Diapositivas Para Exponer
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TEMA 7:
EL TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO
1. Clasificación.2. El transistor JFET:
– Tipos y símbolos– Estudio cualitativo del JFET– Curvas de salida y transconductancia
3. El transistor MOSFET:– Tipos y símbolos– MOSFET de empobrecimiento– MOSFET de enriquecimiento
4. El transistor FET en conmutación:– RDS (on) e ID (off)– El transistor MOSFET de potencia
CLASIFICACIÓN
BipolaresNPN
PNP
Efecto de campo(FET)
Unión(JFET)
Metal-Oxido-Semiconductor(MOSFET)
Canal N (JFET-N)
Canal P (JFET-P)
Transistores
* FET : Field Effect Transistor
Canal N
Canal P
Empobrecimiento(Deplexión)
Enriquecimiento(Acumulación)
Canal N
Canal P
EL TRANSISTOR JFET
Canal N Canal P
G - Puerta (GATE)
D - Drenador (DRAIN)
S - Fuente (SOURCE)
G
D
S
G
D
S
El transistor de efecto de campo se comporta como un interruptor controlado por tensión, donde la tensión aplicada a la puerta permite que circule o no corriente entre drenador y fuente.
Tipos y Símbolos
Estudio cualitativo del JFET
Canal N Canal P
D
G
S
P
N
P
G
D
S
G
D
S
D
G
S
N
P
N
n
p
p
G
VGS VDS
S
D
Funcionamiento del JFET de canal N
D
G
S
N
P
UGS
P
Zona de transición
Canal
•Unión GS polarizada inversamente
•Se forma una zona de transición libre de portadores de carga y un canal
•La sección del canal depende de la tensión UGS
•Si se aplica una tensión D-S la corriente ID por el canal dependerá
de USG y UDS
Funcionamiento del JFET de canal N
D
G
S
N
P
UGS
P
UDS
(baja)
UDS
ID
UGSEl canal se estrecha
Mayor resistencia
Entre D y S se presenta una resistencia que varía en función de UGS
(al aumentar la tensión UDS aumenta la corriente ID)
Funcionamiento del JFET de canal N
D
G
S
NUGS
UDS
El ancho del canal depende también de la tensión UDS Se estecha el
canal y deja pasar menos corriente
Pasado un límite la corriente ID deja de crecer con UDS se compensa el
estrechamiento del canal con el comportamiento resistivo
PP
UDS + UGS
UGS
UDS
ID
UGS1
VP
UGS=0
UGS2
Curvas de salida y transconductancia
Características estáticas de un JFET de canal N
Característica real
UDS (V)
ID (mA)
UGS=-4V
2 4 6 8
10
20
30
Zona de fuente de corrienteZona resistiva
UGS=-2V
UGS=0V
Característica linealizada
UDS
ID
UGS0
UGS1
UGS2
G
D
S
UDS
UGS
IS
Hay una UGS a partir de la cual
el canal se cierra y deja de pasar corriente
de drenador
G
D
S
Características estáticas de un JFET de canal P
UDS (V)
ID (mA)
UGS=4V
-2 -4 -6 -8
-10
-20
-30
Zona de fuente de corrienteZona resistiva
UGS=2V
UGS=0V
Curvas idénticas al de canal N pero con tensiones y corrientes de signo opuesto
UDS
UGS
IS
Conmutación de un JFET
Aplicando una onda cuadrada en los terminales UGS se puede conseguir que el JFET actúe como un interruptor
ID
+ UDS
UGS
VCC
RD
UDS
ID
UGS(B)
UGS(A)A
B
UGS
UDS
VCC
AB
El transistor de efecto de campo de unión o JFET
La corriente de drenador se controla mediante tensión (a diferencia de los transistores bipolares donde se controla la corriente de colector mediante la corriente de base)
La unión puerta-fuente se polariza en zona inversa y existe un valor límite de UGS a partir del cual el canal se cierra y deja de pasar corriente de drenador
Entre drenador y fuente el JFET se comporta como una resistencia o una fuente de corriente dependiendo de la tensión UDS.
