UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOSDecana de Amrica,
Fundada el 12 de Mayo de 1551FIEE
JFET -MOSFETPROFESOR:MEDINA CALDERN ALFREDOALUMNO : HEREDIA VELA
OSCAR DANIEL 11190241Ciudad Universitaria, 23 FEBRERO 2015
Transistor JFETEl transistor JFET (Junction Field Efect
Transistor, que se traduce como transistor de efecto de campo) es
un dispositivo electrnico activo unipolar.
Funcionamiento bsicoEl transistor de efecto campo (Field-Effect
Transistor o FET, en ingls) es en realidad una familia de
transistores que se basan en el campo elctrico para controlar la
conductividad de un "canal" en un material semiconductor. Los FET
pueden plantearse como resistencias controladas por diferencia de
potencial.Tienen tres terminales, denominadas puerta (gate),
drenador (drain) y fuente (source). La puerta es la terminal
equivalente a la base del BJT. El transistor de efecto de campo se
comporta como un interruptor controlado por tensin, donde el
voltaje aplicado a la puerta permite hacer que fluya o no corriente
entre drenador y fuente.As como los transistores bipolares se
dividen en NPN y PNP, los de efecto de campo o FET son tambin de
dos tipos: canal n y canal p, dependiendo de si la aplicacin de una
tensin positiva en la puerta pone al transistor en estado de
conduccin o no conduccin, respectivamente.El JFET es un transistor
de efecto de campo, es decir, su funcionamiento se basa en las
zonas de deplexin que rodean a cada zona P al ser polarizadas
inversamente.Cuando aumentamos la tensin en el diodo
compuerta-fuente, las zonas de deplexin se hacen ms grandes, lo
cual hace que la corriente que va de fuente a drenaje tenga ms
dificultades para atravesar el canal que se crea entre las zonas de
deplexin, cuanto mayor es la tension inversa en el diodo
compuerta-fuente, menor es la corriente entre fuente y drenaje.Por
esto, el JFET es un dispositivo controlado por tensin y no por
corriente. Casi todos los electrones que pasan a travs del canal
creado entre las zonas de deplexin van al drenaje, por lo que la
corriente de drenaje es igual a la corriente de fuente.Polarizacin
y curvas caractersticas
polarizacin
Este tipo de transistor se polariza de manera diferente al
transistor bipolar. La terminal de drenaje se polariza
positivamente con respecto al terminal de fuente (Vdd) y la
compuerta se polariza negativamente con respecto a la fuente
(-Vgg).A mayor voltaje -Vgg, ms angosto es el canal y ms difcil
para la corriente pasar del terminal drenador (drain) al terminal
fuente o source. La tensin -Vgg para la que el canal queda cerrado
se llamapunch-offy es diferente para cada JFET.El transistor de
juntura bipolar es un dispositivo operado por corriente y requieren
que halla cambios en la corriente de base para producir cambios en
la corriente de colector. El JFET es controlado por tensin y los
cambios en tensin de la compuerta a fuente modifican la regin de
rarefaccin (deplexin) y causan que vare el ancho del canal.Al hacer
un barrido en corriente directa, se obtienen las curvas
caractersticas del transistor JFET. Las curvas caractersticas
tpicas para estos transistores se encuentran en la imagen, ntese
que se distinguen tres zonas importantes: la zona hmica, la zona de
corte y la zona de saturacin.Existen otros tipos de curvas, como
las de temperatura, capacitancia, etc. Todas ellas normalmente las
especifica el fabricante de cada transistor. Algunos programas de
simulacin (como SPICE) permiten hacen barridos de CD bsicos para
obtener las curvas, en base a los modelos contenidos en sus
bibliotecas de componentes.El transistor JFET, al igual que los
BJT, se pueden polarizar de diversas maneras (ms adelante se ver)
para dar lugar a configuraciones de amplificadores de seal, sin
embargo no son las nicas aplicaciones, por ejemplificar algunas
otras se tienen la configuracin para formar osciladores,
interruptores controlados, resistores controlados, etc.
