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

P+Fuente (S)

NP+

Canal

Drenador (D)

Puerta (G)GJFET (canal N) Smbolo

DOtros smbolos

GGcanal N

D S

S

D

G

D S

S canal P

JFET (canal P) Smbolo

ATE-UO Trans 82

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

P+Fuente (S)

NP+Puerta (G)

Drenador (D)

Zona de transicin en zona muy dopada estrecha Zona de transicin en zona poco dopada anchaATE-UO Trans 83

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

P+(S)

N

-

(D)

P+(G)V1 < V2

V12 V

Segn aumenta la tensin drenador-fuente, aumenta la resistencia del canal, ya que aumenta la zona de transicin, que es una zona de pocos portadores.ATE-UO Trans 84

Principio de funcionamiento de los transistores de efecto de campo de unin, JFET (III)D + VDS S ID Evolucin si la resistencia no cambiara con la tensin. ID

G

VDS Evolucin real en un JFET (la resistencia cambia con la tensin aplicada). V1 V2ATE-UO Trans 85

Principio de funcionamiento de los JFET (IV)

P+(S)

NP+

VPO

+

(D) VDS

(G)

VDS=VPO > V2

Si se aumenta ms la tensin drenador-fuente, la zona de transicin llega a dejar una parte del canal con muy pocos portadores. La corriente de drenador no cesa (si cesara no se formara el perfil de zona de transicin que provoca esta situacin). La tensin VDS a la que se produce la contraccin total del canal recibe el nombre de tensin de contraccin (pinch-off), VPO. ATE-UO Trans 86

Principio de funcionamiento de los JFET (V)

P+(S)

N

-

LC P+(G)

LZTC

(D) VDS

VDS=V3 > VPO

Si se aumenta la tensin drenador-fuente por encima de VPO, va aumentando la parte del canal que ha quedado con muy pocos portadores, LZTC (longitud de la zona de transicin en el canal). Sin embargo, el aumento de LZTC al aumentar VDS es pequeo comparado con la longitud del canal, LC.ATE-UO Trans 87

Principio de funcionamiento de los JFET (VI)

P+ (S)

VPO-

+ LZTC LZTC

(D) VDS

N

P+(G)VDS=V4 > V3

Si LZTC VPO.ATE-UO Trans 88

Resumen del principio de funcionamiento de los JFET cuando VGS = 0VDS=0 VDS=V1 VDS=V2 VDS=VPO VDS=V3 VDS=V4ATE-UO Trans 89

ID

Comportamiento resistivo Comportamiento como fuente de corriente

VDS V1 V2 VPO V3 V4

P+ (S) N-

Qu pasa si VGS 0? VPO + (D)

P+ (G)

Con VGS=0, la contraccin ocurre cuando VDS = VDSPO =VPO. VDS=VPO El canal es siempre ms estrecho, al estar polarizado ms inversamente mayor resistencia UA La contraccin se produce cuando: VDS=VDSPO=VPO + VGS Es decir: VDSPO = UA = VPO - UB

P (S)

+

N-

VPOP+ (G)

+ -

(D)

+VDS

UB

+ VGS -

-

Cuando VGS < 0, la corriente que circula es menor y la contraccin se produce a una VDS menor. ATE-UO Trans 90

Curvas caractersticas de un JFET (canal N)Referencias normalizadas

ID D + VDS 4 2

Curvas de salida ID [mA]VGS = 0V VGS = -0,5V VGS = -1VVGS = -1,5V VGS = -2V

G + VGS -

S

Curvas de entrada: No tienen inters(unin polarizada inversamente)

VDS [V]

0

2

4

6

Contraccin del canalContraccin producida cuando: VDSPO=VPO + VGSATE-UO Trans 91

Muy importante

La tensin VPOP+ (S) P+ (G) N(D)

Cortocircuitamos el drenador y la fuente y aplicamos tensin entre puerta y fuente.

UB1

+ VGS -

P+ (S) P+ (G) N(D)

UB1< UB2

+ VGS = -VPO -

Cuando la tensin VGS alcanza un valor negativo suficientemente grande, la zona de transicin invade totalmente el canal. Este valor es el de contraccin del canal, VPO.

