símbolo

S

 ATE-UO  ATE-U O Trans Trans 82

 

Principio de funcionamiento de los transistores de efecto de campo de unión, JFET (I)

P+ Fuente (S)

NP+

Drenador  (D)

Puerta (G) Zona de transición en zona muy dopada ⇒ estrecha estrecha   Zona de transición en zona poco dopada ⇒ ancha   ATE-UO  ATE -UO Trans Trans 83

 

Principio de funcionamiento de los transistores de efecto de campo de unión, JFET (II)

P+ (D) (S)

NP+

VV

(G)

V1 < V2

12

Según aumenta la tensión drenador-fuente, aumenta la resistencia canal, ya que aumenta la zona de transición, que es una del zona de pocos portadores.  ATE-UO  ATE -UO Trans Trans 84

 

Principio de funcionamiento de los transistores de efecto de campo de unión, JFET (III)

G

D + VDS S

ID

Evolución si la resistencia no cambiara con la tensión. ID

VDS Evolución real en un JFET (la resistencia cambia con la tensión aplicada).

V1

V2

 ATE UO UO Trans Trans 85  

Principio de funcionamiento de los JFET (IV) +

(S)

N-

P VPO

+

(D) VDS

P+ (G)

VDS=VPO > V2

Si se aumenta más la tensión drenador-fuente, la zona de transición llega a dejar una parte del canal con muy pocos portadores. La corriente de drenador no cesa (si cesara no se formaría el perfil de de zona de transición que provoca esta situación). La tensión V a la que se produce la DS contracción total del canal recibe el nombre de tensión de contracción (“pinch-off” ), ), VPO.

 ATE UO UO Trans Trans 86  

Principio de funcionamiento de los JFET (V)

(S)

P+ N- LC

LZTC

(D) VDS

P+ (G)

VDS=V3 > VPO

Si se aumenta la tensión drenador-fuente por encima de V PO, va aumentando la parte del canal que ha quedado con muy pocos portadores, LZTC (longitud de la zona de transición en el canal). Sin embargo, el aumento de LZTC al aumentar VDS es pequeño comparado con la longitud del canal, LC.

 ATE UO UO Trans Trans 87  

Principio de funcionamiento funcionamiento de los JFET (VI) +

P

-

VPO

+ LL’ZTC ZTC

(D)

(S)

VDS

-

N

P+ (G)

VDS=V4 > V3

Si L’ZTC VPOcuando . PO

 ATE UO Trans Trans 88  

Resumen del principio de funcionamiento de los JFET cuando VGS = 0 VDS=0 VDS=V1

ID

Comportamiento resistivo Comportamiento como fuente de corriente

VDS=V2 VDS

VDS=VPO VDS=V3 VDS=V4

V1 V2 VPO

V3

V4

 ATE-UO  ATE -UO Trans Trans 89  

¿Qué pasa si VGS ≠ 0?

P+

+

≈V PO

(S) N-

P+

(D)

-

•Con VGS=0, la contracción ocurre cuando VDS = VDSPO  =VPO. VDS=VPO

(G)

P

N-

+

+

≈ VPO

(S)

-

P+ (G)

UB

+ VGS -

(D)

+ VDS

-

•El canal es siempre más estrecho, al estar  polarizado más inversamente ⇒ mayor  resistencia U A •La contracción se produce cuando: VDS=VDSPO=VPO + VGS Es decir: VDSPO = U A = VPO - UB

Cuando VGS < 0, la corriente que circula es menor y la contracción se produce a una V menor.

 ATE-UO  ATE-U O Trans Trans 90

DS  

Curvas características de un JFET (canal N) Referencias normalizadas

G + V- GS

D + VDS S

•Curvas de salida ID [mA]

ID

VGS = 0V

4

VGS = -0,5V VGS = -1V

2

VGS = -1,5V VGS = -2V

•Curvas de entrada: (unión polarizada No tienen interés inversamente)

Muy importante

0

2

4

6

Contracción del canal Contracción producida cuando: VDSPO=VPO + VGS

VDS [V]

 ATE-UO  ATE -UO Trans Trans 91  

La tensión VPO P+ (D) N

-

(S)

drenador y la fuente y aplicamos tensión entre puerta y fuente.

P+ (G)

UB1

+ - VGS

P+ (D) N-

(S) P+ (G)

UB1 -0,5V > -1V > -1,5V > -2V > -2,5V

Comportamiento resistivo Comportamiento como fuente de corriente Comportamiento como circuito abierto

Muy importante

 ATE-UO  ATE-U O Trans Trans 93  

Cálculo de las corrientes en la zona de fuente de corriente (canal contraído) Partimos de conocer el valor de la corriente de drenador cuando VGS = 0 y el canal canal está contraído, ID0PO.

