electronica 1 (transistores)

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E l JF E T

369

E l j F ET___________________________________________________(transistor de efecto de cam po de unin) es un tipo de F E T que opera con una pn polarizada en inversa para controlar co rriente en un canal. Segn su estructura, los caen dentro de cualquiera de dos categoras, de canal n o de canal p. esta seccin, usted ser capaz de:

Explicar !a o peracin de los J F E T Identificar las tres term inales de un JFE T Explicar qu es un canal ..

Desen bir la d iferencia estructural entre un JF E T de canal n y un JFE T de canal p Analizar cm o la corriente en un JF E T controla el voltaje los sm bolos para los JFE T de canal n y los de canal p

8- i (a) m uestra la estructura bsica de un JF E T de canal n (transistor de efecto de unin). C ada extrem o del canal n tien e un a term in al; el d r e n a j e se en cu en tra en el superior y la fo e ste en el inferior. Se difunden dos regiones tipo p en el m aterial tipo n un canal y am bos tipos de regiones p se conectan a la term inal de la c o m p u e r ta . Por la terminal de la com puerta se m uestra conectada slo a un a de las regiones p. En la l(b) se m uestra un JF E T de canal p.

NOTA HISTRICAEn 1952, lan Ross y George Dacey tuvieron xito al fabricar un dispositivo unipolar con una estructura similar a la del JFET actual.

Drenaje

D renaje

< FIG U R A 8-1___________Representacin de la estructura bsica de los dos tipos de JFET.

Com puerta

~/T[

TF u e n te

(a) cana! n

(b) canal p

bsica]a operacin de un JFET, la figura 8-2 m uestra los voltajes de polarizacin de cd un dispositivo de canal n. VDq genera un voltaje entre el drenaje y la fuente y sumidel drenaje a la fuente. Vgg establece el voltaje de polarizacin en inversa entre y la fuente, com o se m uestra. opera con la unin pn de com puerta-fuente p o larizada en inversa. La polade la unin de com puerta-fuente con voltaje negativo en la com puerta produce empobrecimiento a lo largo de la unin pn, la cual se extiende hacia el canal n, y su resistencia al restringir el ancho del canal, canal y, consecuentem ente, su resistencia pueden controlarse variando el voltaje en controlando de esa m anera la cantidad de corriente en el drenaje, /]> La figura 8-3 Las reas blancas representan la regin de em pobrecim iento creada por la inversa, ms ancha hacia el drenaje del canal porque el voltaje de polarizacin en

370

T

r a n s is t o r e s

de efecto

de c a m po

(FET )

FIG U RA 8-2 JFET de cana!

n polarizado.

W rD Compue (G)

3 GE

IEPASO DE L 5ECCIN 8-t as respuestas si I encuentran al fi

y m m ,,,l GS

1del captulo

m,

imTZ-T Vnn

2

C ar

El JFET oper seccin se ab cia del JFET Al terminar

(as JFET polarizado para conduccin

(b) Con VGG grande el canal se estrecha (entre las reas blancas) lo cual increm enta la resistencia del canal y reduce la / D. /

Definir Exp Del

# v cs 9

Rn | W v ,C3

# \v , stm N D &

De dre De O

O''7] U :

A

V n n -= -

l l * 1

(c) Con VGa pequeo el canal se ensancha (entre las reas blancas) lo cual reduce la resistencia del cana! e increm enta la / D.

FIG U R A 8-3 Efectos del VGS en el ancho del canal, la resistencia y la corriente en el drenaje (VG = VGS). C

Consic produce i inversa entre la com puerta y el drenaje es m s grande que la que hay entre la com puerta y la fiii | am bas se te. En la seccin 8-2 se analizarn las curvas caractersticas y algunos parm etros importantes /D lo har JFET. sEn esta m iento i Smbolos de JFET . regin c ms a fi Los sm bolos esquem ticos tanto para los JFE T de canal n com o de canal /; se muestran en l: En e g ura 8-4. O bserve que la flech a en la co m puerta seala la entrada del canal n y la salida esencia canal p.

C

a r a c t er st ic a s

y parm etros

del

JF E T

371

D ren aje (D )

D ren aje (D )

4 F IG U R A 8 - 4

Smbolos esquemticos de JFET.C om puerta (G) C o m p u e rta (G )

F u en te (S) cana! n canal >

F uente (S)

DE LA

N 8-1estas si* itran al final fc >

1. Mencione las tres terminales de un JFET. 2. Requiere un JFET de canal n un valor positivo o negativo de VG S? 3. Cmo se controla la corriente en el drenaje en un JFET?

C arac t e r s t i c a s

y

p a r m e tro s d e l JF E T

gJFETopera como un dispositivo de corriente constante controlado por voltaje. En esta ion se abordan el corte y el estrangulam iento. asi' com o las caractersticas de transferen e l JFET. ninarestu seccin, usted ser capaz de: finir, analizar y ap licar p a r m e tro s im p o rtan tes del JF E T

^

.Explicar la regin hm ica, la regin de corriente constante y la ruptura Definir i ahaje de estrangulam iento ^Describir cmo ei voltaje entre la com puerta y la fuente controla la corriente en el drenaje nir i oltaje de corte Pompara: estrangulam iento y corte lizar una curva caracterstica de transferencia de un JFET ia ecuacin de la caracterstica de transferencia para calcular ID zar tina hoja de datos de JFE T Mr transconductancia car y determ inar resistencia y capacitan cia de entrada ninar la resistencia entre el drenaje y la fuente

el caso en que el voltaje entre ia com puerta y la fuente es cero (Vos = 0 V). Esto se Sendo en cortocircuito la com puerta con la fuente, com o en la figura 8-5(a) cuando ten a tierra. A m edida que VDD (y por lo tanto VDS) se increm enta a partir de 0 V, fjorcionalmente, com o m uestra la grfica de la fig u ra 8~5(b) entre los puntos A y B. la resistencia del canal es esencialm ente constante porque la regin de em pobrecisuficientemente grande com o para que tenga un efecto significativo. sta se llam a porque e / D estn relacionados por la ley de O hm (la regin hm ica se discute )en la seccin 8-4.) B de la figura 8-5(b), la curva se nivela y entra a la regin activa donde / D se torna constante. A m edida que VDs se increm enta desde el punto B hasta el punto C, el

372

T

r a n s is t o r e s

de efec t o

de c a m po

(F E T )

Regin hm ica B

Regin activa (corriente constante) Vp (voltaje de estrangulam iento) (a) JFE T con = 0 V y un variable (VDD) (b) Caracterstica de drenaje

R uptura i

A FIG U R A 8-5Curva de la caracterstica de drenaje de un JFET con VGS = 0 que muestra el voltaje de estrangulamiento.

voltaje de polarizacin en inversa de la co m puerta al drenaje (V q d ) produce una regin deempo* brecim iento suficientem ente grande para com pensar el increm ento de VDS, por lo que /Dsema tiene relativam ente constante.

H

e

Voltaje de estrangulamientoCon V'gs = 0, el valor de VDS al cual I q se vuelve esencialm ente constante [el punto B sobrel (c ) Cuand curva m ostrada en la fig u ra 8-5(b)] es el v o lta je te e s tr a n g u la m ie n to , V. Para un JFETdafj Vp tiene un valor fijo. C om o se p u ed e ver, un in crem en to con tin u o de Vos Por encima del voj taje de estrangulam iento produce una corriente casi constante en el drenaje. Este valor de la FIG U R A 8rriente en el drenaje es /p g s (D rain to S o u rce with g a te S h o rted , D renaje a fuente coir kcin del JFE com puerta en cortocircuito) y siem pre viene especificada en las hojas de datos de los JFET. es la co rrien te m xim a en el d ren aje qu e un JF E T esp ecfico es cap az de producir sinimpofl el circuito externo y siem pre se especifica en la condicin, Vqs = 0 V.

RupturaC om o se m uestra en la g rfica de la fig u ra 8-5(b), la r u p tu ra ocurre en el punto Ccuando: com ienza a increm entarse m uy rpido con cualquier increm ento adicional de VDs- La ruj puede daar irreversiblem ente el dispositivo, as que los JFE T siem pre se operan por deba la ruptura y dentro de la regin activa, (corriente constante), (entre los puntos B y C en la ca). L a accin de JF E T que produce la curva caracterstica de drenaje hasta el punto de ru] con V'gs = 0 V se ilustra en la figura 8 - 6 .

VG controla a lD SC onctese un voltaje de polarizacin, Vqg, de la com puerta a la fuente, com o se muestra en gura 8-7(a). A m ed id a que VGS se ajusta a valores cada vez m s negativos al ajustar VG . se G duce una fam ilia de curvas caractersticas del drenaje, com o m uestra la figura 8-7(b). 01 que / D se reduce a m edida que se increm enta la m agnitud de Vqs a valores negativos ms debido al estrecham iento del canal. O bserve tam bin que, con cada increm ento de V el 'GS, llega al punto de estrangulam iento (donde com ienza la corriente constante) con valores m enores que Vp. El trm ino estrangulam iento no es el m ism o que voltaje de estrangul; Vp. Por consiguiente, V s controla la cantidad de corriente en el drenaje, com o ilustra la fi g

C

a r a c t er st ic a s y pa r m et r o s

del

JF E T

373

(a) Cuando VDS = 0, l D = 0.

(b) / Dse increm enta proporcional mente con en la regin hmica.

Vp., = Vp, /o es constante e igual.

(d) Conform e VDS se incrementa, I D perm anece en / Dss hasta que ocurre la ruptura.

la curva de caracterstica con l'cs = 0 V.

Vas = 0

v'c,s = - 1 v

V ;s = - 2 V CV&S = - 3 V

V (a) JFET polarizado con VGS = - I V

VP = +5 V Estrangulam iento con Vc s = -1 V

V = -4V 0S V S = ^OSlairlo) = -5 V G Vos

(b) Fam ilia de curvas de caracterstica de drenaje

ocurre a un VDS ms bajo a medida que VGS se incrementa a valores ms negativos.

374

T

r a n s is t o r e s

de efecto

de c a m po

(FET )

(a) l'(is - 0 V, VDS > Vv , l D - /DSS

(b) Cuando Vq S es negativo, /p se reduce y es constante por encim a del voltaje de estrangulam iento, el cual es menor que Vp.

(c) Conform e VqS se hace m s negativo, ID contina reducindose pero perm anece constante por encim a del voltaje de estrangulam iento, ei cual tam bin se reduce.

