Transistores

Universidad de Oviedo

Área de Tecnología Electrónica

Introducción a la Electrónica de Dispositivos Materiales semiconductores (Sem01.ppt)

•

La unión PN y los diodos semiconductores (Pn01.ppt) •

Transistores (Trans01.ppt)

•

Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica, de Computadores y de Sistemas

Tipos de transistores BJT

PNP NPN

Canal P JFET Canal N FET MESFET Canal N MOSFET

Canal P Acumulación Canal N Canal P Deplexión Canal N

BJT:Transistores BJT: Transistores bipolares de unión.

FET: Transistores de efecto de campo. JFET: Transistores de efecto de campo de unión. MESFET: Transistores de efecto de campo de metal semiconductor. MOSFET: Transistores de efecto de campo de metal-oxidosemiconductor.

Características comunes a todos los transistores (I) Son dispositivos (típicamente) de 3 terminales.

•

Dos de los tres terminales actúan como terminales de entrada (control). •

Dos de los tres terminales actúan como terminales de salida.. Un terminal es común a entrada y salida. salida •

is

ie

Ve

+

+

Entrada

Cuadripolo

Vs

Salida

Características comunes a todos los transistores (II) is

ie

La potencia consumida en la entrada es menor que la controlada en la salida. •

Ve

+

+

-

-

Entrada

Cuadripolo

Vs

Salida

La tensión entre los terminales de entrada determina el comportamiento eléctrico de la salida. La salida se comporta como: •

•

Fuente de corriente con trolada (zona lineal o activa).

•

C or t o c i r cu i to  (saturación).

•

Circuito abierto (corte).

•

Características comunes a todos los transistores (III) is Zona Activa

+

-

Vs

=

Zona de Corte

+

-

Vs

=

-

Vs

-

Vs

Vs=0 is=0

is +

is

is

is

Zona de Saturación

+

=

+

-

Vs ATE-UO Trans 04

Transistores bipolares de unión (I) : zona P, zona N y zona P Trans isto r PNP  : zona Trans isto r NPN 

N, zona P y zona N

Colector (N)

Colector  (P) Base (N)

PNP

Base (P) Emisor (P)

NPN

El emisor debe estar mucho más dopado que la base. La base debe ser mucho más pequeña que la longitud de difusión de los mayoritarios del emisor.

Emisor (N)

•

•

Muy, muy importante

Transistores bipolares de unión (II) PNP Emisor y Colector (Si) NAE=1015 atm/cm3 p=100 ns NAC=1014 atm/cm3 Lp=0,01 mm

Base NDB=1013 atm/cm3 n=100 ns Ln=0,02 mm

B

E P+

N-

C P

1016    3

  m 1012

  c    /  .    d   a    t   r 8   o10    P

104

pE

=1015

nE =105

nB =1013 pB =107

1 m

pC =1014 nC=106

escala logarítmica

Polarización en Zona Activa (I) Polarizamos las uniones:

Emisor  (P)

E mi s o r- B as e , directam ente 

Colector (P)

•

Base-Colector  , inversam ente 

B (N)

•

iE

VEB

B

iB

VEB VBC

VBC

iC

P C NP+ ¿Cómo son las corrientes por los terminales de un transistor? Para contestar, hay que deducir cómo son las corrientes por las uniones. Para ello, es preciso conocer las concentraciones de los portadores.

E

Polarización en Zona Activa (II) Portadores en el emisor y en la unión emisor-base (I) Esc. log.

Polarizamos directamente

   3

Calculamos el exceso de huecos en el comienzo de la base pB(0):

Emisor Unión emisor-base 1016

  m 12   c10    /  .    d   a    t   r 108   o    P

pB(0)

pE nE

104 -0,3 -0,2

pB(0)

pB(0)s.p. -0,1

0

Longitud [mm]

Partimos de pE = pB(0)s.p.·eVO /VT y de pE = pB(0)·e(VO-VEB)/VT

•

Llegamos a:

•

pB(0) = pB(0)-pB(0)s.p.= (eVEB /VT-1)·pB(0)s.p.

