formato revisado+trabajo

8/4/2019 Formato Revisado+trabajo

1/50

CAPITULO 6TRANSISTORES DE EFECTO DECAMPO

En esta sesin no solo aprenderemos la teora del

funcionamiento de los Transistores Efecto Campo si no tambin

aprender las siguientes aplicaciones como amplificacin de todotipo, generacin de seal, conmutaciones, conversores estticosde potencia, etc. En la vida diaria de nuestra carrera.

Veremos su estructura bsica, smbolos, principio defuncionamiento, curvas caractersticas, zonas de trabajo, etc.

Grupo 4


2/50


3/50

TRANSITORES DE EFECTO DECAMPO (FET)

ESTRUCTURA DEL CAPITULO

OBJETIVOS DEL CAPITULO

6-1El JFET6-2Caractersticas y parmetros del JFET6-3Polarizacin de un JFET6-4El MOSFET6-5Caractersticas y parmetros de un MOSFET6-6Polarizacin de un MOSFET

6-7El IGBT6-8Ejercicios de aplicacin6-9Sumario

Explicar la definicin de los JFET Definir, analizar y aplicar parmetros importantes del JFET Analizar y describir circuitos de polarizacin del JFET Discutir la regin hmica

Explicar la operacin de los MOSFET Definir y aplicar parmetros importantes del MOSFET Analizar y describir circuitos de polarizacin del MOSFET Explicar la operacin de los IGBT Sumario


4/50


5/50

CAPITULO VI

TRANSISTORES DE EFECTO DECAMPO (FET)

En este captulo vamos a abordar el estudio de un dispositivo de tres terminalescuyo rango de aplicabilidad coincide en michas casos, con el del transistor BJTvisto con anterioridad.A los transistores de efecto de campo se les conoce abreviadamente como FET(Field Effect Transistor) y entre ellos podemos distinguir dos grandes tipos:

Transistor de efecto de campo de unin:JFET (Junction Field Effect Transistor )

Transistor de efecto de campo Metal Oxido Semiconductor:

MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor )

El transistor es un dispositivo electrnico semiconductor que cumple funciones deamplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El trmino "transistor" es lacontraccin en ingls de transfer resistor ("resistencia de transferencia").Actualmente se los encuentraprcticamente en todos los enseres domsticos deuso diario: radios, televisores,grabadoras, reproductores de audio y vdeo, hornosde microondas, lavadoras, automviles,equipos de refrigeracin, alarmas, relojes

de cuarzo, computadoras, calculadoras, impresoras, lmparas fluorescentes,equipos de rayos X, tomgrafos, ecgrafos,reproductores mp3, celulares, etc.

Vienen a sustituir a las antiguas vlvulas termoinicas transistor bipolar fueinventado en los Laboratorios Bell de EE. UU. En diciembre de 1947 por JohnBardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley, quienes fueron galardonados con el Premio Nobel de Fsica en 1956. Gracias a ellos fue posiblela construccin de receptores de radio porttiles llamados comnmente"transistores",televisores que se encendan en un par de segundos, televisores encolor... Antes de aparecer los transistores, los aparatos a vlvulas tenan quetrabajar con tensiones bastantealtas, tardaban ms de 30 segundos en empezar a

funcionar, y en ningn caso podanfuncionar a pilas, debido al gran consumo quetenan de tres electrodos o trodo.


6/50

El transistor consta de un sustrato (usualmente silicio) y tres partes dopadasartificialmente (contaminadas con materiales especficos en cantidadesespecficos) que forman dosuniones bipolares, el emisor que emite portadores, elcolector que los recibe o recolecta y latercera, que est intercalada entre las dosprimeras, modula el paso de dichos portadores (base). A diferencia de lasvlvulas, el transistor es un dispositivo controlado por corriente y del que se

obtiene corriente amplificada. En el diseo de circuitos a los transistores se lesconsidera un elemento activo, a diferencia de los resistores, capacitores einductores que sonelementos pasivos. Su funcionamiento slo puede explicarsemediante mecnica cuntica.De manera simplificada, la corriente que circula porel "colector" es funcin amplificada de la que se inyecta en el "emisor", pero eltransistor slo grada la corriente que circula a travsde s mismo, si desde unafuente de corriente continua se alimenta la "base" para que circule la carga por el"colector", segn el tipo de circuito que se utilice. El factor de amplificacinlogradoentre corriente de base y corriente de colector, se denomina Beta del transistor.Otros parmetros a tener en cuenta y que son particulares de cada tipo detransistor son: Tensiones de ruptura de Colector Emisor, de Base Emisor, de

Colector Base, Potencia Mxima, disipacin de calor, frecuencia de trabajo, yvarias tablas donde se grafican losdistintos parmetros tales como corriente debase, tensin Colector Emisor, tensin BaseEmisor, corriente de Emisor, etc. Lostres tipos de esquemas bsicos para utilizacinanalgica de los transistores sonemisor comn, colector comn y base comn.

6.1. EL FET

Vamos a comenzar el estudio de los transistores de efecto de campo con los JFET(Junction Field Effect Transistor).

Es un tipo de FET que opera con una unin pn polarizada en inversa paracontrolar la corriente en un canal. Segn su estructura, los JFET caen dentro decualquiera de dos categoras, de canal n o de canal p.

Estructura Bsica.