(d) H asta que ^GS ~ ^GS(coric) continua reducindose. Cuando > - V 'GS(cortc), ID s 0.

FIG U RA 8-8 VGS controla a /D.

Voltaje de corteEl valor de Ves que hace que 7q sea aproxim adam ente cero es el voltaje de corte. VGS(corte)> cor% m uestra la figura 8- 8(d). El JFE T debe operar entre VGs = 0 V y VGS(Corte). Con este intervalo voltajes de com puerta a fuente, /D vara desde un m xim o de / DSS hasta un m nim o de casi c C om o se ha visto, p ara un JF E T de canal n, m ientras m s negativo es VGs> m s pequea H e; a ser / D en la regin activa. C uando VGS tiene u n valor negativo suficientem ente grande, /Dsetf duce a cero. El estrecham iento de la reg i n de em pobrecim iento provoca este efecto de corte has ta un punto donde el canal se cierra por com pleto, com o m uestra la figura 8-9.

FIG U R A 8-9 JFET en situacin de corte.

La operacin b sica d e un JF E T de canal p es igual a la de un dispositivo de canal n exce| to, porque un JF E T de canal p req u iere un VDD negativo y un VqS positivo, com o ilustra 1 ra 8 - 10.

C

a r a c t er st ic a s y pa r m et r o s

del

JF E T

375

FIG U R A 8-10 4JFET de canal

p polarizado.

mparacin de! voltaje de estrangulamiento y el voltaje de cortemo se ha visto, existe una diferencia entre los voltajes de estrangulam iento y de corte. Tam il hay una conexin. El voltaje de estrangulam iento VP es el valor de VDS al cual la corriente el drenaje de vuelve constante e igual a /q s s y siem pre se m ide con V qs = 0 V. N o obstante, estrangulamiento ocurre con valores de VDS m enores que VP cuando Vos no es cero. A s que, que Vp es una constante, el valor m nim o de VDS al cual / D se vuelve constante vara con VosA co rte ) y Vp siem pre son igu ales en m agnitud pero de signo opuesto. U n a h o ja de datos almente dar Vc;s(corte) m as 110 am bos. Sin em bargo, cuando se conoce uno, se tiene el Por ejem plo, si Vos(cortc) = 5 V, entonces Vp = + 5 V, com o m uestra la figura 8-7(b).

JEM PLO 8-1

P ara e l JF E T m ostrado en la fig u ra 8-11, VGS (corte) = 4 V e /]5ss 12 mA. D eterm ine el va'( lor mnimo de VDD requerido para situar el dispositivo en la regin de operacin de corriente constante cuando V'gs - 0 V. FIG U R A 8-11

+

.

T

Solucin

En vista de que VGS(corte) ~ 4 V, VP = 4 V. E l valor m nim o de V p ara que el JFE T est en DS regin de corriente constante es VDS = VP = 4 V E n la regin de corriente constante con VGS - 0 V, = ^dss = 12 mA L a cada a travs del resisto r en serie con el drenaje es V ru = DR D = (12 m A )(560 f l ) = 6.72 V A plique la ley de voltaje de K irchhoff alrededor del circuito de drenaje. V D D = V ~ W = 4 V + 6.72 V = 10.7 V nn v DS + v Ryj 1~ ste es el valor de VDD p ara h acer que te constante. : Vp y p o n er el dispositivo en la regin de corrien-

blema relacionado*

Si VdD se increm enta a 15 V, cul es la corriente en el drenaje? *Las respuestas se encuentran al final del captulo.

376

T

r a n s is t o r e s

de efecto

de c a m po

(F E T )

E JE M P L O 8 - 2 Solucin

U n JF E T de canal p particular tiene un V ,GS(corte) = + 4 V. C ul es / D cuando VGS = +6 V? E l JF E T de canal p requiere un voltaje positivo de com puerta a fuente. M ientras m s positivo sea el voltaje, m enos corriente h ab r en el drenaje. C uando VGs = 4 V, / D = 0. Cualquier in crem ento adicional de Vqs m antiene el JF E T en corte, por lo que /D perm anece en 0. C ul es Vp para el JF E T descrito en este ejem plo?

Problema relacionado

Caracterstica de transferencia universal de un JFETSe aprendi que un intervalo d e valores d e VGS desde cero h asta V'gs(corto controla la cantidad de corriente en el drenaje. P ara un JF E T de canal n, VGS(c0lte) es negativo y para uno de canal p. ^GS(corte) es positivo. L a fig u ra 8-12 es un a curva de caracterstica de transferencia que ilustra! g rficam ente la relacin entre Vqs e / D. E sta cu rv a tam bin se conoce com o curva de transeductancia.-Vgs

(V)

FIG U RA 8-12

Curva de la caracterstica de transferencia universal de un JFET (canal n).

A F I GURA I

Ejemplo del t de las curvas

U n a etin

J t"Ii i

^D SS9

I

14

-V e* GS(corte)

Con la ecuf general, est elevado al < ley cuadr de le y cuac L a hoja

O bserve que el extrem o in ferio r de la cu rv a se encuentra en un punto sobre el eje V^s iguala v GS(coi te) Y superior se encuentra en un punto sobre el eje l D igual a / DSS. E sta curva muestra que';0

EJEM

cuando Vr

Vr.

r ^DSS D 4

cuando J/C = 0.5VGSk, lS cuando l/cs = 0.3VO S(corle)

1 _ ^DSSD2

/D n

n DSS

cuando Vr.< = 0 L u a l l u u VCS

L a curva de caracterstica de transferencia tam bin puede desarrollarse a partir de las curvap de la caracterstica de d renaje graficando los valores de / tJ correspondientes a los valores de Vj| j tom ados de la fam ilia de curvas de drenaje en el punto de estrangulam iento, com o ilustra la figu ra 8-13 para un conjunto especfico de curvas. Cada punto sobre la curva de caracterstica transferencia corresponde a valores especficos de VqS e / D en las curvas del drenaje. Por ejemplo, cuando Vqs = ~ 2 V, / D = 4 .32 mA. A sim ism o, para este JFE T especfico, Vastante) = "5 Vfl ^dss = 12 mA.

Prol

C

a r a c t er st ic a s y pa r m et r o s

del

JF E T

377

ID (mA)

ad d e lal p , lu stra sc o n -

[ i Fl GURA 8 - 1 3

pemplo del desarrollo de una curva de la caracterstica de transferencia de un JFET de canal lie las curvas de la caracterstica de drenaje de un JFET (negro).

n (gris) a partir

Una curva de transferencia para un JFE T se expresa aproxim adam ente com o

Vgs V^GS(corte) /

Ecuacin 8-1

|Con la ecuacin 8-1, / D puede determ inarse p ara cualquier V'gs s> ^GS(corte)e ^dss se conocen. En Ifeneral, estas cantidades se encuentran en la hoja de datos de un JF E T dado. O bserve el trm ino levado al cuadrado en la ecuacin. D ebido a su form a, u na relacin parablica se conoce com o p) cuadrtica, de ah que los JF E T y los M O S F E T tam b in se c o n o z ca n com o d isp o sitiv o s je ley cuadrtica. La hoja de datos para una serie tpica de JF E T se m uestra en la fig u ra 8-14.

S igual a estra q u e

|

EJEMPLO 8 - 3

La hoja de datos parcial en la figura 8-14 para un JFE T 2N 5459 indica que en general / DSs = 9 m A y Vosfcorte) ~ 8 V (m xim o). C on estos valores, determ ine la corriente en el drenaje con VGS = 0 V, - 1 V y - 4 V. C on VGs 0 V,~ ^d s s = 9 m A

Solucin

C on V'gs =

1 V, use la ecuacin 8-1./n

^GS V, GS(cortc) (9 m A )( 1 - 0 .1 25)2 = (9 m A )(0 .7 6 6 ) = 6.89 mA

las cu rv as res d e V'gs tra la fig u erstica de ir ejem p lo , = '- 5 V e

C on VGS = - 4 V, I D = (9 m A )( 1 Problema relacionado 4 V \ 2 = (9 m A )( 1 - 0 .5 )2 = (9 m A )(0.25) = 2.25 mA

D eterm ine / D con Vqs = ~ 3 V para el JF E T 2N 5459.

378

T

r a n s is t o r e s

de efecto

de c a m p o

(FE T )

F IG U R A 8-14__________

T r n s e o s leFAIRCHILDE M IC D N D U C T D Rt i

Hoja de datos parcial de un JFET. 2003 Fairchild Semiconductor Corporation. Utilizada con permiso.

.a tr n s e o s riente en el (

2N5457 2N5458 2N5459

MMBF5457 MMBF5458 MMBF5459

AVg s ) con ' ss el siemens

SOT-23Marca: 6D/61S/6L

o

A m plificador d e can al-n para p ro p sito gen eralEste dispositivo es un amplificador de audio de bajo nivel y transistores de conmutacin y puede ser utilizado para aplicaciones de conmutacin. Procedente del proceso 55.

Otras design; seta). Come importante ai D eb id o a i con la ubicac superior de k Ira la figura

Valores nom inales mximos absolutos*SmboloVdg Vgs WT j , Tslg

>3que r>e indique lo contrario

ParmetroVoltaje drenaje-compuerta Voltaje compuerta-fuente Corriente en compuerta en polarizacin en directa Intervalo de temperatura de unin de operacin y almacenamiento

Valor25 -25 10 -55 a +150

UnidadesV V mA C

Estus valores nominales son valores lmite por encima de los cuales la funcionalidad de cualquier semiconductor puede verse compromi NOTAS: 1) Estos valores nominales estn basados en una temperatura mxima en la unin de 150 grados. 2) Estos son limites en estado permanente Se deber consultar al fabricante sobre aplicaciones que implican operaciones pulsantes y de ciclos do trabajo de bao nivel.

)

Caractersticas trmicasSymbolPdR iuc R uja

TA = 25'C a menos que se indique lo contrario.

CaractersticaDisipacin total del dispositivo Reduccin de valores nominales por encima de 25C Resistencia trmica, entre unin y cpsula Resistencia trmica, entre la unin y el medio ambiente 625 5.0 125 357

Mx2N5457-5459 'MMBF5457-5459 350 2.8 556

Unidadesmw mW/'C 'CAN C/W

Dispositivo montado en FR-4PCB 1.6" X 1.6'XO.Oo."

