FET Campo Transistores

Tema 8.- Transistores de efecto de
campo
1
TRANSITORES DE EFECTO DE CAMPO
(Field effect transistor, FET)
INTRODUCCIÓN:
Son dispositivos de estado sólido
Tienen tres o cuatro terminales
Es el campo eléctrico el que controla el flujo de cargas
El flujo de portadores es de un único tipo ( o electrones ó huecos)
Pueden funcionar en diferentes regiones de polarización
Según en que región de polarización se encuentren, funcionan como:
Resistencias controladas por tensión
Amplificadores de corriente ó tensión
Fuentes de corriente
Interruptores lógicos y de potencia

campo
2
INTRODUCCIÓN (Continuación)
Hay de bastantes tipos, pero los mas importantes son los:
MOSFET (Metal-óxido semiconductor)
Normalmente tienen tres terminales denominados:
Drenador
Puerta
Fuente ó surtidor
Son dispositivos gobernados por tensión
 La corriente de puerta es prácticamente nula (func. Normal)
Utilizan un solo tipo de portadores de carga,
(Por eso se llaman también unipolares):
Electrones si son de canal N
Huecos si son de canal P

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3
COMPARACIÓN ENTRE FETs y BJTs
Los FETs necesitan menos área del chip, y menos pasos de fabr.
Los BJts pueden generar corrientes de salida mas elevadas
para conmutación rápida con cargas capacitivas.
Los FETs tiene una impedancia de entrada muy alta
 En los Fets el parámetro de transconductancia (gm) es menor
que en los BJts, y por lo tanto tienen menor ganancia.

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4
DIFERENTES TIPOS DE TRANSISTORES FET

campo
5
TRANSISTOR MOSFET DE CANAL N DE
ENRIQUECIMIENTO Ó ACUMULACIÓN

campo
6
TRANSISTOR MOSFET DE CANAL N (N-MOS) DE
ENRIQUECIMIENTO Ó ACUMULACIÓN(CONT)

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7
EL N-MOS DE ACUMULACIÓN (CONT)
CREACIÓN DEL CANAL

campo
8
EL N-MOS DE ACUMULACIÓN (CONT)
ESTANGULACION DEL CANAL

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9
óhmicaregiónvvvv tDGGD ⇒>−= )(Si:
Entonces la corriente de drenador viene dada por:
( )[ ] ( )[ ]22
)2
2
)2 DSDStoGSDSDStoGSD vvvv
k
vvvvKi −−≡−−=
N-MOS DE ENRIQUECIMIENTO EN REGIÓN ÓHMICA (CONT)

campo
10
Es decir:
( )[ ] ( )[ ]22
)2
2
)2 DSDStoGSDSDStoGSD vvvv
k
vvvvKi −−≡−−=
Donde: ciatanctranscondudeparámetroC
L
W
k oxn ≡= µ
N-MOS DE ENRIQUECIMIENTO EN REGIÓN ÓHMICA
(CONT)
Siempre que se cumpla que: tDGtGD vvóvv −<>
Y teniendo en cuenta que vDG=vDS-vGS
Es lo mismo que decir: siempre que se cumpla que:
vDS <vGS- vt , además de vGS> vt

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11
EL N-MOS EN LA ZONA ÓHMICA:
RESISTENCIA LINEAL CONTROLADA POR TENSIÓN
En la zona óhmica, el mosfet se comporta como una resistencia
controlada por la tensión puerta-surtidor.
Par valores de VDS pequeños, el término V2
DS puede
despreciarse, y entonces:
( )[ ] ( )
( ) ( )tGStGS
NMOS
DS
NMOS
DStoGSDSDStoGSD
VVkVVK
RDonde
V
R
vvvKvvvvKi
−
≡
−
=
=−⋅≈−−=
1
2
1
1
)2)2 2
Siempre que
se verifique:
( ) ( ) DStGSDSDStGSDS vVvvvVvv −⋅≤⇒−<< 2102 22
tGSDS Vvvó −≤ 2,0:

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12
FUNCIONAMIENTO EN LA REGIÓN DE
SATURACIÓN (ZONA ACTIVA)
LÍMITE DE REGIONES
Cuando vDS se hace igual a vGS- vt , la anchura del canal
se hace cero, y el dispositivo entra a funcionar en la zona
de saturación (también llamada zona activa), y la corriente
de drenador se hace constante

campo
13
SATURACIÓN
LÍMITE DE REGIONES (CONT)
El límite de las dos regiones viene marcado por la igualdad:
vDS =vGS- vt
Y sustituyendo en la expresión
de iD :
iD=K (vDS)2
= (k/2) (vDS)2
, que
es la parábola que fija la zona
límite entre las dos regiones

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14
SATURACIÓN
(O TAMBIÉN LLAMADO ESTADO ACTIVO)
Por tanto:Cuando vDS >vGS- vt , además de vGS> vt el transitor
está en la región de saturación, y entonces iD se hace constante y vale:
iD=K (vGS-vt)2
= (k/2) (vGS-vt)2

campo
15
MODELOS DE GRAN SEÑAL PARA EL NMOS DE
ENRIQUECIMIENTO
Zona óhmica: vGS> vt y además:
vDS <vGS- vt o lo que es lo mismo:
vDG<-Vt
Zona activa: vDS >vGS- vt , además de vGS> vt
Zona de Corte:
vGS<= (Vt>0)
Característica de transferencia en la región
De saturación (ó zona activa)

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16
DEPLEXIÓN
Es casi idéntico al de enriquecimiento. La única diferencia es
que hay un delgado canal de semiconductor de tipo n que conecta
la fuente y el drenador, antes de aplicar ninguna tensión a la puerta

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17
DEPLEXIÓN (CONT)
Ahora aún con vGS cero, existe un canal de conducción, y podrá
haber corriente de circulación entre drenador y surtidor.
Habrá que aplicar una tensión vGS negativa para que el canal
desaparezca y el transistor deje de conducir
Observe en el símbolo que D y S
están unidos por un trazo continuo

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18
DEPLEXIÓN (CONT)

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19
DEPLEXIÓN (CONT):
Tensión umbral: vt esencialmente negativa
IDSS= corriente de drenador para VGS=0 (en zona activa)
Expresiones y zona límites idénticas a los NMOS de enriquecimiento
Carcterística de transferencia en la
Zona activa (ó región de saturación)
Salvo que la tensión umbral en los
nmos de deplexión es negativa, las
ecuaciones que describen su
comportamiento en las diferentes
zonas, son idénticas a las de los
nmos de enriquecimiento

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20
TRANSISTORES MOSFET DE CANAL P
Ahora el sustrato es semiconductor de tipo N, y los pozos
drenador y fuente son de tipo P.
Ahora los portadores de corriente son huecos

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21
TRANSISTOR MOSFET DE CANAL P (P-MOS),
DE ENRIQUECIMIENTO
El transistor estará a corte si vGS> vt
En los transistores P-MOS de enriquecimiento,
Vt es esencialmente negativa

campo
22
TRANSISTOR MOSFET DE CANAL P (P-MOS)
DE DEPLEXIÓN
En los P-MOS de deplexión, previamente existe un canal de
conducción de tipo P.
 En los P-MOS de deplexión, Vt esencialmente positiva

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23
TRANSISTOR MOSFET DE CANAL P (P-MOS)
DE DEPLEXIÓN (CONT)
Tensión umbral: vt esencialmente positiva
IDSS= corriente de drenador para VGS=0 (en zona activa)
Expresiones y zona límites idénticas a los PMOS de enriquecimiento