En la Figura 1.1. Se ha representado la construccin bsica de un JEFT de canaln. Podemos observar como la mayor parte de la estructura es de material tipo nligeramente dopado formando un canal con contactos hmicos en ambosextremos (terminales de Drenador y Fuente). Este canal se encuentra inserto entredos regiones de compuerta tipo p + (material tipo p fuertemente dopado) consendos contactos hmicos que constituyen los terminales de puerta. En algunoscasos los dos terminales de puerta estn accesibles (JFET de doble puerta)aunque lo ms habitual es que ambos terminales estn cortocircuitados teniendo

un nico terminal de puerta (dispositivo de tres terminales).


7/50

En ausencia de potencial aplicado, las dos uniones p-n que aparecen estn sinpolarizar. El resultado es una regin de vaciamiento o zona de deflexin (regincarente de portadores libres) de forma similar a la que se vio en su da al analizaren el diodo la unin p-n en ausencia de polarizacin.

Figura 1.1.- Estructura bsica del JFET de canal n.

D= Drenador: (Del ingles Drain). Es el terminal por al que salen los portadores deldispositivo (los electrones en el JFET de canal n y los huecos en del canal p)

S= Fuente: (Del ingles source). Es el terminal por el que entran los portadores.

G= Puerta: (Del ingles Gate). Es el terminal mediante el que se controla lacorriente de portadores a travs del canal.


8/50

Smbolos de JFET

Como ya se ha comentado con anterioridad se trata, en cualquier caso, dedispositivos con tres terminales cuyos smbolos aparecen representados en lafigura 1.2.

Figura 1.2.-simbolos del JFET.

Como podemos observar, la diferencia en el smbolo entre ambos tipos reside enel sentido de la flecha del terminal de puerta (G). En el JFET de canal n el terminal

de puerta se representa con una flecha entrante al dispositivo, mientras que en elde canal p es saliente. Recordar que el sentido de la flecha indica el sentido decirculacin de la corriente si la unin pn correspondiente estuviera polarizada endirecta.

Para el funcionamiento ms habitual, los transistores de canal n se polarizanaplicando una tensin positiva entre drenador y fuente () y una tensinnegativa entre puerta y fuente ( ). De esta forma, la corriente circular en elsentido de drenador a fuente. En el caso del JFET de canal p la tensin ) aaplicar debe ser negativa y la tensin positiva, de esta forma la corriente fluiren el sentido de la fuente hacia el drenador.


9/50

6.2. CARACTERISTICAS Y PARMETROS DEL JFET

El JFET opera como un dispositivo de corriente constante controlado por voltaje.En esta sesin se tocaran los temas de corte y estrangulamiento, as como lascaractersticas del JFET.

Influencia de

En primer lugar vamos a estudiar el efecto que sobre el dispositivo tiene lavariacin de la tensin aplicada entre los extremos del canal. Para ellovamos a suponer que inicialmente la tensin = 0 y vamos a ir aumentando el

valor de desde 0.

Figura 1.3.-efecto de tensin . El canal se estrecha de la zona del drenador.

Al establecer una tensin = 0 los terminales de fuente y puerta estn al mismopotencial, por tanto la zona de deplexion del lado de la fuente ser semejante a laque tenamos en condiciones de no polarizacin. En el instante en que apliquemosuna tensin , los electrones se vern atrados hacia el lado del drenador,establecindose una corriente en el sentido mostrado en la figura 1.3. Bajoestas condiciones las corrientes e sern iguales y se vern nicamentelimitadas por la resistencia elctrica que presenta el canal entre el drenador y lafuente. Es importante notar que ambas uniones p-n se encuentran polarizadas eninversa, con lo cual la corriente a su vez ser prcticamente nula.

Cuando aplicamos una tensin (por ejemplo 2V en la Figura 1.3.) esta sedistribuir a lo largo del canal, distribucin, que en un principio y para tensiones


10/50

pequeas, podemos suponer uniforme. De esta forma, si nos fijamos en lapolarizacin inversa de las uniones p-n, podemos observar como stas estn msinversamente polarizadas de la zona del drenadorque de la zona de la fuente. Sirecordamos que la anchura de la zona de carga de espacio en una unin p-npolarizada en inversa es tanto mayor cuanto mayor sea dicha polarizacin inversa,tendremos que la anchura de estas zonas deplexin son tanto mayores cuanto

ms cerca del drenador nos encontremos, o lo que es lo mismo, la anchuraefectiva del canal ser menor en la parte del drenador que en la parte de la fuente.

Para valores pequeos de la tensin aplicada, el estrechamiento del canal noser importante, por lo que el dispositivo se comporta, en esencia, como unaresistencia de forma que la relacin entre la tensin aplicada y la corriente quecircula por el dispositivo ser lineal tal y como establece la Ley de Ohm. Sinembargo, a medida que aumentamos la tensin aplicada, el estrechamiento delcanal se va haciendo ms importante, lo que lleva consigo un aumento de laresistencia y por tanto un menor incremento en la corriente ante un mismoincremento de la tensin aplicada.


11/50

Figura 1.4.- caractersticas - con = 0.

Si continuamos aumentando la tensin , el canal se estrecha cada vez ms,especialmente cerca de la zona del drenador, hasta que ambas zonas dedeplexin de tocan. La tensin para la cual se produce el estrangulamiento delcanal se denomina sat . Para tensiones aplicadas superiores a este valor,

la pendiente de la curva (- ) se satura, hacindose aproximadamente cero,mantenindose la corriente prcticamente constante a un valor denominado (Corriente drenador - fuente de saturacin) que es la mxima corriente quepodemos tener para un determinado JFET (caracterstico para cada JFET).