Caractersticas elctricas Smbolo

TA =j?5 C a manos que se indique lo contrario

Parmetro

Condiciones de prueba

Mn. Tp. Mx. Unidades

CARACTERISTICAS APAGADOV(BR)GSS Igss VcSfcorle)

Voltaje de ruptura entre compuerta y fuente Corriente inversa en ia compuerta

V gs

Ig = 10|iA, Vos = 0 V g s = -15 V , V os = 0 Ve s = -15 V, V ds = 0, Ta = 100C Voltaje de corte entre compuerta y fuente Vos - 15 V, lD = 10 nA 5457 5458 5459 Voltaje entre la compuerta y fuente Vos = 15 V, b = 100 ,A 5457 j VD = 15 V, lo = 200 |xA 5458 s Vos = 15 V, lD = 400 n -A 5459

- 25 - 1.0 - 200 - 6.0 - 7.0 - 8.0 - 2.5 - 3.5- 4 .5

V nA nA V V V V V

- 0.5 - 1.0 - 2.0

U n a hoja i a de dai na u nidad qi D ad a gm o, aracterstica

CARACTERSTICAS ENCENDIDOtass Corriente en drenaje con voltaje cero en la compuerta Vos = 15 V, VGs = 0 5457 5458 5459 1.0 2.0 4.0 3.0 6.0 y.o 5.0 9.0 1B mA . mA mA

C uando ni as lneas ve

CARACTERISTICAS DE SEAL PEQUEAgts Conductancia de transferencia en polarizacin en directa* Vos = 15 V, Ves = 0,1 = 1.0 kHz 5457 5458 5459 Vos = 15 V, V gs = 0, f = 1.0 kHz Vos = 15 V ,V gs

1000 1500 2000 10 4.5 1.5

5000 5500 6000 50 7.0 3.0 3.0

9os Conductancia de salida* Ciss Capacitancia de entradaCrsb

nmhos ^mi-ios p.mhos ii.mhos pF PF dB

= 0, f = 1-0 MHz

Capacitancia de trans, con polarizacin inversa VDs= 15 V, V gs = 0, f = 1.0 MHz Figura de ruidoPrueba de pulso: Ancho de pulso s 300 ms, Ciclo de trabajo < 2%.

EJEMPi

NF

Vos = 15 V, VGs = 0, f - 1.0 khlz, R g = 1.0 megohm, B W = 1.0 Hz

C

a r a c t er st ic a s y pa r m et r o s

del

JF E T

379

LTransconductancia en directa de un JFETLa tr a n s c o n d u c a n c ia en directa (conductancia de transferencia), g m, es el cam bio de la cojfiente en el drenaje (A /D) correspondiente a un cam bio dado del voltaje entre com puerta y fuente ljVGS) con el voltaje entre drenaje y fuente constante. Se expresa com o un cociente y su unidad es el siem ens (S).

is designaciones com unes para este p arm etro son gfs y yys (adm itancia de transferencia en dia). Com o se ver en el captulo 9, g m es im portante en am plificadores con F E T com o factor ortante al determ inar la ganancia de voltaje. Debido a que la curva de transferencia de un JFE T no es lineal, gm cam bia de valor de acuerdo i la ubicacin en la curva determ inada po r VqS. El valor de gm es m s grande cerca del extrem o erior de la curva (cerca de VGs = 0 ) que cerca del extrem o inferior (casi VGS(corte)), com o ilusala figura 8-L5.A F IG U R A 8-15

gm vara segn el punto depolarizacin (Vcs).

A/piM r.

& 2 * n1 m >

A V r.

?Una hoja de datos norm alm ente da el valor de g m m edido con Vqs = 0 V (gm0). P or ejem plo, phoja de datos del JFE T 2N 5457 especifica u n a gl0 m n im a de 1000 /Amhos (el m ho es la m isaunidad que e! siem ens (S) con VD = 15 V. Dada g,o, se puede calcular un valor aproxim ado p ara gm en cualquier punto sobre la curva aracterstica de transferencia con la frm ula siguiente:1GS GS(corte) /

& m

& mi)

Ecuacin 8 -2

{ Cuando no se dispone de un valor de g,o, se puede calcular con valores de /D$s y Vcsfcorte)las lneas verticales indican un valor absoluto (sin signo).2 / ,DSS

SmO

^GS(corte)^

Ecuacin 8 -3

E JE M P L O 8-4

L a hoja de datos que aparece en la fig u ra 8-14 incluye la siguiente inform acin para un JFET 2N 5457: en general, oss ~ 3.0 m A , VGS(Corte) = 6 V m xim o y gfS(mX) = 5000 S. C on es tos valores, determ ine la transconductancia en directa con ^GS 4 V y localice /p en este punto.

380

T

r a n s is t o r e s

de e f ec t o

de c a m po

(FE T )

Solucin

gmo = gfS = 5000 S. U se la ecuacin 8-2 para calcular g m. jlgm

= (5000 /jlS) ^GS(corle)

4 V6 V

1667 ix S

A continuacin, use la ecuacin 8-1 para calcular / q con Vqs = 4 V.VGS

A} A xSSM jS(co rie ) /

= (3 .0 m A )( 1V

-4 V \ 26 V

= 333 f i A

Problema relacionado

U n JF E T dado tiene las siguientes caractersticas: / DSS = 12 mA, ^GScorte) = ~ 5 V y gm = 0 gp = 3000 ju,A. D eterm ine gm e Iq cuando Vgs = 2 V.

Resistencia y capacitancia de entradaC om o se sabe, un JFE T opera con su unin com puerta-fuente polarizada en inversa, lo que hace: que la resistencia de entrada en la co m puerta sea m uy alta. L a alta resistencia de entrada es ventaja del JF E T sobre el B JT (recuerde que un transistor de unin bipolar opera con la unin se-em isor polarizad a en directa). Las hojas de datos de JF E T con frecuencia especifican la rea tencia de entrada dando un valor para la corriente en inversa de la com puerta, /oss> a un voltaje entre com puerta y fuente. L a resistencia de entrada se puede determ inar entonces utiliz: la siguiente ecuacin, donde las lneas verticales indican un valor absoluto (sin signo):

Por ejem plo, la hoja de datos del transistor 2N 5457 que aparece en la figura 8-14 incluye /f m xim a de 1.0 nA con V^s = 15 V a 25C. I q se increm enta con la temperatura, de suerte que la resisten cia de entrada se reduce. La capacitancia de entrada, Ciss es el resultado de un JFET que opera con una unin polarizi en inversa. R ecuerde que una unin p n polarizad a en inversa acta com o capacitor cuya capa: tancia depende de la cantidad de voltaje en inversa. Por ejem plo, el 2N5457 tiene una C mxi: de 7 pF con V'gs = 0-

E JE M P L O 8-5

Un cierto JF E T tiene /Gss de 2 nA con VGs = 20 V, D eterm ine la resistencia de entrada.' Vns 20 V2 nA

Solucin

P T W

10,000 M i l

Problema relacionado

D eterm ine ia resistencia de entrada del 2N 5458 con la hoja de datos de la figura 8-14.

Resistencia de ca de drenaje a fuenteC on la curva caracterstica del drenaje se aprendi que, p o r encim a del punto de estranglame to, la corriente en el drenaje es relativam ente constante dentro de un intervalo de voltajes dre: a fuente. Por consiguiente, un gran cam bio de produce slo un cam bio muy pequeo de f L a relacin de estos cam bios es la resistencia de ca de drenaje a fuente del dispositivo, r r'dsA WDS

A /r

L as hojas de datos a m enudo especifican este parm etro en funcin de las conductancias des da, gos o de la adm itancia de salida, yos, con V'gs = 0 V.

P

o l a r iz a c i n

de

un

JF E T

381

REPASO DE LA SECCIN 8 2

1. El voltaje de drenaje a fuente en el punto de estrangulamiento de un JFET particular es de 7 V. Si el voltaje de compuerta a fuente es cero, cul es VP? 2. El Vcs de un cierto JFET de canal n se incrementa negativamente. Se incrementa o reduce la corriente en el drenaje? 3. Qu valor debe tener VG para producir corte en un JFET de cana! p con un V = - 3 V? S

3

P o l a r i z a c i n d e un J F E T

ic h ace es u na in bau rcsisi cierto izando

. Utilizando algunos de los parm etros de JF E T previam ente analizados, ahora se ver com o \ se polarizan los JFE T con voltaje de cd. Al igual que con el BJT. el propsito de la polariza cin es seleccionar el voltaje de cd de com puerta a fuente apropiado p ara establecer un valor Ideseado de la corriente en el drenaje y, por consiguiente, un punto Q apropiado. Existen tres tipos de polarizacin: la autopolarizacin, la polarizacin m ediante divisor de voltaje y la polarizacin m ediante fuente de corriente. | l terminar esta seccin, usted ser capaz de: A n alizar los circ u ito s d e p o la riz a c i n d e los J F E T D escribir la autopolarizacin A nalizar un circuito de autopolarizado p ara JFET Establecer el punto Q de autopolarizacin A nalizar un circuito de polarizacin m ediante divisor de voltaje para JFET U tilizar curvas de transferencia para analizar circuitos de polarizacin de JFET

Ye AlSS . d e tal ar izad a cap acinx im a

A nalizar la estabilidad del punto Q D escribir la polarizacin m ediante fuente de corriente

iitopolarizacin|autopolarizacin es el tipo de polarizacin de JFE T m s com n. R ecuerde que un JFE T debe ioperado de a l form a que la unin com puerta-fuente siem pre est polarizada en inversa. Esta pdicin requiere un VGS negativo para un JF E T de canal n y un VGS positivo para un JFE T de fcal p. Esto se puede lograr con la configuracin de autopolarizacin m ostrada en la figura 8 - 16. resistor, Rq, en serie con la com puerta, no afecta la polarizacin porque en esencia no hay cada f voltaje a travs de l, y por consiguiente, la com puerta perm anece a 0 V. R q se requiere slo e i hacer que i a com puerta est a 0 V y aislar una seal de ca de la tierra en aplicacin de amScador, com o m s adelante se ver. +vn' DD

ada.

Q

JFET autopolarizados (/s = /q en todos los FET).

D

lam ien d re naje o d e / D.'d s-

V G=0V

p L >+ 1 : oss IV, S(corte)1 G A continuacin, calcule gm con Vqs = 2 V. 25 mS VGS(corte)1

2(2.5 m A ) 4.0 V

= 1.25 mS

1 -

-2 V -4 V

= 0.625 mS

L a resistencia de ca del drenaje a la fuente del JFE T es el recproco de la transconductancia.

r'%= ds Problema relacionado

gm

1 = ---------= 1.6 k l

0.625 mS

C ul es la resistencia de ca del drenaje a la fuente si VGs = - 1 V ?