 Y como pB(0)s.p.= ni2 /NDB, queda:

•

pB(0)=(eVEB /VT-1)·ni2 /NDB

ATE-UO Trans 08

Polarización en Zona Activa (III) Portadores en el emisor y en la unión emisor-base (II) Emisor Unión emisor-base    3

Esc. log.

1016

  m 12   c10    /  .    d   a    t   r 108   o    P

pE

nE(0)

nE(0)

nE

104 -0,3 -0,2

-0,1

0

nE(0)s.p.

Longitud [mm] Procediendo de igual forma con el exceso de concentración de los electrones del final del emisor, nE(0), obtenemos:

nE(0)=(eVEB /VT-1)·ni2 /NAE ATE-UO Trans 09

Polarización en Zona Activa (IV) Portadores en el colector y en la unión base-colector (I) Polarizamos inversamente

Unión basecolector

Colector

  c    /  .    d   a 108    t   r   o 4    P 10

nC

pB(WB)

WB

Procediendo de igual forma con el exceso de concentración de los huecos del final de la base, pB(WB), obtenemos:

ATE-UO Trans 10

Esc.    3 1012   mlog.

pB(WB )s.p.

- pB(WB)

pB(WB) =

pC

1016

(eVCB /VT-1)·ni2 /NDB

100 0,3 mm

C (P)

E (P) B (N)

VEB

En zona activa, VCB< 0

-

VCB

VBC

+

Polarización en Zona Activa (V) Portadores en el colector y en la unión base-colector (II) Unión basecolector

Colector

pC

1016

Esc.    3 12 10   mlog.   c    /  .    d   a 108    t   r   o 104    P

nC(WB )s.p. nC

- nC(WB) nC(WB)

WB

Procediendo de igual forma con el exceso de concentración de los electrones al comienzo del colector, obtenemos:

nC(WB) = ATE-UO Trans 11

(eVCB /VT-1)·ni2 /NAC

100 0,3 mm

C (P)

E (P) B (N)

VEB

-

VCB

V

+

Polarización en Zona Activa (VI) Portadores minoritarios a lo largo del transistor (I)

VBC

VEB P+

-+

pB(0+)

P

- pB(WB-) - nC(WB+) nCs.p.= ni2 /NAC

nEs.p.= ni2 /NAE

ATE-UO Trans 12

N- + -

WB

Polarizamos en zona activa

Escala lineal (no exacta)

C

B

E

nE(0-)

0- 0+ WB- WB+

x

pBs.p.= ni2 /NDB

¿Cómo es la concentración de los huecos en la base?

Polarización en Zona Activa (VII) Portadores minoritarios a lo largo del transistor (II) La solución de la ecuación de continuidad es (ATE-UO PN136) : senh((WB-x)/LP) + pB(x) = pB(WB ) + (pB(0 ) - pB(WB ))· senh(WB /LP)

VBC

VEB

B -+

N- + -

pB(x)=pB(WB-)+(pB(0+)-pB(WB-))·(WB-x)/WB= =pB(WB-)+( pB(0+)- pB(WB-))·(WB-x)/WB

WB

pB(0+)

Como WBVT, VCB0 (es decir, VCB 0

Configuración “emisor común”

Para controlar IC, la fuente de tensión de entrada VEB tiene que aportar la corriente IE  -IC / -IC.

Para controlar IC, la fuente de tensión de entrada VEB tiene que aportar la corriente IB IC / >LP

Portad./cm3 1012

pB

5·1011

nE 0 Gradiente grande   fuerte corriente de huecos.

nC

Gradiente muy pequeño   no hay casi corriente de electrones.

Gradiente muy pequeño no hay casi corriente de huecos.

Transistor “mal hecho” (con base ancha) (II) Portad./cm3 1012

pB

5·1011

nE

nC

0

Densidad de corriente [mA/cm 2] 3

1.5

0

IE IpE

InE

InB IpB

-IC

-InC -IpC ATE-UO Trans 31

Transistor “mal hecho” (con base ancha) (III)

IE -IB

VEB=0,3

-IC 0

VBC

-IB B

E

N-

P+

C P

WB>>LP

Circuito equivalente con Base ancha.