Aplicaciones típicas: amplificadores de audio y de radiofrecuencia
EL TRANSISTOR MOSFET
Tipos y Símbolos
Canal N Canal P
G - Puerta (GATE)
D - Drenador (DRAIN)
S - Fuente (SOURCE)
El transistor de efecto de campo se comporta como un interruptor controlado por tensión, donde la tensión aplicada a la puerta permite hacer que fluya o no corriente entre drenador y fuente.
Canal P Canal N
EMPOBRECIMIENTO
G
D
SG
D
S
G
D
S
G
D
S
ENRIQUECIMIENTO
EL TRANSISTOR MOSFET
Estructura de un MOSFET de empobrecimiento de canal N
P
N
N
Óxido
Metal
Semiconductor
D
sustrato
S
G
SiO2 actúa de aislante G
D
S
sustrato
EL TRANSISTOR MOSFET
Estructura de un MOSFET de empobrecimiento de canal N
P
N
N
D
S
GVDS
VGS
G
D
S
• En los MOSFET de empobrecimiento el canal se forma mediante una difusión adicional durante el proceso de fabricación
• Con tensión UGS nula puede haber circulación de corriente de drenador
• Es necesario aplicar tensión negativa UGS para cerrar el canal
Curvas características
UDS (V)
ID (mA)
2 4 6 8
10
20
30
40
UGS= -2V
UGS= 0VYa hay canal formado
UGS=2V
UGSoff= -Vp curva de corte ID0
Zona de saturaciónZona de óhmica
UGSoff
IDSS=corriente ID con la puerta en corte
ID
UGS
2
GSoff
GSDSSD U
U1II
Curva de transferencia
Estructura de un MOSFET de enriquecimiento de canal N
N
P
N
D
sustrato
S
GVDS
Normalmente el terminal de SUSTRATO se encuentra conectado con la fuente S
Los terminales principales del MOSFET son D y S
Al aplicar tensión UDS la unión drenador-sustrato impide la circulación de corriente de drenador Al aplicar tensión positiva UGS los electrones libres de la zona P (sustrato) son atraídos hacia el terminal de puerta
VGS
N
N
Estructura de un MOSFET de enriquecimiento de canal N
PPP
D
S
G
VDS
VGS
-+ -+-+-+-+
Cuando UGS< UGSTh ID=0
Si UGS> UGSTh ID≠0
Cuanto mayor sea UGS mayor será el canal ID crece muy rápidamente
Por efecto del campo eléctrico se forma un canal de tipo ‘n’ (zona rica en electrones) que permite el paso de la corriente entre drenador y fuente
Formado el canal entre drenador y fuente puede circular la corriente de drenador ID
Incrementar la tensión UDS tiene un doble efecto:
• Ohmico: mayor tensión = mayor corriente ID
• El canal se estrecha por uno de los lados = ID se reduce
A partir de un cierto valor de UDS ambos efectos se compensan y la corriente se estabiliza haciéndose prácticamente independiente de UDS
Característica real
Característica linealizada
UDS
ID
UGS2
UGS1
UGS0
A partir de un cierto valor de UGS se forma el canal entre drenador y fuente. Por debajo de este límite el transistor está en corte.