ATE-UO Trans 92

Anlisis grfico de un JFET en fuente comn2,5K G + VGS D + VDS ID ID [mA] 4 2 10V 0 4 8VGS = 0V VGS = -0,5V VGS = -1VVGS = -1,5V VGS = -2V

S

12 VDS [V]VGS = -2,5V Muy importante

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

Comportamiento resistivo Comportamiento como fuente de corriente Comportamiento como circuito abierto

ATE-UO Trans 93

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

ID [mA] 4Tambin se conoce la tensin de contraccin del canal, VPO Ecuacin ya conocida:

ID0PO IDPO

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

2

VDSPO = VPO + VGSEcuacin no demostrada:

0

4

8

12 VDS [V]

VGS = -VPOMuy importanteATE-UO Trans 94

IDPO ID0PO(1 + VGS/VPO)2

Comparacin entre transistores bipolares y JFET (I) IC ID

RIB B (P) C (N) V2 E (N)

Muy importante

RD N S V2

IG 0 G (P) V1

V1

+ VBE -

+ VGS -

En ambos casos, las tensiones de entrada (VBE y VGS) determinan las corrientes de salida (IC e ID). En zona de comportamiento como fuente de corriente, es til relacionar corrientes de salida y entrada (transistor bipolar) o corriente de salida con tensin de entrada (JFET). La potencia que la fuente V1 tiene que suministrar es mucho ms pequea en el caso del JFET (la corriente es casi cero, al estar polarizada inversamente la unin puerta-canal).

ATE-UO Trans 95

Comparacin entre transistores bipolares y JFET (II)P (S) P+ (G)+

N-

Corriente de electrones en todo el dispositivo

(transistor unipolar)(D)

+UAMuy importante

UB

+ VGS -

VDS

-

El JFET es ms rpido al ser un dispositivo unipolar (conduccin no determinada por la concentracin de minoritarios). El JFET puede usarse como resistencia controlada por tensin, ya que tiene una zona de trabajo con caracterstica resistiva. Para conseguir un comportamiento tipo cortocircuito hay que colocar muchas celdas en paralelo.ATE-UO Trans 96

Estructura real de un JFET de canal NSiO2

SN+ N-

GP+

DN+ P+ Contactos metlicos Canal N

G Uso de un JFET de canal PHay que invertir los sentidos reales de tensiones y corrientes para operar en I 0 G G (N) los mismas zonas de trabajo. V1ATE-UO Trans 97

RD P S V2

-ID

+ VGS -

Los transistores de efecto de campo de unin metal-semiconductor MESFETContacto rectificador (Schottky)

SN+ N-

G

DN+

ID GaAs

VGS > 0 VGS = 0

GaAs aislante

Contactos hmicos

VGS V1

ATE-UO Trans 100

Principios de operacin de los MOSFET (II) G++++ Esta capa de minoritarios es llamada capa de inversin

S ++++

D

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

V3 = V TH > V2Esta capa es una zona de transicin (no tiene casi portadores de carga)

Substrato

Cuando la concentracin de los electrones en la capa formada es igual a la concentracin de los huecos de la zona del substrato alejada de la puerta, diremos que empieza la inversin. Se ha creado artificialmente una zona N tan dopada como la zona P del substrato. La tensin a la que esto ocurre es llamada tensin umbral (threshold voltage), VTH.ATE-UO Trans 101

Principios de operacin de los MOSFET (III)Situacin con tensin mayor que la de umbral

S +++++ +++++

G

DV4 > V TH

N+ -- - -- - - -- N+ PVDS ID Substrato P

S +++++ +++++

G

DVGS

Conectamos la fuente al substrato. Conectamos una fuente de tensin entre los terminales fuente y drenador.

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

Cmo es la corriente de drenador?ATE-UO Trans 102

VDS 0

ID 0

Principios de operacin de los MOSFET (IV) DVGSExiste un canal entre drenador y fuente constituido por la capa de inversin que se ha formado. Con tensiones VDS pequeas (VDS1 ID

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

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

G

DN+ VGS

VDS3 >VDSPO ID

Substrato

Cuando VDS > VDSPO, el MOSFET se comporta como una fuente de corriente (como en el caso de los JFET).ATE-UO Trans 104

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

G

DN+ VGS

Substrato

Principios de operacin de los MOSFET (VI)VDS1 ID 0 VDS2 > VDS1 ID 0

SN+ PSubstrato

G

DN+

SN+ PSubstrato

G

DN+

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