En un principio, podramos pensar que si el canal se cierra por completo lacorriente que circula por el mismo debera ser nula. Si fuera nula, no habracorriente en el canal en ningn punto, y el potencial a lo largo de ste sera elmismo que con = 0, es decir, cero en todo lugar. Si en el canal el potencial escero en todos sus puntos, las uniones p-n estaran con polarizacin nula, y a suvez el canal tendra que estar abierto por completo desde la fuente hasta eldrenador, con lo que se contradice de forma clara la suposicin inicial de un canalcerrado. En otras palabras, debe fluir una corriente en el JFET para inducir ymantener la condicin de estrangulamiento.

Quizs la dificultad conceptual se encuentra a menudo con respecto a que lacondicin de estrangulamiento proviene de la necesidad de que fluya una corrienteelevada por una zona de vaciamiento. Sin embargo, en los dispositivos de estadoslido no son inusuales los flujos de corriente elevados por zonas de vaciamiento(recordar un transistor BJT donde la unin de colector, en la zona activa, estpolarizada en inversa y sin embargo a su travs circulan corrientes elevadas).


12/50

Influencia de

Una vez establecida la variacin de la corriente por el dispositivo en funcin dela tensin cuando = 0, para completar el anlisis, tenemos que estudiar elcomportamiento del JFET para tensiones aplicadas menores que cero (por serJFET de canal n). El funcionamiento del JFET para valores de < 0 es muy

similar al que tiene con = 0, con alguna pequea modificacin

Figura 1.5.- la tensin modula la anchura del canal.

Cuando = soff el canal se cierra por completo

Si suponemos, en primer lugar = 0, para valores de < 0, las uniones p-nestn polarizadas inversamente. Una polarizacin inversa de dichas unionesincrementa el ancho de la zona de deplexin disminuyendo la anchura efectiva delcanal n. Por tanto la resistencia del canal aumenta, de manera que en la zona decomportamiento hmico, es decir, para valores pequeos de la tensin aplicada donde la relacin - es lineal, la pendiente ser tanto menorcuanto ms negativa sea .

Figura 1.6.-la tensin modula la anchura del canal.


13/50

Por ltimo, para tensiones suficientemente negativas, podra llegar a cerrarsepor completo el canal, aun cuando = 0. Esto sucede cuando la tensin

alcanza o disminuye por debajo del valor Soff . Hecho este por el cual elfabricante suele denotar este parmetro como Soff, (este es un valor de tensincaracterstico de cada JFET) ya que indica el valor de tensin por debajo del cual(recordar que estamos hablando de valores negativos de tensin) el canal estcompletamente vaciado no habiendo posibilidad de circulacin de corriente pormucho que se aumente la corriente (Salvo que dicha tensin sea losuficientemente elevada para perforar las uniones p-n polarizadas en inversa. Estehecho se analizar ms adelante al analizar la zona de ruptura de la curvacaracterstica del JFET).

Curvas Caractersticas.

Si juntamos ahora en una misma grfica el efecto que sobre el funcionamiento deldispositivo tienen ambas tensiones (y ). Al representar la corriente dedrenador en funcin de ambas tensiones, aparecen las denominadas curvascaractersticas del transistor JFET.

En la Figura 1.7. Se representan las curvas caractersticas de salida para un JFETde canal n. En ella se representa la corriente de drenador frente a la tensin

drenador - fuente

para distintos valores de la tensin puerta - fuente

.En la misma podemos ver como el valor de la tensin para el que se produce lasaturacin de la corriente de drenador cuando = 0, en algunos libro aparecerepresentado como V P haciendo referencia al estrangulamiento o pinch-off quese ha producido en el canal. Indicar que esta tensin V P se puede considerar deigual valor, pero de signo contrario, a la tensin Soff caracterstica deldispositivo.

Por otro lado, para otros valores de el valor de la tensin para el que seproducir la saturacin de la corriente de drenador vendr dado por la expresin

,Ssat = - Soff , donde todas las tensiones deben de ponerse con susigno correspondiente. Es decir, cuanto ms negativa sea la tensin antes sealcanzar la condicin de saturacin, o de otra forma, el canal se estrangular

para valores menores de la tensin , lo cual parece lgico ya que cuanto msnegativa sea menor es el canal de partida que tenemos.

En las curvas caractersticas de la Figura 1.7. Podemos distinguir 4 zonas biendiferenciadas:


14/50

Zona de corte o de no conduccin. Zona hmica o de no saturacin.

Zona de saturacin o de corriente constante. Zona de ruptura.

Figura.1.7.- Caractersticas ideales de un JFET de canal n

Zonas de Trabajo.

Zona de corte o de no conduccin.

Se corresponde con el eje horizontal de la grfica. En esta zona la corriente

= 0con independencia del valor . Esto se da para valores de Soff dondeel canal est completamente cerrado.


15/50

Zona hmica o de no saturacin.

Se da para valores de inferiores al de saturacin, es decir, cuando - Soff . Para estos valores de tensin el canal se va estrechando de la parte del

drenador, principalmente, hasta llegar al estrangulamiento completo para sat .

En esta zona el transistor se comporta aproximadamente como una resistenciavariable controlada por la tensin de puerta, sobre todo para valores pequeos de, ya que a medida que nos aproximamos al valor de sat , y para cada valorde se va perdiendo la linealidad debido al estrechamiento del canal que seaproxima al cierre.

Figura 1.8.- Para < sat el JFET se comporta como una resistencia variable con .

Zona de saturacin o de corriente constante.