REPASO DE LA SECCIN 8 4

1. Para un cierto punto Q en la regin hmica, / D = 0.3 mA y VDS = 0.6 V. Cul es la resis tencia del JFET cuando se polariza en este punto Q? 2. Cmo cambia la resistencia de drenaje a fuente a medida que Vcs se vuelve ms negativo? 3. Para un JFET polarizado en el origen, g m = 0.850 mS. Determine la resistencia de ca corres pendiente.

8-5

El MOSF ETEl M O S F E T (transistor de efecto de cam po sem iconductor de xido m etlico) es otra cate gora de transistor de efecto de cam po. E l M O SFET, diferente del JFET, no tiene una estruc tu ra de unin p n 4 en cam bio, la co m puerta del M O SF E T est aislada del canal m ediante una , capa de bixido de silicio (SO 2). Los dos tipos bsicos de M O SFE T son el enriquecimiento (E) y el de em pobrecim iento (D). D e los dos tipos, el M O SFE T de m ejora es el m s utilizado.? D ebido a que ahora se utiliza silicio policristalino para el m aterial de com puerta en lugar de j m etal, estos dispositivos en ocasiones se conocen com o IG F E T (FET de com puerta aislada),

La

r e g i n

h m ic a

397

Al term inar esta seccin, usted ser capaz de:

E xp licar la operacin de los M O S F E T D escribir la diferencia estructural entre un M O SF E T de enriquecim iento de canal n y uno de canal p (E-M O SFE T ). Identificar los sm bolos para los E -M O S F E T de canal n de canal p E xplicar el m odo de enriquecim iento D escribir las diferenciales estructurales entre un M O SF E T de em pobrecim iento de canal n y uno de canal p (D -M O SFE T ) E xplicar el m odo de em pobrecim iento Identificar los sm bolos para los D -M O S FE T de canal n y canal p E xplicar cm o difieren los D -M O S FE T y los E -M O S FE T D iscutir los M O SFE T de potencia D iscutir los M O SF E T de doble com puerta

OSFET de enriquecimiento (E-MOSFET)E-MOSFET opera slo en el m odo de enriquecim iento y no tiene m odo de em pobrecim iento, re en cuanto a construccin del D -M O SFE T , el cual se abordar a continuacin, en que no ningn canal estructural. O bserve en la figura 8-34(a) que el sustrato se extiende por com hasta la capa de SK L, P ara un dispositivo de canal n, un voltaje positivo en la com puerta encima de un valor de um bral induce un canal al crear una d elgada cap a de cargas negativas la regin del sustrato adyacente a 1a capa de S 1 2, com o m uestra la figura 8-34(b). L a conducO dei canal se increm enta al increm entarse el voltaje de com puerta a fuente y, por lo tanto, e ms electrones hacia el rea del canal. Con cualquier voltaje en la co m puerta por debajo del rde um bral, no existe ningn canal.< F I GURA 8 - 3 4 ____________ Drenaje

Representacin de 1 a construccin y operacin de un E-MOSFET bsico (canal

n).

a) Construccin bsica

|s smbolos esquem ticos para E -M O SFE T de canal n y canal p se m uestran en la figura 8-35. eas quebradas sim bolizan la ausencia de un canal fsico. U n a flecha en el sustrato que n hacia dentro indica un canal n y una flecha que apunta h acia fu era indica un canal p . Aldispositivos E -M O S FE T tienen conexiones distintas en el sustrato.

398

*

T

r a n s is t o r e s

de e f ec t o

de c a m po

(F E T )

F IG U R A 8-35

Drenaje

Drenaje

Smboios esquemticos del E-MOSFETCom puerta Com puerta

Fuente Canal n

Fuente Canal p

MOSFET de empobrecimiento (D-MOSFET)O tro tipo de M O SF E T es el M O SFET de em pobrecim iento (D -M O SFE T ); ia figura 8-36 ilustra su estructura bsica. El drenaje y la fuente se difunden en el m aterial del sustrato y luego se coi nectan m ediante un canal angosto adyacente a la com puerta aislada. En la figura se muestran taaj to dispositivos de canal n com o de canal p . Se utilizar el dispositivo de canal n para describirla operacin bsica. La operacin de canal p es la m ism a, excepto porque las polaridades del voltaje se oponen a las del canal n.A F IG U R ADrenaje S iO , Silicio policristalincT Com puerta Canal SiO Silicio policristalincT ' Com puerta Drenaje

(a)

Operacin de ur

M odo d e enrduccin son a ta), co m o ilusSustrato

]f

'S u strato P

Canal

Sm bolos paFuente (b) Canal p

Fuente (a) Canal n

cim iento de c .flecha, nornu punta de coii

A F IG U R A 8-36Representacin de la estructura bsica de los D-MOSFET.

El D -M O S FE T puede ser operado en cualquiera de dos m odos: el m odo de empobrecimie o el m odo enriquecim iento, por ello tam bin se conoce com o M O S F E T de empobrecimientom riquecim iento. C om o la com puerta est aislada del canal, se puede aplicar en ella un voltaje| sitivo o un voltaje negativo. El M O SF E T de canal n opera en el m odo de e m p o b retn cuando se aplica un voltaje positivo de com puerta a fuente, y en modo de en riq u e cim ien to c u se aplica un voltaje positivo de com puerta a fuente. Estos dispositivos en general se operaneiil m odo de em pobrecim iento.

M odo d e e m p o b rec im ien to

Im agnese la com puerta com o la placa de un capacitor de paralelas y el canal com o la otra placa. L a capa aislante de bixido de silicio es el dielctrica,? un voltaje negativo en la com puerta, las cargas negativas en sta repelen los electrones de duccin provenientes del canal y dejan a los iones positivos en su lugar. Por esto, el can queda sin algunos de sus electrones, por lo que dism inuye la conductividad del canal. M i m s grande es el voltaje negativo en la com puerta, m s grande es el em pobrecim iento de e l< en el canal n. Con una voltaje de com puerta a fuente suficientem ente negativo, VG$(C ei orte), se em pobrece totalm ente y la corriente en el drenaje es cero. El m odo de empobrecimi ilustra en la figura 8-37(a). A i igual que el JFE T de canal n, el D -M O S FE T de canal n co rrien te en el d ren a je con v o ltajes de co m p u erta a fu en te en tre VGS(Corte) y cero. Adei D -M O S F E T conduce con valores de VGS por encim a de cero.

tru ctu ros M O S F I orno se m i ente a lta d am puerta < s m u estra.

KFETIaeral y es lispositivo lc an a l m;

La

r e g i n

h m ic a

399

-O k

* 4 a i .- 4

ustra e coi tanb ir la oltaje(y) Modo de em pobrecim iento: Vqs negativo y menor que ^ (c o rte )

Vr;r,------

~r~ r

(b) M odo de enriquecimiento: VGS positivo

i A FIGURA 8 - 3 7

Operacin de un D-MOSFET de canal n.

Modo d e e n r iq u e c im ie n to Con un voltaje positivo en la com puerta, ms electrones de conpluccin son atrados hacia el canal, por lo que la conductividad de ste se enriquece (increm en|ia), como ilustra la figura 8-37(b). I Smbolos pa ra D -M O SFET L os sm bolos esquem ticos tanto para los M O SFE T de em p o b re cimiento de canal n com o de canal p se m uestran en la figura 8-38. El sustrato, indicado por la pecha, norm alm ente se conecta internam ente (pero no siem pre) a la fuente. En ocasiones, una pinta de conexin distinta en el sustrato.

':,l

Drenaje

Drenaje

4 FI GURA 8 - 3 8

Smbolos esquemticos de D-MOSFET. m ent

itolenije po-

C om puerta -

C om puerta -

ie n to;uando n en el

Fuente canal n canal p

Fuente

placas o. C o n le conial n se ientras ctrones :1 canal ento se onduce m s, el

Estructuras de MOSFET de potenciaLos MOSFET de enriquecim iento convencionales disponen de un largo y delgado canal lateral, ; como se m uestra en la vista estructural en la fig u ra 8-39. Esto produce una resistencia relativa mente alta del drenaje a puerta y lim ita el E -M O S F E T a aplicaciones de baja potencia. C uando la i compuerta es positiva, el canal se form a cerca de la co m puerta entre la fuente y el drenaje, com o i semuestra. MOSFET la te r a lm e n te d ifu n d id o (LDMOSFET) El L D M O SF E T tiene una estructura de canal eral y es un tipo de M O SFE T de enriquecim iento diseado para aplicaciones de potencia. Este ^dispositivo tiene un canal m s corto entre el drenaje y la fuente que el E -M O S FE T convencional. , El canal ms corto opone m enos resistencia, lo que perm ite una corriente y voltaje m s altos.

400

T

r a n s is t o r e s

de efecto

de c a m po

(FET )

F IG U R A 8-39

Fuente

C om puerta

Drenaje

Seccin transversal de la estructura de un E-MOSFET convencional. El canal como el rea blanca.P SiO ,

\

/D Canal

Sustrato

L a figura 8-40 m u estra la estructura bsica de un LD M O SFET. Cuando la com puerta es posi tiva, se induce un canal n m uy corto en la capa p entre la fuente levem ente dopada y la regin /f . H ay c o m e n te desde el drenaje, a travs de las regiones n y el canal inducido hasta la fuente, co mo se indica.

MOSFE FI GURA 8 - 4 0 Fuente Com puerta Drenaje

Seccin transversal de la estructura lateral del canal de un LDMOSFET. 1

Lp, ' n . V ._

I

SL rSiO , / 0 "> 1 + U Canal

l J - j ----------

n

s i te

n~

El M O SF | to. L a tni m e n te se i t su u so a a |c e , p o r lo p O tra vent; |m tic o de i:demuestr; l a p a ra aj

VM O SFET E l M O S F E T de ranura en V es otro ejem plo del E -M O SFE T convencional disea-', do para alcanzar una capacidad de p o tencia m s alta, creando una canal m s corto y ms anci con m enos resistencia entre el drenaje y la fuente por m edio de una estructura de canal vertical L os canales m s cortos y anchos perm iten corrientes m s altas y, por lo tanto, una disipacin d epotencia m s grande. Tam bin m ejora la respuesta a frecuencia. El V M O SF E T tiene dos conexiones de fuente, una conexin de com puerta en la parte superior y una conexin de drenaje en la parte inferior, com o m uestra la figura 8-41. El canal se induce verticalm ente a lo largo de am bos lados de la ranura en form a de V entre el drenaje (sustrato n donde n + significa un nivel de dopado m s alto que n ~ ) y las conexiones de fuente. El espesor de las capas establece la longitud del canal, lo cual se controla m ediante las densidades y el tiempo de difusin del dopado en lugar de las dim ensiones del enm ascaram iento.REP SEC F IG U R A 8-41 Fuente C om puerta Fuente

Seccin transversal de la estructura vertical del canal de un VMOSFET.