IE -IB VEB VBC -IC 0

Densidad de corriente [mA/cm 2] 3

1.5

0

IE

E

IpE InE

InB IpB

-IC

-InC -IpC

-IB

B

C

Polarización en Zona de Corte (I) Cálculo de las corrientes en zona de corte Particularizamos las ecuaciones del transistor para la zona de corte ( ver ATE-UO Trans 18): VEB0 e incluso VCB>>VT. Si llamamos DB y DC:

R

•

P P

•

DB = q·ni2·A·DPB /(NDB·WB)

V1

DC = q·ni2·A·DNC /(NAC·LNC)

V1 >VEB

La corriente de colector será:

•

-IC = eVEB /VT·DB - e (-V1 - IC·R + VEB)/VT·(DB+DC)

Polarización en Zona de Saturación (III) Caso habitual: Una impedancia en el circuito de colector y configuración en emisor común (II) Por tanto:

(-IC) = eVEB /VT·(DB - e (-V1 +(- IC)·R)/VT·(DB+DC)) Emisor común

VCB +

-

VEB -IB

N

-IC

Si VEB /VT >>1, eVEB /VT

R

.

Entonces:

(-IC)·R = V1 + VT·ln(DB /(DB+DC))

P

y, como DB>>DC:

(-IC)·R  V1

P

V1 El transistor se V1 >VEB

comporta como un cortocircuito

Muy, muy importante

Polarización en Zona de Saturación (IV) Comparación entre las concentraciones de minoritarios en zona activa y saturación

Concentración

pB (lim.)

nE 0

pB (sat.) pB (activa)

Escala lineal

nC

Corriente

0

(satur.) IIEE (límite)

-IC (satur.) (límite)

IE (activa)

-IC (activa)

Misma pendiente, ya que la corriente de colector es más o menos constante.

V1 /R

Resumen Zona Activa

Zona de Corte

Zona de Saturación -IC

-IC

-IC

R

R

R VCB + P -IB -

VCB + P -IB

VCB + P -IB -

P

P

P

N VEB

IE

N

V1

VCB < 0 -IC

·IE y -IB

-IC

- ·IB y IE

(1- )·IE -(1+ )·IB

VBE

IC

N VEB

IE

0, IE y IB

IE

V1 0 0

VCB > 0 (VCE 0) -IC

V1 /R

Muy, muy importante ATE-UO Trans 43

V1

Polarización en Zona Transistor Inverso (I) Estamos usando el emisor como si fuera un colector y el colector como si fuera un emisor

IE +

VBE VEB P+

IC

VCB

IB

-+

B N- + -

VCB

+ P

E Particularizamos las ecuaciones del transistor para la zona de transistor inverso ( ver ATE-UO Trans 18): VEBVT. Por tanto:

eVEB /VT-1 -1 y eVCB /VT-1 eVCB /VT

C

Polarización en Zona Transistor Inverso (II) Queda: IE  -q·ni2·A·(DNE /(NAE·LNE) + DPB /(NDB·WB) + eVCB /VT·DPB /(NDB·WB)) IC q·ni2·A·(DPB /(NDB·WB) + eVCB /VT·(DPB /(NDB·WB)+DNC /(NAC·LNC))) IB q·ni2·A·(DNE /(NAE·LNE) - eVCB /VT·DNC /(NAC·LNC)) Finalmente, despreciando los términos no afectados por  eVCB /VT, obtenemos: IE  -q·ni2·A·eVCB /VT·DPB /(NDB·WB) IC q·ni2·A·eVCB /VT·(DPB /(NDB·WB)+DNC /(NAC·LNC)) IB -q·ni2·A·eVCB /VT·DNC /(NAC·LNC) Estas ecuaciones son como las de zona activa si hacemos los siguientes cambios: VEB  VCB, VCB  VEB, IE  IC, IC  IE, DNC /(NAC·LNC)  DNE /(NAE·LNE) y DNE /(NAE·LNE)  DNC /(NAC·LNC).