Esta zona se da para valores > sat . Ahora la corriente permaneceinvariante frente a los cambios de (suponiendo la hiptesis de canal largo) yslo depende de la tensin aplicada. En esta zona el transistor se comportacomo una fuente de corriente controlada por la tensin de puerta .

La relacin entre la tensin aplicada y la corriente que circula por el canal enesta zona viene dada por la siguiente ecuacin:


16/50

Figura 1.9.- Para > sat el JFET se comporta como una fuente de corriente controlable con.

Zona de ruptura.

En un transistor JFET tenemos dos uniones p-n polarizadas en inversa, tanto mscuanto menor sea el valor de . Tal y como vimos al abordar el estudio de launin p-n en el tema 2 cuando una unin p-n la polarizamos en inversa, la zona decarga de espacio aumenta. Sin embargo, esta tensin inversa no se puedeaumentar indefinidamente, ya que si se supera un determinado valor (tensin deruptura, caracterstico de cada unin y que suele ser proporcionado por elfabricante en sus hojas de caractersticas) la unin se perfora, producindose laruptura del dispositivo.


17/50

Figura 1.10.- Zona de ruptura. Las lneas correspondientes a los distintos valores de se cruzan.

En nuestro caso las uniones p-n estn sometidas a una mayor polarizacin inversadel lado del drenador. Por tanto, el JFET entrar en ruptura cuando en la zona deldrenador se supere la tensin de ruptura de la unin, es decir, cuando VDG Vr.Teniendo en cuenta que VDS = + VDGla ruptura se dar para VDSruptura VGS + Vr

Por ello a medida que

se hace ms negativo, la tensin VDSpara la que se produce laruptura ser menor, lo que origina que en la zona de ruptura se crucen las lneas.

6.3. POLARIZACIN DE UN JFET

Para el funcionamiento ms habitual, los transistores de canal n se polarizanaplicando una tensin positiva entre drenador y fuente (V DS ) y una tensin

negativa entre puerta y fuente (V GS ). De esta forma, la corriente circular en elsentido de drenador a fuente. En el caso del JFET de canal p la tensin V DS a


18/50

aplicar debe ser negativa y la tensin VGSpositiva, de esta forma la corriente fluiren el sentido de la fuente hacia el drenador.

Figura 1.11.- Polarizacin del JFET.

Autopolarizacion

La autopolarizacion es el tipo de polarizacin de JFET ms comunes. Recuerde

que un JFERT debe ser operado de tal forma que la unin compuerta-fuentesiempre este polarizada en inversa. Esta condicin requiere un VGS negativo paraun JFET de canal n y un VGS positivo para un JFET de canal p.

Se basa en que la puerta est conectada a masa a travs de una resistencia,siendo por tanto Vg = 0v. En la fuente existe un potencial Vs debido a lacirculacin de corriente a travs de Rs.Por tanto, Vgs = Vg-Vs = -Vs = -Id RsSi Id aumenta, Vgs se hace ms negativa, aumentando la resistencia y reduciendola Id. As pues, se puede decir que Rs realimenta negativamente la polarizacindel transistor


19/50

Figura 1.12.- Autopolarizacion del JFET.

Mtodo grafico de Autopolarizacion

Figura 1.13.- curva de Autopolarizacion del JFET.


20/50

Figura 1.14.- Recta de carga Q en Autopolarizacion del JFET.

Polarizacin con divisor de voltaje

Inicialmente, se analiza de forma anloga al del BJT, es decir, el divisor de tensinse sustituye por la tensin Thevenin y en serie su resistencia Rth.As, la Vs = Id Rs = Vth VgsId = (Vth Vgs) / Rs

Si Vgs se pudiera despreciar frente a Vth, la Id tomara un valor constante (Id=Vth/ Rs), aunque se modifique la caracterstica de transferencia del JFET.

Sin embargo, tiene un problema de diseo, y es que para una misma Id, dostransistores pueden tener diferente Vgs (ver caracterstica de transferencia).

Este circuito es ms estable que el de Autopolarizacion, pero no llega a ser tanestable como en los BJT


21/50

Figura 1.15.- Polarizacin con divisor de tensin del JFET.


22/50

Anlisis grafico de un JFET con polarizacin mediante divisor de tensin

Figura 1.16.- curva de Polarizacin con divisor de tensin del JFET.

6.4. EL MOSFET

MOSFET significa "FET de Metal Oxido Semiconductor" o FET de compuertaaislada

Es un dispositivo de cuatro terminales: fuente (S), drenaje (D), compuerta (G) ysustrato (B). Puede tambin encapsularse en envases de tres terminales, en

donde estn elctricamente unidos la fuente y el sustrato. La estructura metal-xido-S/C colocado sobre el canal que separa la fuente del drenaje, permitecontrolar las caractersticas de ste por medio del campo elctrico que seestablece al aplicar un voltaje entre la compuerta y el canal. El terminal compuerta,el xido de silicio haciendo papel de dielctrico y el canal simulan un capacitor deplacas paralelas. Como se muestra en la figura 1.17, existen dos tipos detransistores MOSFET, el de canal inducido, en el cual no circula corriente para VGS = 0 y la magnitud de su corriente crece al incrementar modularmente dichovoltaje de control. El segundo tipo es el MOSFET de canal implantado en que conV GS = 0 y con un voltaje V DS adecuado, circula corriente por el canal, la cualpuede crecer decrecer al aplicar un voltaje en la compuerta con determinadapolaridad. Ambos tipos pueden ser de canal N de canal P, donde el tipo de


23/50

polaridad lo impone el tipo de portador mayoritario que se mueve por el canal(electrn hueco respectivamente).