8 -6M ucl a los Al te; 1

TM O SFET L a estructura de canal vertical del T M O SF E T se ilustra en la figura 8-42. La estruc tura de la com puerta est incrustada en una capa de bixido de silicio y el contacto de fuente e s continuo sobre toda el rea de superficie. E l drenaje se encuentra en la parte inferior. El TMOSFET perm ite una m ayor densidad de encapsulado que el V M O SFET, al m ism o tiem po que retiene la ventaja del canal vertical corto.

Caractersticas y parmetros de

M O SFET

401

Fuente

4 F I G U R A 8 - 4 2 ___________Seccin transversal de la estructura vertical del canal de un TMOSFET.

Drenaje

MOSFET de doble compuerta|1 MOSFET de doble compuerta puede ser o de tipo empobrecimiento o de tipo enriquecimienfto. La nica diferencia es que tiene dos compuertas, como muestra la figura 8-43. Como previapsmte se mencion, una desventaja de un FET es su alta capacitancia de entrada, lo cual restringe puso a altas frecuencias. Utilizando un dispositivo de dos compuertas, la capacitancia se redufe, por lo que el dispositivo es til en aplicaciones de amplificadores de RF de alta frecuencia. Ba ventaja de la configuracin de dos compuertas es que permite una entrada de control autoptico de ganancia (AGC, por sus siglas en ingls) en amplificadores de RF. Otra aplicacin se muestra en la actividad de aplicacin, donde la polarizacin en la segunda compuerta se utilippara ajustar la curva de transconductancia. < FIGURA8 - 4 3 _____________

Sm bolos de MOSFET con dos com puertas y canal n.

erior duceo n

s(a) D-M OSFET

s(b) E-M OSFET

>esor mpoPASO DE LA SECCIN 8 5 1. M en cio n e d o s tip o s bsicos d e MOSFET. 2. Si e! v o ltaje d e c o m p u e rta a fu e n te en u n E-MOSFET d e cana! n se h ace m s positivo, se inc re m e n ta o re d u ce la c o rrie n te en el d ren aje? 3. Si el v o ltaje d e c o m p u e rta a fu e n te en un MOSFET d e e m p o b re c im ie n to de canal n se hace m s negativo, se in c rem e n ta o re d u ce la c o rrie n te en el d ren aje?

-6

C aractersticas y parm etros

de

MOSFET

Mucha de la discusin en relacin con caractersticas y parmetros de JFET aplica por igual i los MOSFET. En esta seccin se analizan los parmetros del MOSFET. |1 terminar esta seccin, usted ser capaz de: s Definir, discutir y aplicar parmetros im portantes del MOSFET Analizar una curva de transferencia de un E-M OSFET Utilizar la ecuacin para la caracterstica de transferencia de un E-M OSFET para calcular / D

T

r a n s is t o r e s

de efecto

de c a m po

(F E T )

A nalizar una curva de transferencia de un D-MOSFET Utilizar la ecuacin para la caracterstica de transferencia de un D-MOSFET Utilizar una hoja de datos del MOSFET Analizar las precauciones de manejo de dispositivos MOS

Caracterstica de transferencia del E-MOSFETEl E-M OSFET utiliza slo enriquecimiento del canal. Por consiguiente, un dispositivo de canal n requiere un voltaje positivo de compuerta a fuente y un dispositivo de canal p requiere un voltaje negativo de com puerta a fuente. La figura 8-44 muestra las curvas de caracterstica de transferen cia general para ambos tipos de E-MOSFET Como se puede ver, no hay corriente en el drenaje: cuando Vq $ = 0. Por consiguiente, el E-MOSFET no tiene un parmetro / DSS significativo, como el JFET y el D-MOSFET. Observe tambin que idealmente no hay corriente en el drenaje hastaS que VGS alcanza un cierto valor no cero llamado voltaje de um bral , VGS(umbnl|,.

o

GS(imibral)

+vn

-Vos(b ) c a n a l p

(a) canal n

A F IG U R A 8-44 Curvas de la caracterstica de transferencia general de un E-MOSFET.

La ecuacin para la curva de caracterstica de transferencia parablica del E-MOSFET difi de la del JFET y la del D-MOSFET porque la curva se inicia en VV;s(umbiai) en lugar de Vos(-: sobre el eje horizontal y nunca corta el eje vertical. La ecuacin para la curva de caracterstica, transferencia del E-MOSFET esEcuacin 8 - 4 / D = K( VGS VGS (um bral))2

La constante K depende del MOSFET particular y se determina con la hoja de datos, tomandc valor especificado de / D. llamado /D(encenido)> valor dado de VGS, y sustituyendo los valores la ecuacin 8-4, como se ilustra en el ejemplo 8-16.

E JE M P L O 8 - 1 6

i

Las hojas de datos (visite http://www.fairchild.com) para un E-MOSFET 2N7002 da dido) = 500 mA (mnimo) con Vqs = 10 V y VGS(umbrai) = 1 V. Determine la corriente eif drenaje con Vqs 5 V.

Caractersticas y parmetros de M O SFET

403

Solucin

En prim er lugar, resuelva para K utilizando la ecuacin 8-4.^D(encendido)

500 mA (10V -1V )"

500 mA 81 V 2

= 6.17 m A /V 2

(Vfcs - V GS(Llmbra))

A continuacin, con el valor de K, calcule /D con VGS = 5 V/ D = K(VCS

- VCS(umbrai))2 = (6.17 m A /V )(5 V -

I V ) " = 9 8 .7

2_

mA

relacionado

La hoja de datos para un E-MOSFET da /oencendido) = 100 mA con V'g s = 8 V y VcS(umbnii) = 4 V. Determine / D cuando Vqs = 6 V.

mal n oltaje erenenaje com o hasta

de transferencia de un D-MOSFETComo previamente se vio, el D-M OSFET puede operar con voltajes positivos o negativos en lacompuerta, listo se indica en las curvas de caracterstica de transferencia generales mostradas la figura 8-45 tanto para MOSFET de canal n como de canal p. El punto en las curvas donde = 0 corresponde a / DS$. El punto donde /D = 0 corresponde a VoSapagado)- Como con el FET, VcStapagado) = ~ Vp. La expresin de la ley cuadrtica en la ecuacin 8-1 para la curva de JFET tambin es vlida para la curva de E-MOSFET, como el ejemplo 8-17 lo demuestra.4 F IG U R A 8-45Curvas de la caracterstica de transferencia generales general de un D-MOSFET

--------------------------------- S +'/G V SC *) C O[a) canal n(b) canal p

d if ie reiS(cortey

tica

Para cierto D-MOSFET, / DSS = 10 mA y (a) Es de canal n o de canal p'l

V G S(aPagado)

= - 8 V.

(b) Calcule /} con VGS = 3 V.in d o

(c) Calcule / D con Vqs = + 3 V.Solucin

ores (a) El dispositivo tiene un VQS(apagado) negativo; por consiguiente es un MOSFET de canal n.

(b) ID ancen

/ DSS( \

1 -

...... ) v GS(apagad0) /

=

(10 mA)( 1 V

I~ )o V/

=

3 .9 1 m A

:n

(c) / D s (10m A ) 1

(

4-3 V \ 2

= 18.9 mA

404

T r a n s is t o r e s

de efec t o

de c a m po

(FE T )

Problema relacionado

Para un cierto D-MOSFET, /DSS = 18 mA y Vostcorte) = + 1 0 V. (a) Es de canal n o de canal /;? (b) Determine / D con VGs = + 4 V. (c) Determine /p con V'gs = V. 4

Precauciones de manejoTodos los dispositivos MOS son propensos a sufrir daos a consecuencia de descargas electros tticas. Debido a que la compuerta de un MOSFET est aislada del canal, la resistencia de salida:! es extremadamente alta (idealmente infinita). La corriente de fuga en la compuerta, / gss- paramt| M OSFET tpico, se encuentra en el intervalo de los pA, en tanto que la corriente en inversa en Ifj compuerta para un JFET tpico se encuentra en el intervalo de los nA. La capacitancia de entrada! resulta de la estructura aislada de la compuerta. Se puede acumular una carga esttica excesivj porque la capacitancia de entrada se combina con la muy alta resistencia de entrada y puede daas el dispositivo. Para evitar daos producidos por descargas electrostticas, se debern tomar ciertas^ precauciones cuando se manejen los MOSFET. 1. Saque con cuidado los dispositivos MOSFET de sus empaques. Usualmente son envate! en espuma conductora o en bolsas conductoras de material especial. Casi siempre se enva) con un anillo de alambre alrededor de las terminales, el cual se quita antes de instalar| M OSFET en un circuito. 2. Todos los instrumentos y bancos metlicos utilizados en su ensamble y prueba debern col nectarse a una tierra fsica (clavija redonda o tercera clavija de tomas de corriente de pard de 110 V). 3. La mueca de la persona que los est manipulando deber estar conectada a una bandac mercial de conexin a tierra, la cual tiene un resistor en serie de alto valor por segurida El resistor evita que el contacto accidental con el voltaje se vuelva letal. 4. Nunca quite un dispositivo MOS (o cualquier otro dispositivo, de esa ndole) del circuif mientras la corriente est conectada. 5. No aplique seales a un dispositivo MOS mientras la fuente de alimentacin de cd est apagai

corr

REPASO DE LA SECCI N 8 6

1. Cul es la d iferen cia p rin cip al en la co n stru cci n del D-MOSFET y el E-MOSFET? 2. M encio n e d o s p a r m e tro s d e u n E-MOSFET no esp ecificad o s p ara los D-MOSFET? 3. Q u es u n a descarga elec tro sttica?