Polarización en Zona Transistor Inverso (III) Conclusión: Existe cierta reversibilidad en el comportamiento del emisor y del colector. La gran diferencia es que las características físicas del emisor, DNE /(NAE·LNE), y del colector, DNC /(NAC·LNC), son distintas. Definición del parámetro “ ” inverso, “ R =

-IE /IC

-IE VEB=0

R =

DPB /(NDB·WB)

R”

E -IB

C

B

IC

VCB

DNC /(NAC·LNC)+DPB /(NDB·WB)

Para distinguir ambos parámetros “ ” vamos a llamar “ F” al directo, definido en ATE-UO Trans 25.

IE

Comparación de “ E

C

F”

-IC

y“

-IE

E

B

VEB

F =

-IB

-IC /IE

R =

F =

DNE /(NAE·LNE)+DPB /(NDB·WB)

IC

C

B

VCB

-IE /IC VEB=0

VCB=0

DPB /(NDB·WB)

R”

R =

DPB /(NDB·WB) DNC /(NAC·LNC)+DPB /(NDB·WB)

Ejemplo: DPB = 10 cm2 /s NDB = 1013 atom./cm3 WB = 1 m

DNE = 40 cm2 /s NAE = 1015 atom./cm3 LNE = 20 m

DPB /(NDB·WB)= 10-8

DNE /(NAE·LNE)= 2·10-11

F =

0,998

R =

DNC = 40 cm2 /s NAC = 1014 atom./cm3 LNC = 20 m

DNC /(NAC·LNC)= 2·10-10

0,98

Definición de “ F” y “ Definimos F F = F /(1- F)

R”

Definimos R R = R /(1- R)

Valor de F en función de la física del transistor: F=DPB·NAE·LNE /(DNE·NDB·WB)

Valor de R en función de la física del transistor: R=DPB·NAC·LNC /(DNC·NDB·WB)

Ejemplo anterior: DPB = 10 cm2 /s NDB = 1013 atom./cm3 WB = 1 m

F =

DNE = 40 cm2 /s NAE = 1015 atom./cm3 LNE = 20 m

500

R =

DNC = 40 cm2 /s NAC = 1014 atom./cm3 LNC = 20 m

50

En la realidad, estos valores suelen ser menores por la influencia de otros fenómenos no contemplados.

Modelo de Ebers-Moll de un transistor (I) E (P)

IE +

IB

C (P) B (N)

VEB - - VCB +

Principal

idea:

buscar un circuito equivalente a un tran sis to r q u e sea v álid o en C cu alqu ier región d e trabajo.

I

Volvemos a escribir las ecuaciones del transistor:

IE = q·ni2·A·(DNE /(NAE·LNE)+DPB /(NDB·WB))·(eVEB /VT-1) ISE·(eVEB /VT-1) = IF - q·ni2·A·DPB /(NDB·WB)·(eVCB /VT-1) IC = -q·ni2·A·DPB /(NDB·WB)·(eVEB /VT-1) + + q·ni2·A·(DPB /(NDB·WB)+DNC /(NAC·LNC))·(eVCB /VT-1) ISC·(eVCB /VT-1) = IR

Modelo de Ebers-Moll de un transistor (II) Por tanto:

IE = IF - q·ni2·A·DPB /(NDB·WB)·(eVCB /VT-1) siendo:

IR·

R

IF = q·ni2·A·(DNE /(NAE·LNE)+DPB /(NDB·WB))·(eVEB /VT-1) y también:

IC = IR -q·ni2·A·DPB /(NDB·WB)·(eVEB /VT-1) siendo:

I F·

F

IR = q·ni2·A·(DPB /(NDB·WB)+DNC /(NAC·LNC))·(eVCB /VT-1) Por tanto, en resumen:

IE = IF - IR· R IF = ISE·(eVEB /VT-1)