Los transistores MOSFET se pueden daar con facilidad y hay que manipularloscon cuidado. Debido a que la capa de xido es muy delgada, se puede destruircon facilidad si hay alta tensin o hay.

Figura 1.17.- Tipos de transistores MOS. MOS N Canal inducido. MOS P canal implantado.

El terminal B que es sustrato, se conecta comnmente a la fuente S, por lo que launin p-n formada entre B y S no se puede polarizar en directa. La polarizacin deldrenaje mantiene a la unin D-B en inversa y la corriente solo se circunscribe alcanal. Por ser la compuerta el terminal de control de entrada que est aislada delresto del dispositivo por una capa de xido de silicio aislante, la resistencia deentrada del dispositivo es muy alta, tpicamente de a . Por estemotivo que es muy empleado en las etapas de entrada de los circuitos analgicosde alta impedancia de entrada.


24/50

Visto el transistor JFET vamos ahora a ver el otro gran grupo de transistores deefecto de campo: Los transistores MOSFET. Vamos a ver que existen dos tipos detransistores MOSFET.

MOSFET de acumulacin o de enriquecimiento. MOSFET de deplexin o empobrecimiento.

MOSFET de Acumulacin.

Vamos a comenzar el estudio de los transistores MOSFET viendo en primer lugarel MOSFET de acumulacin.

Estructura Bsica.

Como podemos ver en la Figura 1.18. En la que aparece representada laestructura bsica para un MOSFET de canal n, partimos de una zona de materialsemiconductor tipo p en la que aparecen dos zonas tipo n + con contactosmetlicos a los terminales de drenador y fuente. La zona de rayas oblicuasrepresentada corresponde a una capa de material aislante, en este caso xido de

silicio. Por tanto, si nos fijamos en el terminal de puerta, vemos como tenemos unazona metlica (correspondiente al contacto hmico) una zona de xido y una zonade semiconductor. Es precisamente debido a esta estructura de donde le viene elnombre al dispositivo de Metal xido Semiconductor (MOS). Adems, estedispositivo tendra un cuarto terminal, el terminal del Sustrato (SS), aunquehabitualmente ste se encuentra conectado a la fuente.

Es preciso que notemos una caracterstica fundamental de este dispositivo y esque la puerta est aislada elctricamente del dispositivo, es decir, no hay conexinelctrica entre la puerta y el sustrato.

Por otra parte, indicar que en este caso y en las sucesivas representaciones de lostransistores MOSFET a lo largo de este captulo no se han representado las zonasde carga de espacio que evidentemente aparecern en las uniones pn porsimplificar los dibujos, ya que en este caso, y a diferencia del JFET, las zonas decarga de espacio no juegan un papel primordial en el funcionamiento deldispositivo.


25/50

Figura 1.18.- Estructura bsica del MOSFET de acumulacin canal n.

Smbolos.

Los smbolos ms habituales utilizados para la representacin en circuitos de losMOSFET de acumulacin son los que aparecen representados a continuacin

Figura 1.19.- Smbolos del MOSFET de acumulacin


26/50

Para el funcionamiento ms habitual, los transistores MOSFET de acumulacin sepolarizan tal y como aparece en la Figura 1.20.

Figura 1.20.- Polarizacin del MOSFET de acumulacin.

Los transistores MOSFET de acumulacin de canal n se polarizan aplicando unatensin positiva entre drenador y fuente () y una tensin positiva entre puerta y

fuente (). De esta forma, la corriente circular en el sentido de drenador afuente. En el caso del MOSFET de acumulacin de canal p la tensin a aplicardebe ser negativa y la tensin negativa, de esta forma la corriente fluir en elsentido de la fuente hacia el drenador.

A partir de ahora vamos a centrarnos en el estudio del MOSFET de acumulacinde canal n, para el de canal p todos los razonamientos seran anlogos sin msque tener en cuenta los sentidos de las tensiones y las corrientes que aparecen enla Figura 1.20.


27/50

MOSFET de Deplexin.

Vamos a continuar con el siguiente gran grupo de transistores MOSFET, en estecaso, el MOSFET de deplexin o empobrecimiento.

Figura 1.21.- Estructura bsica del MOSFET de deplexin canal n.

Como podemos observar en la Figura 1.21. La estructura bsica para un MOSFET

de deplexin es similar al caso del de deplexin, con la importante diferencia de

que en este caso disponemos de un canal inicial realizado en el proceso de

fabricacin del dispositivo.

Smbolos.

Los smbolos ms habituales utilizados para la representacin en circuitos de losMOSFET de acumulacin son los que aparecen representados en la Figura 1.22.

Al igual que en el caso anterior el terminal de puerta no tiene conexin con el restode terminales, ya que tal y como hemos visto anteriormente, est aisladoelctricamente del resto del dispositivo. Pero, a diferencia del caso anterior, en elMOSFET de acumulacin los terminales de drenador y fuente estn unidos atravs de una lnea continua, esta lnea hace referencia al canal que ahora s que


28/50

existe desde un principio. De nuevo, la flecha indica el sentido en que circulara lacorriente en el caso de que la unin pn estuviera polarizada en directa.

Figura 1.22.- Smbolos del MOSFET de deplexin.

Para el funcionamiento ms habitual, los transistores MOSFET de acumulacin se

polarizan tal y como aparece en la Figura 1.22.