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24
TRANSISTORES MOSFET DE CANAL P (CONT)
circuitos equivalentes de gran señal
Las definiciones de estados de los PMOS son las mismas
que las de los N-MOS, salvo que el sentido de todas las
desigualdades se invierte, y las corrientes drenador fuente
se consideran positivas en sentido contrario (positivas de
surtidor a drenador)

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25
POLARIZACIÓN DE LOS TRANSISTORES MOSFET
Análisis del Punto de Operación
El procedimiento a seguir es idéntico al estudiado con los
transistores bipolares.
Existen dos posibilidades:
Hallar el P.O. Cuando se conoce el estado del transistor.
Hallar el P.O. Cuando el estado es desconocido
En el primer caso, en el circuito equivalente de continua,
sustituiremos el transistor por su modelo , y realizaremos el
análisis correspondiente.
En el segundo caso, al igual que hicimos con diodos y
transistores bipolares, supondremos un estado, realizaremos el
análisis correspondiente, y posteriormente comprobaremos si los
resultados de corrientes y tensiones obtenidos son coherentes con
el estado supuesto del transistor

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26
Análisis de transistores en estado activo
En el circuito equivalente de continua sustituimos el mosfet
por su modelo de gran señal en la zona activa:
iD=K (vGS-vt)2
= (k/2) (vGS-vt)2
iG=0; ID=IS
( )
ssssggggGS
DsdssddDS
VIRIRVV
IRRVVV
−−−=
+−−=
Que junto a las ecuaciones impuestas por la red
de polarización (ecuaciones de polarización)
Da lugar a resolver dos ecuaciones, una de ellas
cuadrática, con dos incógnitas, que matemáticamente
tiene dos posibles soluciones (P.O.), de los cuales,
solamente una de ellas tendrá significado físico

campo
27
Análisis de transistores en estado activo (cont)
[1] iD=K (vGS-vt)2
= (k/2) (vGS-vt)2
iG=0; ID=IS
( )
( )
[ ]2
0



−−=
+−−=
⇒=
−−−=
+−−=
DsssggGS
DsdssddDS
G
ssssggggGS
DsdssddDS
IRVVV
IRRVVV
Iconque
VIRIRVV
IRRVVV
[1] y [2] dan lugar a resolver dos ecuaciones, una de ellas
cuadrática, con dos incógnitas, que dará lugar
matemáticamente a dos posibles soluciones (P.O.), de los
cuales, solamente uno de ellos tendrá significado físico

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28
ANÁLISIS DE TRANSISTORES EN ESTADO
DESCONOCIDO
Se sigue el mismo procedimiento que con los transistores bipolares:
1º) Hacer una suposición sobre el estado de cada transistor.
2º) Reemplazar cada transistor con el modelo apropiado.
3º) Utilizar los resultados del análisis y las definiciones de estados
para confirmar cada estado del transistor.
4º) Si hay alguna contradicción, hacer una nueva suposición y
repetir el análisis.
(Ver ejemplos del Malik Capítulo 5)

campo
29
RESISTENCIAS FET Y LINEAS DE CARGA
NO LINEALES
En circuitos integrados donde se necesiten resistencias de elevado
valor, fabricadas mediante proceso de difusión, éstas ocupan
excesivo espacio. Una alternativa ampliamente utilizada es utilizar
transistores de efecto de campo como resistencias no lineales, para
lo que sirven tanto transistores de enriquecimiento como
transistores de deplexión. Ahora la relación I-V en lugar de ser una
recta como lo es en una resistencia lineal, será una parábola.

campo
30
RESISTENCIAS NO LINEALES DE
ENRIQUECIMIENTO
CONEXIÓN BÁSICA:
Si en un NMOS de enriquecimiento, unimos la puerta con el
drenador, el dispositivo tendrá ahora dos terminales.
Para vR=vGS<= vt, el transistor no está en conducción, y por tanto
iR=0. Cuando vR >= Vt, el está en
conducción y además en la zona
activa (saturación), ya que se
cumple la desigualdad VDG>-Vt
iR=K (vR-vt)2
= (k/2) (vR-vt)2
Aunque la característica i-v es una cuadrática
en vez de una exponencial, se puede hablar
de “transistor conectado como diodo”