IC = IR - IF· F IR = ISC·(eVCB /VT-1)

Modelo de Ebers-Moll de un transistor (III) Resumen:

IE = IF - IR· R IF = ISE·(eVEB /VT-1) E (P)

IE +

IB

IE

C (P)

E

B (N)

VEB - - VCB +

IC = IR - IF· F IR = ISC·(eVCB /VT-1)

IC

+ VEB -

- VCB +

IR

IF R·IR

Muy, muy importante

IB B

F·IF

IC C

Modelo de Ebers-Moll de un transistor (IV) IE

IE = IF - IR· R E IC = IR - IF· F IF = ISE·(eVEB /VT-1) IR = ISC·(eVCB /VT-1)

+ VEB -

V - CB +

IR

IF R·IR

IB B

IC C

F·IF

De las ecuaciones anteriores se deduce:

q·ni2·A·DPB /(NDB·WB)·(eVCB /VT-1) = ISC· R·(eVCB /VT-1) q·ni2·A·DPB /(NDB·WB)·(eVEB /VT-1) = ISE· F ·(eVEB /VT-1) Por tanto: ISC· R = ISE· F = IS Consecuencia: Sólo h acen falta tr es p arám etro s p ara defin ir el m o de l o d e Eb er s -M ol l d e u n t ran si s t or :  IS, F y R.

E

Cálculo de IC0 IE=0 + VEB E I

- VCB +

R·IR

IB B

F·IF

VBC

B

IC=IC0

IR C

F

C

-IC0

VBC

Partiendo de:

0 = IF - IR· R IC0 = IR - IF· F IF = ISE·(eVEB /VT-1) IR = ISC·(eVCB /VT-1)

Se obtiene: IC0 = ISC·(eVCB /VT-1)·(1- R· F) y como VCB -1V > -1,5V > -2V > -2,5V

Comportamiento resistivo

VGS = -2,5V Muy importante

Comportamiento como fuente de corriente Comportamiento como circuito abierto

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 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]

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

V1

B (P)

+ VBE -

C (N) V 2

E (N)

R

Muy importante

IG 0 G (P) V1

+ VGS -

D N

V 2

S

En ambos casos, las tensiones de entrada (V BE y VGS) determinan las corrientes de salida (I C e ID). •

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 V 1 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). •

Comparación entre transistores bipolares y JFET (II) Corriente de electrones en todo el dispositivo

N-

P+

(transistor unipolar) (D)

(S)

+ UA

P+ (G)

UB

+ VGS -

VD S

-

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.

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 I 0 G G (N) en los mismas zonas de trabajo. V1

+ VGS -

R D P S

V 2

-ID

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

S

G N-

N+

D N+

GaAs aislante

G

Pequeña polarización directa GS

G

Tensión GS nula

ID

GaAs

Contactos óhmicos

G

Polarización inversa GS, zona resistiva

VGS > 0 VGS = 0 VGS V1

Principios de operación de los MOSFET (II) G

S ++++

D

++++

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

+

Esta capa de minoritarios es llamada “capa de inversión”

V3 = V TH > V2 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.

Principios de operación de los MOSFET (III) G

Situación con tensión mayor que la de umbral

VDS

S +++++ +++++

V4 > V TH

Conectamos la fuente al substrato. •

D

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

D

N+ -- - -- -- - -- N+ PP Substrato

ID

G

S +++++ +++++

VGS

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

¿Cómo es la corriente de drenador?

ID 0

VDS 0

G

S +++++ +++++

Principios de operación de los MOSFET (IV)

D

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

Existe un canal entre drenador y fuente constituido por la capa de inversión que se ha formado. •

VGS

Substrato

El canal se empieza a contraer según aumenta la tensión V DS.

Con tensiones VDS  pequeñas (VDS1 ID

G

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

D N+

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

VGS

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 +++++ +++++

D

•

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

N+

VGS

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

VDS1

ID 0

ID 0

S N+ PSubstrato

G

D N+

S N+ P-

G

D N+

Substrato

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