Figura 1.23.- Polarizacin del MOSFET de deplexin.


29/50

Los transistores MOSFET de deplexin de canal n se polarizan aplicando una

tensin positiva entre drenador y fuente ( ) y una tensin entre puerta y fuente

() que puede ser negativa o positiva, segn veremos al analizar el

funcionamiento del dispositivo. De esta forma, la corriente circular en el sentido

de drenador a fuente. En el caso del MOSFET de acumulacin de canal p la

tensin a aplicar debe ser negativa y la tensin positiva o negativa, de estaforma la corriente fluir en el sentido de la fuente hacia el drenador.

6.5. CARACTERSTICAS Y PARMETROS DE UN MOSFET

Principio de Funcionamiento de MOSFET de acumulacin.

Influencia de VGS.

A diferencia de lo hecho con el JFET, vamos a comenzar en este caso con elefecto de la influencia de la tensin V GS . Para ello vamos a suponer en unprincipio VDS = 0

En primer lugar, si aplicamos una tensin V GS =0, (Figura 1.24 a) aunqueapliquemos una tensin V DS no circular corriente alguna por el dispositivo, yaque la unin de drenador est polarizada en inversa.

Figura 1.24.- Efecto de V GS ; a) V GS = 0 b) V GS > 0.

Sin embargo, cuando V GS >0 aparece un campo elctrico que lleva a loselectrones hacia la zona de la puerta y aleja de dicha zona a los huecos, nopudindose establecer una corriente por estar la puerta aislada. Para valorespequeos de esta tensin VGSaplicada se crear una zona de carga de espacio

(sin portadores), sin embargo, si seguimos aumentando el valor de esta tensin, laacumulacin de electrones se har lo suficientemente importante como para decir


30/50

que tenemos una zona n, es decir, se formar un canal de tipo n que unir losterminales de drenador y fuente (Figura 1.25.).

De esta forma, cuanto mayor sea la tensin VGSaplicada mayor ser la anchuradel canal formado, es decir, de nuevo tenemos un efecto de modulacin deanchura del canal con la tensin VGS.

Por otra parte, vemos que en este dispositivo se produce un efecto de variacin deuna carga almacenada con una tensin aplicada. Este es precisamente el efectoque se produce en un condensador. De esta forma, estamos viendo que, dealguna manera, este dispositivo puede comportarse como un condensador comohabamos adelantado en la introduccin del captulo.

Si ahora nos fijamos en la Figura 1.25 b al estar los terminales de fuente, sustratoy drenador a la misma tensin (por ser VDS = 0) las tensiones VGSy VGDserniguales, y por lo tanto el canal simtrico respecto de la puerta.

Figura 1.25.- Efecto de VGS.

Por tanto, vemos que con la tensin VGSpodemos modular la anchura del canal,

pero no basta con que esta tensin sea positiva, sino que deber superar un determinado nivel de tensin. A esta tensin umbral a partir de la cual hay canalformado que permite la circulacin de corriente entre el drenador y la fuente enalgunos libros se le suele llamar V T (tensin de threshold). Aunque en realidadtiene el mismo significado que la tensin VGSoffvista para el transistor JFET, yaque en ambos caso se trata del valor mnimo de tensin para el que existe canalque permite la circulacin de corriente.

Al igual que en el caso del JFET, si ahora aplicamos valores de tensin V DSpequeos, la relacin entre la corriente IDy la tensin VDSaplicada ser lineal, esdecir, de nuevo el dispositivo se comporta como una resistencia cuyo valor

depender de la anchura del canal y por lo tanto de la tensin VGS .


31/50

Figura 1.23.- La tensin V GS modula la anchura del canal. El dispositivo se comporta como una

resistencia controlada por VGS.

Influencia de VDS.

Si una vez que se ha formado el canal aplicamos una tensin positiva, por el canal

circular una corriente IDen el sentido del drenador hacia la fuente. Si ahora nos

fijamos en la relacin de tensiones VDS = VGS - VGD, al ser VDS > 0 tendremos que V

GD < VGS, por lo tanto la anchura del canal ser menor del lado del drenador.

Figura 1.27.- Efecto de la tensin VDS . El canal se estrecha ms de la zona del drenador.

De nuevo el comportamiento es el mismo que hemos visto anteriormente para el

JFET. Para valores de tensin VDSpequeos, el estrechamiento del canal no ser

importante, por lo que la relacin entre la tensin aplicada y la corriente que circula

ser lineal tal y como establece la Ley de Ohm. A medida que el valor de V DS

aumente, el estrechamiento comenzar a ser importante, variando la resistenciaque presenta el canal y perdiendo la linealidad de la caracterstica. Hasta que la


32/50

tensin V DS alcance el valor de V DSsat , momento en el cual el canal se habr

cerrado por completo. A partir de este instante, si seguimos aumentando latensin

VDS,por encima de este valor VDSsat, la corriente IDse mantiene constante.

Figura 1.28.- Caracterstica ID- VDSpara un valor de VGSconstante.

De nuevo, la corriente no se anula al cerrarse el canal, ya que si ello sucediese

drenador y fuente estaran al mismo potencial, lo que implicara que V GS y V GD

sern iguales y por lo tanto el canal simtrico respecto a la puerta, es decir, la

situacin en la que estbamos con VDS = 0.


33/50

Curvas Caractersticas.

En la Figura 1.29. Se representan las curvas caractersticas de un transistor

MOSFET de acumulacin.

Figura 1.29.- Caractersticas ideales de un MOSFET de acumulacin canal n.