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31
RESISTENCIAS NO LINEALES DE
ENRIQUECIMIENTO (CONT)
CONEXIÓN CON FUENTE DE POLARIZACIÓN:
La figura muestra una variación que utiliza una fuente de
polarización externa. Con VGS=VR+Vt ,, si VR<=0 el transistor no
está en conducción; si VR >=0 el transistor está en conducción y en
la zona activa.
En c.i. es muy fácil modificar las características variando la relación
W/L.

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32
RESISTENCIAS NO LINEALES DE DEPLEXIÓN
En la figura se muestra un NMOS de deplexión con la puerta y el
surtidor conectados entre si. La característica I-V será la
correspondiente a la del transistor, para VGS=0.
Cuando VR=VDG <= -Vt (Vt es negativo en lo transistores de deplexión)
El dispositivo es óhmico.
Cuando VR=VDG >-Vt el dispositivo se comportará como una
fuente de corriente constante

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33
DIVISORES DE TENSIÓN MOS
Las resistencias de enriquecimiento crean divisores de tensión
que ocupan poco espacio en el chip y manejan corrientes bajas.
En la figura a), la tensión vx puede ajustarse
fácilmente en función de las dimensiones w1
,L1 y w2, L2 de los transistores M1 y M2,
con el adecuado diseño de las máscaras
Análogamente para conseguir dos o mas
tensiones , tal como se indica en al figura b)
Todas ellas estarán comprendidas dentro de
los valores de las alimentaciones.

campo
34
TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO CON
PUERTA DE UNIÓN
En este tipo de transistores, al contrario que en los MOS, la puerta
no está aislada galvánicamente.
Siguen siendo transistores unipolares, y la conductividad del canal
se controla mediante una tensión aplicada a la unión puerta-fuente
polarizada inversamente
Existen dos tipos fundamentales de transistores FET con puerta de
unión:
Los MESFET ó FETs metal-semiconductor, donde el canal es
un semiconductor compuesto, como arseniuro de galio, la puerta
un metal, y el interfase puerta-canal una unión Schottky.
Los J-FETs, donde la puerta y el canal consisten en Si dopado
de forma inversa, y una unión PN polarizada inversamente forma
la interfase puerta-canal

campo
35
TRANSISTORES MESFET
Aprovechan la alta movilidad del electrón en el arseniuro de
galio.
 El resultado es un dispositivo muy superior en velocidad pero
inferior en densidad de integración, y actualmente mucho mas
caro que los transistores de Si.
Se utiliza principalmente en circuitos lineales que funcionan a
frecuencias de microondas, y en circuitos digitales de altísima
velocidad.
Su funcionamiento se asemeja al Mosfet de deplexión

campo
36
TRANSISTORES MESFET (CONT)

campo
37
TRANSISTORES JFET
El transistor de efecto de campo de
unión (JFET: junction field-effect
transsitor) de canal N consiste en un
canal semiconductor de tipo N con
contactos óhmicos en cada extremo ,
llamados drenador y fuente (ó
surtidor).
A los lados del canal hay regiones de material semiconductor tipo P
Conectadas eléctricamente entre si y al terminal denominado puerta.
La unión PN entre puerta y el canal es similar a la unión PN de un
diodo.
En las aplicaciones normales , esta unión debe estar polarizada
inversamente.