8-7

P olarizacin

de un

MOSFET

Tres formas de polarizar un MOSFET son la polarizacin en cero, la polarizacin mediante! divisor de voltaje y la polarizacin mediante realimentacin del drenaje. La polarizacin e importante en amplificadores FET, la cual se estudiar en el siguiente captulo. Al terminar esta leccin, usted ser capaz de: Discutir y analizar circuitos de polarizacin de MOSFET Describir la polarizacin mediante divisor de voltaje de un E-MOSFET Describir la polarizacin mediante realimentacin del drenaje de un E-MOSFET ; Describir la polarizacin en cero de un D-MOSFET Analizar un circuito MOSFET polarizado en cero

Polarizacin de un M O SFET

405

Polarizacin de un E-MOSFETDebido a que los E-M OSFET deben tener un V'gs mayor que el valor de umbral, VGS(umbrai)> no se puede utilizar la polarizacin en cero. La figura 8-46 m uestra dos form as de polarizar un E-MOSFET (Los D-MOSFET tambin pueden ser polarizados por medio de estos mtodos). Se utiliza un dispositivo de canal n para propsitos de ilustracin. En la configuracin de polarizacin mediante divisor de voltaje o polarizacin mediante realimentacin del drenaje, el propsito es hacer el voltaje en la com puerta ms positivo que el de la fuente en una cantidad que exceda ^GS(umbiai)ecuaciones para el anlisis de la polarizacin mediante divisor de voltaje en la fit gura 8-46(a) son las siguientes:Ri

^GS -

Rx +

r2

VDD

V DS = ^DD

I d Rd

donde /q K(V q $ - V 'GS(umbl.a!)) de acuerdo con la ecuacin 8-4. En el circuito de polarizacin mediante realimentacin del drenaje en la figura 8-46(b), hay comente despreciable en la compuerta y, por consiguiente, ninguna cada de voltaje a travs de : RC. Esto hace VGS = VDS.+ ' /DD

4 F I G U R A 8 - 4 6C onfiguraciones de polarizacin de un E-MOSFET com n.

O

(a) Polarizacin m ediante divisor de voltaje

(b) Polarizacin m ediante realim entacin del drenaje

EJEMPLO 8 - 1 8

Determine Vqs y VDS para el circuito E-MOSFET en la figura 8-47. Considere que este MOSFET particular tiene valores mnimos de ^(encendido) ~ 200 mA con VGS = 4 V y VGS(umbral) = 2 V. FIGURA 8 - 4 7

200 n

r too k l

(k R2 r 15 k l

Solucin

Para el E-M OSFET mostrado en la figura 8-47, el voltaje de compuerta a fuente es y,GS 2 V. VDD( 15 k l

115 k l

24 V = 3.13 V

406

T

r a n s is t o r e s

de efecto

de c a m po

(FET )

Para determ inar Vqs. primero se calcula K utilizando el valor mnimo de /D(encemdo) y '-os va_ lores de voltaje especificados.K^D(encendido)

200 mA (4 V 2 V)2

200 mA 4 V2

= 50 m A /V -

(VGS - V GS(umbral))2

A continuacin se calcula ID con VGS = 3.13 V.h

= m

iS '6s(umbral))2 = (50 m A /V 2)(3.13 V - 2 V)

= (50 m A /V 2)( 1.13 V)2 = 63.8 mA Por ltimo, se calcula VDS. VDS = VDD - I d R u = 24 V - (63.8 mA)(200 O ) = 11.2 VProblema relacionado

Determine Vqs y Vos Para 4 V y Vos(umbral) = 3 V.

circuito de la figura 8-47 dada ^(encendido) = 100 ni A con VGS =

E JE M P L O 8 - 1 9

D eterm ine la cantidad de corriente en el drenaje en la figura 8-48. El M OSFET tiene un^GS(um hral)

_ 3 V. 'DD+ 15 V

FIGURA 8 - 4 8

Solucin

El medidor indica Vgs - 8.5 V. Puesto que sta es una configuracin de realimentacin del drenaje = VGS = 8.5 V. -----= 1.38 mA Ir, = -----------------= ------------- D Rd 4.7 k l VD D - V DS 15 V 8.5 V , _

Problema relacionado

Determine ID si el medidor de la figura 8-48 lee 5 V.

Polarizacin de un D-MOSFETRecuerde que los D-MOSFET pueden ser operados con valores positivos o negativos de V'gs.1 mtodo de polarizacin simple es hacer Vos = 0, de modo que una seal de ca en la comptr haga variar el voltaje de compuerta a fuente por encima o por debajo de este punto de pola cin de 0 V. Un MOSFET con polarizacin en cero se muestra en la figura 8-49(a). Como V s =| G d = / d s s como se indica. El voltaje de drenaje a fuente se expresa de la siguiente manera: Vds = ^ dd ^DSS^D El propsito de Rq es aceptar una entrada de seal de ca aislndola de tierra, como muestr figura 8-49(b). Como no hay corriente de cd en la compuerta, R q no afecta la polarizacin en; ro entre la compuerta y la fuente.

E l IG BT

407

+l'n

+VnRd

4 FIGURA 8 - 4 9 D-MOSFET polarizado en cero.

(a)

(b)

EJEMPLO 8 - 2 0

Determine el voltaje de drenaje a fuente en el circuito de la figura 8-50. La hoja de datos de M OSFET da VGS(apagado) = - 8 V e /Dss = 12 mA.

FIGURA 8 - 5 0' DD

h!8 V

Solucin

C o m o /d = /d ss = 12 mA, el voltaje de drenaje a fuente es Vos = VDD - /d s s ^ d = 18V - (1 2 m A )(6 2 0 ) = 10.6 V

Problema relacionado

Determine VDS en la figura 8-50 cuando VGS(apaga(]0) = - 1 0 V e / DSS = 20 mA.

PASO DE LAECCIN 8 -7

1. P ara u n D-MOSFET p o larizad o con VGS = 0, es igual a cero la c o rrien te en el d ren aje / CS5 0 % s? 2. P ara u n E-MOSFET d e can al n con VGS(umbra|) = 2 V, qu valor d eb e exceder V'gs para qu e co n d u zca?

8-8

E l I GBT

El IGBT (transistor bipolar de compuerta aislada) combina las caractersticas tanto del MOSFET como del BJT que lo hacen til en aplicaciones de conmutacin de alto voltaje y I alta corriente. El IGBT ha reemplazado en gran medida al MOSFET y al BJT en muchas de | estas aplicaciones.

408

T

r a n s is t o r e s

de efecto

de c a m po

(F E T )

Al terminar esta seccin, usted ser capaz de: Explicar la operacin de los IGBT Form ular las ventajas del IGBT sobre el MOSFET y el BJT Identificar el smbolo para el IGBT Discutir cmo se enciende y apaga un IGBT Describir el circuito equivalente del IGBT

Colector

FIGURA 8 -5 1 Sm bolo para el IGBT (transistor bipolar de com puerta aislada).

El IG B T es un dispositivo que tiene las caractersticas de conduccin de salida de un BJT pe ro es controlado por voltaje como un MOSFET, y constituye una excelente opcin para aplica ciones de conmutacin de alto voltaje. El IGBT tiene tres terminales: la compuerta, el colector y : el emisor. En la figura 8-51 se muestra un smbolo comn de circuito. Como se puede ver, es si milar al smbolo de BJT, excepto porque hay una barra extra que representa la estructura de la com puerta de un M OSFET y no la de una base. El IGBT tiene caractersticas de entrada de MOSFET y caractersticas de salida de BJT. Los BJT son capaces de manejar corrientes ms altas que los FET, pero los MOSFET no tienen co-, rriente en la com puerta debido a la estructura aislada de sta. Los IGBT presentan un voltaje de" saturacin ms bajo que los MOSFET y tienen aproximadamente el mismo voltaje de saturacin que: los FET. Los IGBT son superiores a los MOSFET en algunas aplicaciones porque pueden manejar voltajes en el colector con respecto al emisor de ms de 200 V y exhiben menos voltaje de satu racin cuando estn encendidos. Los IGBT son superiores a los BJT en algunas aplicaciones porque: son capaces de conmutar ms rpido. En funcin de la velocidad de conmutacin, los MOSFET: conmutan ms rpido; les siguen los IGBT y luego los BJT, los ms lentos. En la tabla 8-1 se hace, una comparacin general de los IGBT, los MOSFET y los BJT.

TABLA 8 -1 C om paracin de varias caractersticas de dispositivo para aplicaciones de conm utacin.

CARACTERSTICAS T ipo de excitacin' d e entrada R e sisten cia de entrada F re c u en c ia d e operacin V elocidad de conm utacin V oltaje de saturacin

IGBT V oltaje A lta M edia M edia B ajo

M O SFET Voltaje A lto A lto R p id a (ns) A lto

BJT C orriente B aja B aja L enta (/as) Baja

Colector

O p eracinEl voltaje de compuerta controla el IGBT exactamente como un MOSFET. En esencia, un IGB puede ser considerado como un BJT controlado por voltaje, pero con velocidades de conmuta cin ms rpidas. Debido a que es controlado por voltaje en la compuerta aislada, el IGBT e| esencia no tiene corriente de entrada y no carga la fuente de excitacin. Un circuito equivalen'.; simplificado de un IGBT se muestra en la figura 8-52. El elemento de entrada es un MOSFET J el de salida es un transistor bipolar. Cuando el voltaje en la compuerta con respecto al emisor.J menor que un voltaje de umbral, Vumbrai, el dispositivo se apaga. El dispositivo se prende inc mentando el voltaje en la compuerta a un valor que excede el voltaje de umbral. La estructura npnp del IGBT forma un transistor parsito y una resistencia parsita inhereif dentro del dispositivo, como se muestra en gris en la figura 8-53. Estos componentes parsitos ni tienen efecto durante operacin normal. No obstante, si se excede la corriente mxima en el colec tor en ciertas circunstancias, el transistor parsito, Qp, puede prenderse. Si Q p se prende, se conft na efectivamente con 0 \ para formar un elemento parsito, como se muestra en la figura 8-53, la cual se puede presentar una condicin de enganche en un estado. En la condicin de enganche, dispositivo permanecer encendido y no se puede controlar mediante el voltaje de la compuerta. I condicin puede ser evitada si se opera siempre dentro de los lmites especificados del dispositiv"

FIGURA 8 - 5 2 Circuito equivalente sim plificado de un IGBT.

So

l u c i n

de

fallas

409

< FIGURA 8-53___________C om ponentes parsitos de un IGBT que provocan la condicin de enganche.