ID [mA] 4 También se conoce la tensión de contracción del canal, VPO Ecuación ya conocida:

VDSPO = VPO + VGS

ID0PO IDPO

2

VGS = 0V VGS = -0,5V VGS = -1V VGS = -1,5V VGS = -2V

0

Ecuación no demostrada:

IDPO ≈ ID0PO·(1 + VGS/VPO)2

8 4 VGS = -VPO  Muy importante

12 VDS [V]

 ATE-UO  ATE-U O Trans Trans 94  

Comparación ión entre transistores bipolares y JFET Comparac (I) IC ID IB

R

B (P)

+ V1

V- BE

C (N) V2 E (N)

Muy importante

IG ≈ 0 G (P) V1

+ V- GS

D

R V2

N S

•En ambos casos, las tensiones de entrada (V BE y VGS) determinan las corrientes de salida (I e I ). C D •En zona de comportamiento como fuente de corriente, es útil relacionar corrientes de salida y entrada (transistor bipolar) o corriente de salida con tensión de entrada (JFET). • La potencia que la fuente V1 tiene que suministrar es mucho más pequeña en el caso del JFET (la corriente es casi cero, al estar  polarizada inversamente la unión puerta-canal).

 ATE-UO  ATE-U O Trans Trans 95  

Comparación Comparac ión entre transistores bipolares y JFET (II) P

Corriente de electrones en todo el dispositivo

N-

+

(transistor unipolar)

(D)

(S) P+ (G)

UB

+ VGS -

+ U A

VDS

-

Muy importante

•El JFET es más rápido al ser un dispositivo unipolar (conducción no determinada por la concentración de minoritarios). •El JFET puede usarse como resistencia controlada por tensión, ya que tiene una zona de trabajo con característica resistiva. •Para conseguir un comportamiento tipo “cortocircuito” hay que colocar  muchas celdas en paralelo.

 ATE-UO  ATE-U O Trans Trans 96  

Estructura real de un JFET de canal N SiO2

S N+ N-

G

D N+

P+

P+

Contactos metálicos Canal N

G Uso de un JFET de canal P Hay que invertir los sentidos reales de tensiones y corrientes para operar en I  ≈ 0 G G (N) los mismas zonas de trabajo. V1

+ VGS -

R D P S

V2

-ID

 ATE-UO  ATE-U O Trans Trans 97  

Los transistores de efecto de campo de unión metal-semiconductor MESFET Contacto rectificador (Schottky)

S

G N-

N+

D N+

ID

GaAs

Contactos óhmicos

VGS > 0 VGS = 0

VGS V1

Substrato

 ATE-UO  ATE-U O Trans Trans 100

 

Principios de operación de los MOSFET (II) G ++++ S ++++

D

Esta capa“capa de minoritarios es llamada de inversión”

N+ -- -- -- -- N+ -

P

V3 = V TH > V2 +

Substrato

Esta capa es una zona de transición (no tiene casi portadores de carga)

Cuando la concentración de los electrones en la capa formada es igual a la concentración de los huecos de la zona del substrato alejada de la puerta, diremos que empieza la inversión. Se ha creado artificialmente una zona N tan dopada como la zona P del substrato. La tensión a la que esto ocurre es llamada “tensión umbral” (“threshold voltage”), VTH.

 ATE-UO  ATE-U O Trans Trans 101  

Principios de operación de los MOSFET (III) G

Situación con tensión

S +++++ +++++

mayor que la de umbral

D

N+ -- - -- -- - -- N+ PVDS

S

ID

G

Substrato

N+ -- - -- -- - -- N+ PSubstrato

P

•Conectamos la fuente al substrato.

D

+++++ +++++

V4 > V TH

VGS

•Conectamos una fuente de tensión entre los terminales fuente y drenador.

¿Cómo es la corriente de drenador?

 ATE-UO  ATE-U O Trans Trans 102  

ID ≈ 0

VDS ≈ 0

Principios de operación de los MOSFET (IV)

G S +++++ +++++

D

N+ -- - -- -- - -- N+ P-

VGS

•Existe un canal entre drenador y fuente constituido por la capa de inversión que se ha formado. •Con tensiones VDS pequeñas (VDS1 ID

S +++++ G +++++ N+ - - -- -- - - - -

D N+

VGS

Principios de operación de los MOSFET (V) •El canal formado se contrae totalmente cuando VDS = VDSPO.

-

P

VDS3 >VDSPO ID

Substrato

G •Cuando VDS > VDSPO, el MOSFET se comporta como una fuente de corriente (como en el caso de los JFET).

S +++++ +++++ N+ - - -- -- - - - PSubstrato

D N+

VGS

 ATE-UO  ATE -UO Trans Trans 104 104  

Principios de operación de los MOSFET (VI) VDS2 > VDS1

VDS1 ID≈ 0

S N+ PSubstrato

G

 

D N+

ID≈ 0

S N+ P-

G

 

D N+

Substrato

Si VGS = 0, la corriente de drenador es prácticamente nula. En general, si VGS