AplicacionesComo se mencion con anterioridad, las aplicaciones
con este tipo de transistores es muy variada, aqu se mostrarn slo
dos aplicaciones bsicas, a saber, la construccin de osciladores
para generacin de formas de onda cuadradas a determinadas
frecuencias, y el anlisis y diseo de las configuraciones
fundamentales de amplificadores con JFET's.
MOSFETEs untransistorutilizado para amplificar o
conmutarsealeselectrnicas. Es el transistor ms utilizado en la
industria microelectrnica, ya sea en circuitos analgicos o
digitales, aunque eltransistor de unin bipolarfue mucho ms popular
en otro tiempo. Prcticamente la totalidad de
losmicroprocesadorescomerciales estn basados en transistores
MOSFET.El MOSFET es un dispositivo de cuatro terminales llamados
surtidor (S), drenador (D), compuerta (G) y sustrato (B). Sin
embargo, el sustrato generalmente est conectado internamente al
terminal del surtidor, y por este motivo se pueden encontrar
dispositivos MOSFET de tres terminales.FuncionamientoExisten dos
tipos de transistores MOSFET, ambos basados en laestructura MOS.Los
MOSFET deenriquecimientose basan en la creacin de un canal entre el
drenador y el surtidor, al aplicar una tensin en la compuerta. La
tensin de la compuerta atrae portadores minoritarios hacia el
canal, de manera que se forma una regin de inversin, es decir, una
regin con dopado opuesto al que tena el sustrato originalmente. El
trminoenriquecimientohace referencia al incremento de
laconductividad elctricadebido a un aumento de la cantidad
deportadores de cargaen la regin correspondiente al canal. El canal
puede formarse con un incremento en la concentracin deelectrones(en
un nMOSFET o NMOS), ohuecos(en un pMOSFET o PMOS). De este modo un
transistor NMOS se construye con un sustrato tipo p y tiene un
canal de tipo n, mientras que un transistor PMOS se construye con
un sustrato tipo n y tiene un canal de tipo p.Los MOSFET
deempobrecimientotienen un canal conductor en su estado de reposo,
que se debe hacer desaparecer mediante la aplicacin de la tensin
elctrica en la compuerta, lo cual ocasiona una disminucin de la
cantidad de portadores de carga y una disminucin respectiva de la
conductividad.4Estructura metal-xido-semiconductor
Estructura Metal-xido-semiconductor construida con un sustrato
de silicio tipo pUna estructura metal-xido-semiconductor (MOS)
tradicional se obtiene haciendo crecer una capa dedixido de
silicio(SiO2) sobre un sustrato de silicio, y luego depositando una
capa de metal osiliciopolicristalino, siendo el segundo el ms
utilizado. Debido a que eldixido de silicioes un
materialdielctrico, esta estructura equivale a uncondensadorplano,
en donde uno de los electrodos ha sido reemplazado por
unsemiconductor.Cuando se aplica un potencial a travs de la
estructura MOS, se modifica la distribucin de cargas en el
semiconductor. Si consideramos un semiconductor de tipo p (con una
densidad de aceptores NA),pes la densidad de huecos;p = NAen el
silicio intrnseco), una tensin positiva VGBaplicada entre la
compuerta y el sustrato (ver figura) crea una regin de agotamiento
debido a que los huecos cargados positivamente son repelidos de la
interfaz entre el aislante de compuerta y el semiconductor. Esto
deja expuesta una zona libre de portadores, que est constituida por
los iones de los tomos aceptores cargados negativamente (verDopaje
(semiconductores)). Si VGBes lo suficientemente alto, una alta
concentracin de portadores de carga negativos formar unaregin de
inversinlocalizada en una franja delgada contigua a la interfaz
entre el semiconductor y el aislante. De manera distinta al MOSFET,
en donde la zona de inversin ocasiona que los portadores de carga
se establezcan rpidamente a travs del drenador y el surtidor, en un
condensador MOS los electrones se generan mucho ms lentamente
mediante generacin trmica en los centros de generacin y
recombinacin de portadores que estn en la regin de agotamiento. De
forma convencional, la tensin de compuerta a la cual la densidad
volumtrica de electrones en la regin de inversin es la misma que la
densidad volumtrica de huecos en el sustrato se llamatensin de
umbral.Esta estructura con un sustrato de tipo p es la base de los
transistores nMOSFET, los cuales requieren el dopado local de
regiones de tipo n para el drenador y el surtidor.