Com puerta o---- H J ^ Resistencia parsita .

ii OEm isor

ctor y es side la

REPASO DE LA SECCIN 8 -8

1. Q u significa IGBT? 2. C ul es el rea p rin cip al d e ap licaci n d e los IGBT? 3. M encione u n a ven taja d e un IGBT so b re un MOSFET d e p o ten cia. 4. M en cio n e u n a v en taja d e u n IGBT so b re un BJT d e p o ten cia. 5. Q u es ei en g an ch e?

r. Losen cotaje de n que ianejar le satuporque DSFET se hace

8-9

S o lu ci n

de

fallas

En esta seccin se analizan algunas fallas comunes que pueden presentarse en circuitos con FET y las causas probables de cada una de ellas. Al terminar esta seccin, usted ser capaz de: S o luciona r fallas de circ u ito s con F E T

Solucionar fallas de circuitos con JFET autopolarizados Solucionar fallas de circuitos con MOSFET con polarizacin en cero y polarizacin mediante divisor de voltaje

J Fallas en circuitos con JFET autopolarizados Sntoma 1: VD = VDD

un IGBT conm uta1GBT en ui val ente O SFETy em isor es nde increi inherente arsitos no :n el colec, se cotnbira 8-53, en nganche, el puerta. Esta dispositivo.

En esta condicin, la corriente en el drenaje debe ser cero porque no hay pida de voltaje a travs de RD, como se ilustra en la figura 8-54(a). Como en cualquier circuito, luna buena prctica de solucin de fallas revisar primero en busca de problemas tales como

Dos sntom as en un circuito de JFET autopolarizado.VD menor que e! normal

(a) Sntom a /: V oltaje en el drenaje igual al voltaje de fuente

(b) Sntoma 2: V oltaje en el drenaje m enor que el normal

410

T

r a n s is t o r e s

de efecto

de cam po

(FE T )

conexiones abiertas o defectuosas, as como resistores quemados. A continuacin, desconecte la corriente y mida los resistores sospechosos en busca de aberturas. Si estn bien, el JFET proba-. blem ente est defectuoso. Cualquiera de las fallas siguientes puede producir este sntoma: 1. Ninguna conexin de tierra en Rs 2. R abierto 3. Conexin de drenaje abierta4. Conexin de fuente abierta

5. FET internamente abierto entre el drenaje y la fuenteS n to m a 2: V0 s ig n ific a tiv a m e n te m e n o r q u e lo n o r m a l

En esta condicin, a menos que el voltaje de fuente sea menor de lo que debiera ser, la corriente en el drenaje debe ser ms grande! que lo normal porque la cada a travs de RD es demasiada. La figura 8-54(b) indica esta sita-' cin. Este sntoma puede ser provocado por cualquiera de lo siguiente: 1. R o abierto 2. Conexin de compuerta abierta 3. FET internamente abierto en la compuerta Cualquiera de estas tres fallas har que desaparezca la regin de empobrecimiento en el JFET que el canal se ensanche de modo que slo RD, /?E y la pequea resistencia del canal limiten 11 * corriente en el drenaje.

Fallas en circuitos D MOSFET y E MOSFETUna falla difcil de detectar es cuando la compuerta se abre en una D-MOSFET polarizado ene ro. En un D-M OSFET polarizado en cero, el voltaje en la compuerta con respecto a la fuer idealmente permanece en cero cuando se presenta una abertura en el circuito de la compuerta; la corriente en el drenaje no cambia y la polarizacin aparece normal, como se indica en la fig ra 8-55. Sin embargo, la carga esttica como resultado de la abertura puede hacer que / Dse co porte errticamente.F I G U R A 8 - 5 5 ____________

+v,DD

Una ab ertura en el circuito de com puerta de un D-MOSFET no cam bia la / q .

O

+V,DD

O

' 'D -f. % f .. fcRe.ABERTURA

(a) Operacin normal

(b) Circuito de com puerta abierto (ja abertura puede ser externa o interna)

En un circuito con E-M OSFET con polarizacin mediante divisor de voltaje, un /? abierto: duce a cero el voltaje en la com puerta. Esto hace que el transistor se apague y acte como interruptor abierto porque se requiere un voltaje de umbral en la compuerta con respecto a. fuente mayor que cero para encender el dispositivo. Esta condicin se ilustra en la figura 8-56( Si R j se abre, la compuerta est a + Vdd y la resistencia en el canal es muy baja, de tal formaq"' el dispositivo se aproxima a un interruptor cerrado. Slo R q limita la corriente en el drenaje. 1 condicin se ilustra en la figura 8-56(b).

A

c t iv id a d

de a p l ic a c i n

411

;te la roba-

+Vn

+ ^nFalias en un circuito de E-MOSFET polarizado m ediante divisor de voltaje.

que el grande situa-

(a)

(b)

Ejercicios de solucin de fallas resueltos con Multisimlistos circuitos de archivo se encuentran en la carpeta Troubleshooting Exercises del CD-ROM. 1. Abra e! archivo TSE08-01. Determine si el circuito est funcionando apropiadamente y, si no, determine 1a falla. FET y liten la 2. Abra ei archivo TSE08-02. Determine si el circuito est funcionando apropiadamente y, si no, determ ine la falla. 3. Abra el archivo TSE08-03. Determine si el circuito est funcionando apropiadamente y, si no, determine la falla.i en ce-

fuente rta; as, la fig u re com -

PASO DE LA ECCIN 8-9

1. En u n circu ito con JFET au to p o la riz a d o , el voltaje en ei d re n a je es igual a VDD. Si el JFET es t b ie n , cu les so n o tra s falla s posibles? 2. P o r q u n o c am b ia la c o rrie n te en el d re n a je c u a n d o se p re se n ta una a b e rtu ra en el circui to d e c o m p u e rta d e un circuito con D-MOSFET p o larizad o en cero? 3. Si la c o m p u e rta d e u n E-MOSFET se p o n e en co rto circu ito con tie rra en un circuito con po larizaci n m e d ia n te divisor d e voltaje, cul es el v o ltaje en el d ren aje?

fonos a la obra

Actividad de aplicacin: Circuito sensor de pHEsta aplicacin implica instrumentacin electrnica en una planta de tratamiento de aguas resi duales. El sistem a controla la cantidad de cido de reactivo base agregado al agua residual para neutralizarla. El diagrama del sistema de neutralizacin de agua residual se muestra en la figu ra 8-57. El sistema mide y controla el pH del agua, el cual es una medida del grado de acidez o alcalinidad. La escala de pH va de 0, para los cidos ms fuertes, a 7, para soluciones neutras, y hasta 14, para las bases ms fuertes (custicas). En general, el pH del agua residual oscila desde mayor que 2 hasta menor que 11. Sondas de deteccin colocadas en las entradas y sali das de los tanques miden el pH del agua. La unidad de procesamiento y control utiliza las lec turas de los circuitos sensores de pH para ajustar la cantidad de cido o base introducida en el tanque de neutralizacin. El pH deber ser 7 a la salida del tanque suavizador.

bierto re com o un >ecto a a 8-56(a). orm a naje. E:

412

T

r a n s is t o r e s

de efecto

de c a m po

(FET )

Fuente de potencia de CD

P rocesador

ycontrolador

Sonda sensora de pH

Entrada de agua residual

Salida de agua

FIGURA 8 - 5 7 Sistem a de neutralizacin del pH de agua residual sim plificado.

En general, el tratamiento de aguas residuales se realiza en tres pasos de la siguiente Tratamiento prim ario Recoleccin, filtrado y almacenamiento inicial Tratamiento secundario Remocin de slidos y de la mayora de los mediante filtros, coagulacin, floculacin y membranas Tratamiento terciario Pulido, ajuste del pH, tratamiento con carbn para eliminar bores y olores, desinfeccin y almacenamiento temporal para permitir que el desinfectante trabaje En esta aplicacin, el enfoque es en ei proceso de ajuste del pH en la etapa terciaria el circuito sensor de pH con el program a Multisim. M ida el voltaje de salida para 50 mV, Vse 150 mV y VS f = - 2 5 mV.

v vR3

S A L ID A

-V D D-\-2 V

>R4 2 / dss G S(eorte) I IVgs

Vs V g^G S(corte) /

C aracterstica de transferencia de un JF E T /D -M O S F E T

VgsGS(corte)

T ransconductancia

T ransco n d u ctan cia con VGS = 0 C aracterstica de transferencia de E -M O SFE T

K (V q s ~ VcS(umbral))

SAMEN DE RDADERO/ IS O

Las respuestas a todos los problemas impares se encuentran al final del captulo 1. El JF E T siem pre opera con una unin p n de c om puerta a fuente polarizada en inversa. 2. La resistencia del canal de un JF E T es una constante. 3. El voltaje de c om puerta a fuente de un JF E T de canal n d ebe ser negativo. 4. / D se v uelve cero al voltaje de estrangulam iento. 5. Vq S no tiene nin g n efecto en / D. *> ^GS(cone).y siem pre son iguales en m agnitud pero de polaridad opuesta.

7. El JF E T es un dispositivo de ley c u ad rtica debido a la expresin m atem tica de su curva de caracte rstica de transferencia. 8. La tran sco n d u ctan cia en d irecta es el cam bio del voltaje en el drenaje para un cam bio dado del volta je en la com puerta. 9. L os p arm etros g m y V son los m ism os. /,v 10. El D -M O S F E T p u e d e ser operado en dos m odos. 11. Un E -M O S F E T o pera en el m odo de em pobrecim iento. 12. U n D -M O S F E T tiene un canal fsico y un E -M O S F E T tiene un canal inducido. 13. E S D sig n ific a dispositivo sem ico n d u cto r electrnico. 14. L os M O S F E T deben ser m anejados con cuidado.