G
D
S
UDS
UGS
IS
Curvas características
UDS (V)
ID (mA)
2 4 6 8
10
20
30
40
Zona de corriente constanteZona de óhmica
UGS=6V
UGS=8V
UGS=10V
UGSTh
2GSThGSD UUKI
Característica de transferenciaID
UGSUGSTh
IDon
UGSon
Constante que depende del
MOSFET
D
S
G
VDS
VGS
Circuto equivalente en zona óhmica
UDS
ID
UGS2
UGS1
UGS0
En la región de corriente cteUDS > UGS -UGSTh
Valor límite:UDSlim = UGS - VT
IDlim = KU2DS
VT
La capa de óxido es muy fina, ya que permite mejor control sobre ID, por lo que UGS tiene un valor máximo por encima del cual se puede destruir dicha capa
Zona de fuente de corrienteZona resistiva
Curvas características de un MOSFET de canal P
UDS (V)
ID (mA)
UGS=-6V
-2 -4 -6 -8
-10
-20
-30UGS=-8V
UGS=-10V
Curvas idénticas al de canal N pero con tensiones y corrientes de signo opuesto
Al ser la conducción debida a huecos son más lentos
G
D
S
UDS
UGS
IS-40
UGS=-4V
Limitaciones
•Tensión de ruptura
•Corriente máxima
•Tensión máxima de puerta
•Potencia máxima
Características
•Resistencia en conducción
•Tensión umbral
El transistor JFET Metal-oxido-semiconductor o MOSFET
IDMAX
PMAX
VDC-MAX
SOAR
Área de operación segura(Safety Operation Area)
ID
VDS
MODELO EQUIVALENTE PARA PEQUEÑA SEÑAL
gm = transconductancia en directo o conductancia mutua
rds = resistencia dinámica en inverso o resistencia de salida
rds
ID
gmUGS
G
UDSUGS
S
DSds
GSmD Ur
1UgI
0UGS
Dm DSU
Ig
cteUD
DSds GSI
Ur
MODELO EQUIVALENTE PARA PEQUEÑA SEÑAL
S
dsmGS
DSDS
dsGSmD rg
U
U U
r
1Ug0I
rd
rds
ID
gmUGS
G
UDSUGS +
μ=rdgm factor de amplificación
Resumen
La corriente de drenador se controla mediante la tensión UGS
En los MOSFET de enriquecimiento a partir de un cierto valor
umbral de UGS se forma el canal y puede circular la corriente de
drenador
En los MOSFET de empobrecimiento una difusión adicional
permite la circulación de la corriente de drenador incluso para
tensión UGS nula
Aplicaciones típicas: convertidores y accionadores
electrónicos de potencia, etapas amplificadoras, circuitos
digitales, ...
El transistor JFET Metal-oxido-semiconductor o MOSFET
OTROS TIPOS DE MOSFET
G2
D
S
G1
G2S
D
G1
MOSFET de doble puerta
Para aumentar la ganancia en tensión → aplicación amplificador cascodo
N N
DG
S
SUSTRATO
P
n
VMOS
La estructura física de los MOSFET es:
125μm
El canal es muy estrecho con un espesor limitado la R que presenta al paso de la corriente es muy alta. La intensidad y la
potencia por tanto es pequeña.
n+ n+
D
G SS
pn
VMOS
La estructura física de los VMOS es:
canaln+
La corriente circula casi vertical al plano de las capas de semiconductor con una sección más ancha
La forma en V de G canal de longitud pequeña y mayor ancho efectivo se reduce la R y aumenta la corriente.
Ventajas del VMOS
1.POSIBILIDAD DE CONEXIÓN EN PARALELO
En aplicaciones de potencia se consigue más intensidad conectando varios VMOS en paralelo
2. AUSENCIA DE AVALANCHA TÉRMICA
La conexión con BJT no es posible ya que tienen un coeficiente de temperatura positivo.
Con VMOS:
ΔT↑⇒ ΔID↓⇒ ΔP↓ ⇒ΔQ↓
3. MAYOR RAPIDEZ DE CONMUTACIÓN
IGBT
G
C
E
Símbolo Circuito equivalente
E
C
BS
D
G
Es un transistor muy usado en potencia ya que une las ventajas del BJT y MOSFET:
•Impedancia de entrada alta del MOSFET
•las características de conducción son como las del BJT:
•Capacidad de sobrecarga mayor.
•Tiempo de conmutación bajo
•Mayor disipación
Isolated Gate Bipolar Transistor (transistor bipolar de puerta aislada)
Estructura de un IGBT de canal n
n+ n+
E
S
p
n
n+
C
p+
SiO2
S del MOSFET
ánodo
cátodo
B del Bipolar
C del Bipolar
En estado de conducción es cualitativamente similar a un BJT controlado por tensión
La característica por puerta es equivalente a un MOSFET
Puesto que Vp = 4 V, VGS(off)= -4 V. En cualquier instante de tiempo antes del punto A. la tensión de entrada es -10 V y el JFET está cortado. En este caso, la tensión de drenador es:
VD = 10 V
Entre los puntos A y B, l tensión de entrada es igual a 0 V. El extremo superior de la recta de carga en continua se corresponde con una corriente de saturación de:
ID(sat) =
La figura (b) muestra la recta de carga en continua. Puesto que ID(sat) es mucho menor que I DSS, el JFET está en saturación fuerte.
La resistencia óhmica es:
RSD =
En el circuito equivalente de la figura (c), la tensión del drenador es: VD =