Igualmente, podremos distinguir las 4 zonas de funcionamiento del transistor.


Zona hmica o de no saturacin.


Zona de ruptura.

Aunque en la figura no se haya representado la zona de ruptura la

analizaremos en el siguiente punto.


34/50

Zonas de trabajo


Se corresponde con el eje horizontal de la grfica. En esta zona la corriente ID = 0con independencia del valor V DS. Esto se da para valores de VGS V T,donde elcanal no est completamente formado.

Zona hmica o de no Saturacin.

Se da para valores de VDSinferiores al de saturacin, es decir, cuando VDS VGS -V T Para estos valores de tensin el canal se va estrechando de la parte del

drenador, principalmente, hasta llegar al estrangulamiento completo para VDSsat.

En esta zona el transistor se comporta aproximadamente como una resistenciavariable controlada por la tensin de puerta, sobre todo para valores pequeos deVDS, ya que a medida que nos aproximamos al valor de VDSsat, y para cada valorde V GSse va perdiendo la linealidad debido al estrechamiento del canal que seaproxima al cierre.

Figura 1.30.- Para VDS < VDSsatel MOSFET se comporta como una resistencia variable con

VGS.


35/50


Esta zona se da para valores V DS > V DSsat. Ahora la corriente I D permaneceinvariante frente a los cambios de VDSy slo depende de la tensin VGS aplicada.En esta zona el transistor se comporta como una fuente de corriente controladapor la tensin de puerta VGS.

La relacin entre la tensin VGSaplicada y la corriente IDque circula por el canalen esta zona viene dada por la siguiente ecuacin:

Figura 1.31.- Para V DS > V DSsat el MOSFET se comporta como una fuente de corriente

controlada con la tensin V GS.

Zona de ruptura.

Un transistor MOSFET puede romper por dos motivos. Bien porque se perfora el

dielctrico cuando la tensin V GS supera una determinado valor que vendr

determinado por el aislante, o bien porque en la unin pn del lado del drenador

(polarizada en inversa) se supera el valor de la tensin de ruptura de dicha unin,

dado que esta unin est polarizada con una tensin inversa de valor V DS la

ruptura se producir cuando V DS -V r con independencia del valor de V GS, por tanto

en la zona de ruptura todas las distintas curvas en funcin V GS se juntan en unanica.


36/50

Principio de Funcionamiento de MOSFET de Deplexin.

Figura 1.32.- Funcionamiento del MOSFET de deplexin canal n.

En este caso, si aplicamos una tensin VGS > 0, se atraern ms electrones haciala zona de la puerta y se repelern ms huecos de dicha zona, por lo que el canalse ensanchar. Por lo tanto, el efecto que tenemos es el mismo que en el caso delMOSFET de acumulacin, es decir, para valores VGS > 0 el MOSFET de deplexintiene un comportamiento de acumulacin. Si por el contrario damos valores VGS


37/50

Figura 1.33.- Caractersticas ideales de un MOSFET de deplexin canal n.

Por ltimo, recordar lo que en su da ya dijimos para el transistor BJT, en cualquier

caso el funcionamiento del transistor debe estar siempre dentro de la zonamarcada por las caractersticas propias del transistor. Es decir no se deben

superar los lmites de IDmx,ni de VDS mx. ni por supuesto la curva de la potencia

mxima.

Figura 1.34.- Lmites de funcionamiento.


38/50

6.6. POLARIZACION 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 es importante en amplificadores.

MOSFET

De tipo decremental (todas las configuraciones arriba de los casos positivos donde

= + voltaje) polarizacin Fija

Figura 1.35.- Mosfet decremental.

VGSQ = + VGG

VDS = VDD - IDRS

MOSFET

De tipo decremental polarizacin mediante divisor de voltaje

Figura 1.36.- divisor de voltaje.


39/50

VG = R2 VDD/(R1 + R2)

VGS = VG - ISRS

VDS =VDD - ID(RD + RS)

MOSFET

De tipo incremental configuracin por retroalimentacin

Figura 1.37.- Mosfet de retroalimentacin.

VGSQ = VDS

VDS = VDD - IDRS

MOSFET

De tipo incremental Polarizacin mediante divisor de voltaje

Figura 1.38.- Mosfet con divisor de tensin.


40/50

VG = R2 VDD/(R1 + R2)

VGS = VG - IDRS

6.7. EL IGBT

Durante muchos aos se ha buscado de crear un dispositivo que fuese lo

suficientemente velos y que se pudiera manejar a grandes cargas pero han

surgido nuevas ideas con la unin de un MOSFET como dispositivo de disparo y

un BJT como dispositivo de potencia y de esta forma se llego a la invencin del

IGBT el cual ser expuesto como sigue:

La sigla IGBT corresponde a las iniciales de Isolated Gate Bipolar Transistor sea

transistor bipolar de puerta de salida.

El IGBT es un dispositivo semiconductor de potencia hibrido que combina los

atributos del BJT y MOSFET.

Posee una componente tipo MOSFET y por con siguiente tiene una alta

impedancia de entrada. El gate maneja voltaje como el MOSFET.

El smbolo ms comnmente usado se muestra en la figura 1.39.

El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) es un dispositivo electrnico que

generalmente se aplica a circuitos de potencia. Este es un dispositivo para la

conmutacin en sistemas de alta tensin. La tensin de control de puerta es deunos 15V. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas de potencia aplicando una

seal elctrica de entrada muy dbil en la puerta. El IGBT de la figura es una

conexin integrada de un MOSFET y un BJT.