AMEN DE C1N CIRCUITO

Las respuestas a todos los problemas impares se encuentran al final del captulo 1. Si se increm enta la corriente en el drenaje en la figura 8 - 17. VDs se (a) in crem en ta (b) red u ce (c) no cam bia

2. Si se in crem en ta la c orriente en el drenaje en la fig u ra 8-17, Vq S se (a) in crem en ta (b) reduce (c) no cam bia

422

T

r a n s is t o r e s

de efecto

de cam po

(FE T )

3. Si se in crem en ta el valor de R 0 en la figura 8-24, / D se (a) increm enta (b) reduce , (c) no cam bia

4. El v alor de R 2 se reduce en la figura 8-24, VG se (a) increm enta 5. Si Vgs 'ss

(b) reduce

(c) no cam bia

in crem en ta en la figura 8-47, / D se (b) reduce (c) no cam bia

(a) increm enta

6. Si R 2 se abre en la figura 8-47, Vqs se (a) in crem en ta 7. SiRq

(b) reduce

(c) n o cam bia

se increm enta en la figura 8-50, Vc se (b) red u ce (c) no cam bia

(a) in crem en ta

8. Si el valor de / DSS se increm enta en la figura 8-50, VDS se (a) increm enta (b) reduce (c) no cam bia

AUTO EVALUACINSeccin 8 -1

Las respuestas a todos los problem as im pares se en cu en tran al final del captulo 1. El JF E T es

(a) un d isp o sitiv o unipolar (b) un disp o sitiv o co n tro lad o por voltaje (c) un dispositivo co n tro lad o p o r corriente(d ) resp u estas a) y c) (e) respuestas a) y b)

2. El canal d e un JF E T se en cu en tra entre (a) la co m p u erta y el drenaje (b) e! drenaje y la fuente (c) la co m p u erta y la fuente(d) la e n trad a y la salida

3. U n JF E T siem pre o pera con (a) la unin pn de c om puerta a fuente polarizada en inversa (b) la unin pn de co m p u erta a fuente p o lariza d a en d irecta (c) el drenaje con ectad o a tierra(d) e! drenaje con ectad o a la fuenteSeccin 8 - 2 4. C on Vgs = 0 V, la corriente en el drenaje se vuelve constante cuan d o Vos sobrepasa: '

(a) el v oltaje de corte (b) Vqd(c) VP

(d) OV5. L a regin de c o rrien te constante de un F E T queda entre

(a) el corte y la saturacin (b) el corte y el estran g u lam ien to (c) 0 e / Dss(d) el estran g u lam ien to y la ru p tu ra6. IDSS es

(a) la corriente en el drenaje con la fuente en c ortocircuito (b) la c orriente en el drenaje en corte (c) la c orriente m xim a posible en el drenaje(d) La c o rrien te en drenaje del punto m edio

A

u t o e v a l u a c i n

423

7.

La c orriente en el drenaje en la regin de corriente co nstante se increm enta cuando

(a) el voltaje de polarizacin de co m p u erta a fuente se reduce(b) el voltaje de p olarizacin de co m p u erta a fuente se increm enta

(c) el voltaje de drenaje a fuente se increm enta(d ) el voltaje de drenaje a fuente se reduce 8. En un cierto c ircuito FET, Vqs = 0 V, VDD = 15 V, / DSS = 15 m A y Ry> = 470 l . Si K, se reduce a 330 l , /q s s es (a) 19.5 m A (c) 15 m A (b) 10.5 m A

(d) I mA

9. En corte, el canal de un JF E T est

(a) en su punto m s ancho(b) co m p letam en te c errado por la regin de em pobrecim iento (c) ex trem ad am en te angosto

(d) p o larizad o en inversa10. L a hoja de datos de cierto JF E T d a vs(co,1e) = --4

V. El voltaje de estrangulam iento,

(a) no puede ser determ inado(b ) es de 4 V (e) depende de Vgs '

(d) es de + 4 V11. El JF E T de la p re g u n ta 10 (a) es un canal n (b) es un canal p

(c) puede ser uno u otro12. P ara un cierto JFET , /g s s 10 nA con V'gs = 10 V. La resistencia de e ntrada es

(a) 10 0 M 2 (c) 1 0 0 0 M i lSeccin 8 - 3

(b) 1 M O (d) 1000 m il

13. P ara cierto JF E T de canal p , Vcstcorte) = 8 V. El v a lo r de V'gs Para polarizacin de punto m edio apro xim ada es (a) 4 V (c) 1.25 V (b) 0 V

(d) 2.34 V

14. En un JF E T au topolarizado, la co m p u erta est a

(a) un v oltaje positivo(b ) 0 V

(c) un voltaje n egativo (d) co n ec ta d a a tierraSeccin 8 - 4 15. La resisten cia de drenaje a fuente en la regin hm ica depende de

(a) VG S(b) los valores del punto Q (c) la p endiente de la c urva en el punto (d) todos los anteriores 16. Para u tilizarlo com o resistor variable, un JF E T debe (a) ser un dispositivo de canal n (b) ser un d ispositivo de canal p

Q

(c) estar p olarizado en la regin hm ica (d) e star polarizad o en saturacin17. C uando se polariza un JF E T en el origen, la resisten cia de ca del canal est determ inada por (a) los valores del punto Q (c) la tran sco n d u ctan cia (b) Vgs '

(d) las respuestas (b) y (c)

424

T r a n s is t o r e s

de efecto

de c a m po

(FET )

Seccin 8 -5

18. U n M O SF E T difiere de un JF E T principalm ente (a) debido a la capacid ad de potencia (b) porque ei M O S F E T tiene dos com puertas

(c) el JF E T tiene una unin pn(d) porque los M O S F E T no tienen un canal fsico 19. Un D -M O S F E T opera (a) slo en el m odo de em pobrecim iento (b) slo en el m odo de enriquecim iento

(c) slo en la regin hm ica (d) en ios m odos de em po b recim ien to y de en riquecim ientoSeccin 8 - 6 20. Un D -M O S F E T de canal n con VGS positivo opera (a) en el m odo de em pobrecim iento (b) en el m odo de enriquecim iento

(c) en corte(d) en saturacin 21. C ierto E -M O S F E T de canal p tiene un VGs(unibr.ii) = ~ 2 V. Si VGS = 0 V, la corriente en el drenaje ei (a) 0 A (b ) /[)(encenddo) (d ) /q ss

(c) m xim a

22. En un E -M O S F E T no hay corriente en el drenaje hasta que Vgs '

(a) alcanza VGs(umbrai> (c) es negativ o

^

es Positivo

(d) es igual a 0 V

23. T odos ios dispositivos M O S son propensos a su frir daos a consecuencia de

(a) c alo r excesivo(b) descarga electrosttica

(c) voltaje excesivo (d) todas las respuestas anterioresSeccin 8 - 7 24. C ierto D -M O S F E T se polariza con Vgs = 0 V. Su hoja de datos especifica / DSS = 20 inA ' Vcstcorte) = ~ 5 V. El valor de la c orriente en el drenaje

(a) es de 0 A(b) no puede ser determ inada (c) es de 20 m A Seccin 8 - 8 25. Un IG B T en general se utiliza n (a) aplicaciones de baja potencia (b) aplicaciones de radiofrecuencia (c) aplicaciones de alto voltaje

(d) ap licacin de baja corriente

PRO BLEM AS

Las respuestas a problem as im pares se e ncuentran al final del libro

P R O B L E M A S BSIC OSSeccin 8 -1 El JFET 1. El VGs de un JF E T de canal p se increm enta desde 1 V hasta 3 V. (a) Se estrecha o ensancha la regin de em pobrecim iento? (b) Se in crem en ta o reduce la resisten cia del canal? 2. P or qu el voltaje de ta com puerta a la fuente de un JF E T de canal n siem pre debe ser cero 0 o negat

P

roblemas

425

3. T race los diag ram as esq u em tico s de un JF E T de canal p y uno de canal 11. Identifique las term inales. 4. M uestre cm o se conectan los voltajes de polarizacin entre la com puerta y la fuenle de los JFET de la fisu ra 8-64. FI GURA 8 - 6 4

(a) Seccin 8 - 2 re n a je i Caractersticas y parm etros de! JFET

(b)

5. Un JF E T tiene un voltaje de estrangulam iento especificado de 5 V. C uando VGS = 0. cul es VDS en el punto donde la corriente en el drenaje se vuelve constante? 6. Un cierto JF E T de canal n se polariza de tal form a que Vo s = - 2 V. Cul es el valor de Vosiame) s Vp es de 6 V ? E st p re ndido del dispositivo? 7. La hoja de d ato s de cierto JF E T d a ^GSicone) = 8 V e / D$s = 10 m A . C uando VGS = 0, cul es / D con valores de VDS por encim a del v alor de estrangulam iento? VDD = 15 V. 8. C ierto JF E T de cana! p tiene un Vcsicorte) = 6 V. C ul es / D cuando VqS = 8 V? 9. El JF E T de la figura 8-65 tiene un VQS(L.orte) = 4 V. Suponga que increm enta el voltaje de alim enta cin, VDD, desde cero h asta que el am perm etro alcanza un valor constante. Q u lee el voltm etro en este m om ento? FI GURA 8 - 6 5

2 0 raA y

10. S e o b tie n e n lo s sig u ie n te s p a r m e tro s d e c ie rta h o ja de d a to s de un JF E T : V 'c,S(clll1c) = 8 V e/ Dss = 5 ni A. D eterm ine los valores de / D con cad a uno de los valores de Vgs desde 0 V hasta - 8 V ' en increm entos de 1 V. T race la curva de la c aracterstica d e transferencia con estos datos. 11. P ara el JF E T del problem a 10, qu valor de Vgs se requiere para establecer una corriente en el drena ' je de 2.25 m A ? 12. P ara un JF E T particular, g Hl0 = 3200 fxS. Cul es gm cuando VGs =

- 4 V, dado que V^siconcj = ~ 8 V?

13. D eterm in e la tran sco n d u c ta n c ia en d irec ta de un JF E T p o lariza d o con V'gs = ~ 2 V. En la hojas ded atos, VGS(corie) = 7 V y g m = 2000 p,S con V'gs = 0 V. D eterm ine tam bin la conductancia de trans ferencia en directa, g ^. 14. L a hoja de datos de un JF E T de canal p m uestra que / Css = 5 nA con VGs = 10 V. D eterm ine la resis tencia de entrada. 15. C on la ecu aci n 8 - 1, trace la c urva de la caracterstica de transferencia de un JF E T con / dss = 8 mA y Vostcorte) ~ V. U se por lo m enos cuatro puntos.

Seccin 8-3) o n e g ativ o ?

Polarizacin de un JFET16. Un JF E T a u topolarizado de canal n tiene una corriente en el drenaje de 12 m A y una resistencia de fu en te de 100 O . C ul es el valor de V'g s ?

426

T r a n s is t o r e s

de efecto

de cam po

(FET )

17. D eterm ine el v alor de R$ requerido p a ra que un JF E T autopolarizado produzca un Vqs de 4 V cuan do / D = 5 ni A. 8 . D eterm ine el v alor de R requerido para que un JF E T autopolarizado produzca una Iq = 2.5 rnA cuan anche en t 63. C onsultando la hoja de datos de la figura 8-80, determ ine ID en un 2N 3797 cuando VGS = + 3 V. D e term in e / D cuan d o VqS = - 2 V.

R espuestas

a problemas co n

nm ero

im pa r

961

(a) V,B(l)

+ S.2 V; VB(t;2) = + 6 .8 V;

VK = + 7 .5 V; 'CQ 6 .8 m A ;V rB n ,n ll = + 7 .5 V; CEQ