Estructura MOSFET y formacin del canal
Formacin del canal en un MOSFET NMOS: Superior: Una tensin de
compuerta dobla las bandas de energa, y se agotan los huecos de la
superficie cercana a la compuerta (izquierda). La carga que induce
el doblamiento de bandas se equilibra con una capa de cargas
negativas de iones aceptores (derecha). Inferior: Una tensin todava
mayor aplicada en la compuerta agota los huecos, y la banda de
conduccin disminuye de forma que se logra la conduccin a travs del
canal.
Un transistor de efecto de campo metal-xido-semiconductor
(MOSFET) se basa en controlar la concentracin de portadores de
carga mediante un condensador MOS existente entre los electrodos
del sustrato y la compuerta. La compuerta est localizada encima del
sustrato y aislada de todas las dems regiones del dispositivo por
una capa de dielctrico, que en el caso del MOSFET es un xido, como
eldixido de silicio. Si se utilizan otros materiales dielctricos
que no sean xidos, el dispositivo es conocido como un transistor de
efecto de campo metal-aislante-semiconductor (MISFET). Comparado
con elcondensador MOS, el MOSFET incluye dos terminales adicionales
(surtidorydrenador), cada uno conectado a regiones altamente
dopadas que estn separadas por la regin del sustrato. Estas
regiones pueden ser de tipo p o n, pero deben ser ambas del mismo
tipo, y del tipo opuesto al del sustrato. El surtidor y el drenador
(de forma distinta al sustrato) estn fuertemente dopadas y en la
notacin se indica con un signo '+' despus del tipo de dopado.Si el
MOSFET es de canal n (NMOS) entonces las regiones de dopado para el
surtidor y el drenador son regiones 'n+' y el sustrato es una regin
de tipo 'p'. Si el MOSFET es de canal p (PMOS) entonces las
regiones de dopado para el surtidor y el drenador son regiones 'p+'
y el sustrato es una regin de tipo 'n'. El surtidor se denomina as
porque es la fuente de los portadores de carga (electrones en el
canal n, huecos en el canal p) que fluyen a travs del canal; de
forma similar, el drenador es el punto en el cual los portadores de
carga abandonan el canal.La ocupacin de las bandas de energa en un
semiconductor est determinada por la posicin delnivel de Fermicon
respecto a los bordes de las bandas de energa del semiconductor.
Como se describe anteriormente, y como se puede apreciar en la
figura, cuando se aplica una tensin de compuerta suficiente, el
borde de la banda de valencia se aleja del nivel de Fermi, y los
huecos presentes en el sustrato son repelidos de la compuerta.
Cuando se polariza todava ms la compuerta, el borde de la banda de
conduccin se acerca al nivel de Fermi en la regin cercana a la
superficie del semiconductor, y esta regin se llena de electrones
en unaregin de inversino uncanal de tipo noriginado en la interfaz
entre el sustrato tipo p y el xido. Este canal conductor se
extiende entre el drenador y el surtidor, y la corriente fluye a
travs del dispositivo cuando se aplica un potencial entre el
drenador y el surtidor. Al aumentar la tensin en la compuerta, se
incrementa la densidad de electrones en la regin de inversin y por
lo tanto se incrementa el flujo de corriente entre el drenador y el
surtidor.Para tensiones de compuerta inferiores a la tensin de
umbral, el canal no tiene suficientes portadores de carga para
formar la zona de inversin, y de esta forma slo una pequea
corriente de subumbral puede fluir entre el drenador y el
surtidor.Cuando se aplica una tensin negativa entre
compuerta-surtidor (positiva entre surtidor-compuerta) se crea
uncanal de tipo pen una superficie del sustrato tipo n, de forma
anloga al canal n, pero con polaridades opuestas para las cargas y
las tensiones. Cuando una tensin menos negativa que la tensin de
umbral es aplicada (una tensin negativa para el canal tipo p) el
canal desaparece y slo puede fluir una pequea corriente de
subumbral entre el drenador y el surtidor.Modos de operacinEl
funcionamiento de un transistor MOSFET se puede dividir en tres