campo
38
TRANSISTOR J-FET DE CANAL N (CONT)
Cuanto mas negativa es la tensión inversa de polarización de una
unión PN, mas ancha se hace la zona de deplexión (no conductora,
libre de cargas),y por tanto en este caso mas se estrecha el canal
conductor

campo
39
Cuando la zona no conductora ocupa toda la anchura del canal,
decimos que ocurre un fenómeno llamado de estrangulamiento.
La tensión de estrangulamiento Vto (VP)es valor necesario de la
tensión puerta - canal para que desaparezca el canal conductor

campo
40
La tensión de estrangulamiento Vto (Vp), es el valor necesario de
la tensión puerta - canal para que desaparezca el canal conductor.
En los JFET de canal N ésta tensión es esencialmente negativa:
En funcionamiento normal, la tensión VGS debe ser: Vto<=VGS<=0
En los JFET de canal N, el drenador es positivo respecto a la
fuente.
La corriente entra por el drenador y sale por la fuente.
Como la resistencia del canal depende de la tensión puerta-
fuente, la corriente de drenador se controla con VGS

campo
41
CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UN JFET DE
CANAL N
0<≤ PGS Vv
El J-FET es un dispositivo de tres estados:
Zona de corte si : entonces: ID=IS=0



−≥⇒≤−
−≤⇒≥−
≥
PDGPGD
PDGPGD
PGS
VVVVVsiactivaZona
VVVVVsióhmicaZona
VvconduccióndeZona
:
:
:
El límite entre la zona óhmica y la activa viene marcada en viene
marcada por la igualdad VDG=-VP

campo
42
ZONAS DE FUNCIONAMIENTO DE UN JFET DE
CANAL N
El JFET es un dispositivo muy parecido a los MOSFET.
A tensiones VDS pequeñas, el dispositivo funciona como
una resistencia controlada por la tensión VGS
Cuando VDS alcanza tensiones suficientemente elevadas, es
decir cuando : PGSDSDG Vvvv −≥−=
Entonces polarización inversa de drenador es tan grande que el
canal se estrangula, y un incremento adicional de VDS no
afecta demasiado a la corriente de drenador, al igual que ocurre
con los transistores MOSFET, el JFET entra en el estado
activo, también llamado zona de saturación del canal. La
corriente se hace prácticamente constante

campo
43
ESTADO ÓHMICO DEL TRANSISTOR JFET
PDGPGS VVademásyVV −≤≥ :
( )[ ]2
2 DSDSPGSD vvVvi −⋅−⋅= β
El JFET de canal N, se encuentra en el estado óhmico o zona
óhmica si:
Entonces, la corriente de drenador viene dada por la expresión:
Donde β (K), tiene la expresión:
D
Si
n
tNL
W
3
4ε
µβ =
W,L,t, son la anchura, longitud, y espesor del canal. µn la movilidad de los
electrones, ND la concentración del dopado, y εSi la constante dieléctrica del
silicio

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44
Resistencia del JFET controlada por tensión
( )[ ]2
2 DSDSPGSD vvVvi −⋅−⋅= β
( )
( )PGS
JFETNDS
JFETN
DSPGSD
Vv
Rv
R
VVvi
−
==−≈ −
− β
β
2
1
;
1
2
( )PGSDS Vvv −≤ 2,0
Si en la ecuación:
vDS es tan pequeño que el término cuadrático es despreciable,
entonces:
Esta expresión se podrá considerar válida si:
Discusión interpretativa:
Compare la definición dada de RN-JFET
con la de resistencia dinámica rd,JFET,:
DSQDQ VIDS
D
JFETd v
i
r
,
,
1
∂
∂
=

campo
45
ESTADO ACTIVO DEL TRANSISTOR JFET
El JFET de canal N, se encuentra en el estado activo o zona de
saturación del canal si:
PDGPGS VVademásyVV −≥≥ :
Entonces, la corriente de drenador viene dada por la expresión:
( )2
PGSD Vvi −= β
La corriente iD que circula cuando VGS es igual a cero y el
transistor está en estado activo, se denomina IDSS
2
pDSS VI β=
IDSS es un parámetro que suele aparecer en las hojas de
características, junto con VP, de los cuales se puede deducir β
(VP negativo en los JFET N)

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