diferentes regiones de operacin, dependiendo de las tensiones en
sus terminales. En la presente discusin se utiliza un modelo
algebraico que es vlido para las tecnologas bsicas antiguas, y se
incluye aqu con fines didcticos. En los MOSFET modernos se
requieren modelos computacionales que exhiben un comportamiento
mucho ms complejo.Para un transistorNMOSdeenriquecimientose tienen
las siguientes regiones:Corte
NMOS en modo de corte.La regin blanca indica que no existen
portadores libres en esta zona, debido a que los electrones son
repelidos del canal.Cuando VGS< Vthdonde Vthes la tensin de
umbral del transistorDe acuerdo con el modelo bsico del transistor,
en esta regin el dispositivo se encuentra apagado. No hay conduccin
entre el surtidor y el drenador, de modo que el MOSFET se comporta
como un interruptor abierto.Un modelo ms exacto considera el efecto
de la energa trmica descrita por la distribucin de Boltzmann para
las energas de los electrones, en donde se permite que los
electrones con alta energa presentes en el surtidor ingresen al
canal y fluyan hacia el drenador. Esto ocasiona una corriente
subumbral, que es una funcin exponencial de la tensin entre
compuerta-surtidor. La corriente subumbral sigue aproximadamente la
siguiente ecuacin:
donde ID0es la corriente que existe cuando VGS= Vth,VT= kT/q es
el voltaje trmico,n = 1 + CD/COXdonde CDes la capacidad de la regin
de agotamiento, yCOXes la capacidad de la capa de xido.Regin lineal
u hmica
NMOS en la regin lineal.Se forma un canal de tipo n al lograr la
inversin del sustrato, y la corriente fluye de drenador a
surtidor.Cuando VGS> Vthy VDS< ( VGS Vth)Al polarizarse la
puerta con una tensin mayor que la tensin de umbral, se crea una
regin de agotamiento en la regin que separa el surtidor y el
drenador. Si esta tensin crece lo suficiente, aparecern portadores
minoritarios (huecos en PMOS, electrones en NMOS) en la regin de
agotamiento, que darn lugar a un canal de conduccin. El transistor
pasa entonces a estado de conduccin, de modo que una diferencia de
potencial entre drenador y surtidor dar lugar a una corriente. El
transistor se comporta como una resistencia controlada por la
tensin de compuerta.La corriente que entra por el drenador y sale
por el surtidor es modelada por medio de la ecuacin:
dondees la movilidad efectiva de los portadores de carga,es
lacapacidaddel xido por unidad de rea,es el ancho de la
compuerta,es la longitud de la compuerta.Saturacin o activa
NMOS en la regin de saturacin.Al aplicar una tensin de drenador
ms alta, los electrones son atrados con ms fuerza hacia el drenador
y el canal se deforma.Cuando VGS> Vthy VDS> ( VGS Vth)Cuando
la tensin entre drenador y surtidor supera cierto lmite, el canal
de conduccin bajo la puerta sufre un estrangulamiento en las
cercanas del drenador y desaparece. La corriente que entra por el
drenador y sale por el surtidor no se interrumpe, ya que es debida
al campo elctrico entre ambos, pero se hace independiente de la
diferencia de potencial entre ambos terminales.En esta regin la
corriente de drenador se modela con la siguiente ecuacin:
Efectos de segundo orden Estas ecuaciones son un modelo sencillo
de funcionamiento de los transistores MOSFET, pero no tienen en
cuenta un buen nmero de efectos de segundo orden, como por
ejemplo:.Saturacin de velocidad: La relacin entre la tensin de
puerta y la corriente de drenador no crece cuadrticamente en
transistores de canal corto..Efecto cuerpo o efecto sustrato: La
tensin entre fuente y sustrato modifica la tensin umbral que da
lugar al canal de conduccin..Modulacin de longitud de
canal.AplicacionesLa forma ms habitual de emplear transistores
MOSFET es en circuitos de tipo CMOS, consistentes en el uso de
transistores PMOS y NMOS complementarios. Las aplicaciones de
MOSFET discretos ms comunes son:Resistencia controlada por
tensin.Circuitos de conmutacin de potencia (HEXFET, FREDFET,
etc).Mezcladores de frecuencia, con MOSFET de doble puerta.