El circuito de excitacin del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las

caractersticas de conduccin son como las del BJT. El IGBT es adecuado para

velocidades de conmutacin de hasta 20 KHz y ha sustituido al BJT en muchas

aplicaciones.


41/50

SIMBOLOGIA:

Es un componente de tres terminales que se denominan GATE (G) o puerta,

COLECTOR (C) y EMISOR (E) y su smbolo corresponde al dibujo de la figura

siguiente:

Figura 1.39.- representacin simblica del IGBT. a) como BJT

b) como MOSFET

CURVA CARACTERISTICA IGBT:

Figura 1.40.- curva caracterstica IGBT


42/50

Como funciona:

Consideremos que el IBGT se encuentra bloqueado inicialmente. Esto significaque no existe ningn voltaje aplicado al gate. Si un voltaje VGS es aplicado algate, el IGBT enciende inmediatamente, la corriente ID es conducida y el voltajeVDS se va desde el valor de bloqueo hasta cero. LA corriente ID persiste para el

tiempo ON en el que la seal en el gate es aplicada. Para encender el IGBT, laterminal drain D debe ser polarizada positivamente con respecto a la terminal S.LA seal de encendido es un voltaje positivo VG que es aplicado al gate G. Estevoltaje, si es aplicado como un pulso de magnitud aproximada de 15, puedecausar que el tiempo de encendido sea menor a 1 s, despus de

lo cual la corriente de drain iD es igual a la corriente de carga IL (asumida comoconstante). Una vez encendido, el dispositivo se mantiene as por una seal devoltaje en el gate. Sin embargo, en virtud del control de voltaje la disipacin depotencia en el gate es muy baja. El IGBT se apaga simplemente removiendo laseal de voltaje VG de la terminal gate. La transicin del estado de conduccin al

estado de bloqueo puede tomar apenas 2 micro segundos, por lo que la frecuenciade conmutacin puede estar en el rango de los 50 kHz. EL IGBT requiere un valorlmite VGS(TH) para el estado de cambio de encendido a apagado y viceversa.Este es usualmente de 4 V. Arriba de este valor el voltaje VDS cae a un valor bajocercano a los 2 V. Como el voltaje de estado de encendido se mantiene bajo, elgate debe tener un voltaje arriba de 15 V, y la corriente iD se auto limita. El IGBTse aplica en controles de motores elctricos tanto de corriente directa como decorriente alterna, manejados a niveles de potencia que exceden los 50 kW.

Caractersticas a tener en cuenta en un IGBT:

IDmax Limitada por efecto Latch-up.

VGSmax Limitada por el espesor del xido de silicio.

Se disea para que cuando VGS = VGSmax la corriente de cortocircuito seaentre 4 a 10 veces la nominal (zona activa con VDS=Vmax) y pueda soportarladurante unos 5 a 10 veces. y pueda actuar una proteccin electrnica cortandodesde puerta.

VDSmax es la tensin de ruptura del transistor pnp. Como BJT; es muy baja,

ser VDSmax=BVCB0 Existen en el mercado IGBTs con valores de 600, 1.200,1.700, 2.100 y 3.300 voltios. (Anunciados de 6.5 kV).

La temperatura mxima de la unin suele ser de 150C (con SiC se esperanvalores mayores)

Existen en el mercado IGBTs encapsulados que soportan hasta 400 o 600 Amp.

La tensin VDS apenas vara con la temperatura Se pueden conectaren paralelo fcilmente Se pueden conseguir grandes corrientes confacilidad, p.ej. 1.200 o 1.600 Amperios. En la actualidad es el dispositivo ms

usado para potencias entre varios kW y un par de MW, trabajando a frecuenciasdesde 5 kHz a 40kHz. A continuacin se presentan algunas de las presentacionesms comunes de un IGBT.


43/50

Figura 1.41.- modelos ms comunes de un IGBT

6.8. EJERCICIOS DE APLICACIN

Ejemplo: Encontrar el punto de operacin para el circuito y las curvas dadas.


44/50

Con estos puntos se traza la recta de carga.

Autopolarizacion: Consiste en eliminar la fuente V GG colocando una R s enparalelo con un CS en la fuente.

Ejemplo: Determinar el punto de operacin del circuito utilizando la curva detransferencia.


45/50

Si no se conoce la curva de transferencia, el punto de operacin se obtiene de la

siguiente forma:

Ejemplo: Determinar el punto de operacin del circuito de la figura.

Vp = - 2, IDSS= 1,6 mA

Entonces ID= 0,76mA VDS=VDD- ID(RD+RS )=18V


46/50

Polarizacin por divisor de voltaje:

Curva de transferencia:

Recta de Autopolarizacion:


47/50

Punto de operacin:

Ejemplo: Hallar el punto de operacin del circuito.

El MOSFET de enriquecimiento tiene un comportamiento diferente y se rige porlas ecuaciones:


48/50

gm = 2K(VGS-VT)gm=2x0,3(6-2,5) = 2,1 mhos

Ejemplo: Hallar el punto de operacin del circuito si Vt=3V y K=0.3 mA /V^2


49/50

La caracterstica de transferencia se obtiene dibujando:


50/50

6.9. SUMARIO

1. Los transistores de efecto de campo son dispositivos unipolares (unportador de carga).

2. Las tres terminales de un FET son la fuente, drenaje y la compuerta.3. El JFET opera con una unin pn polarizada en inversa (compuerta a

fuente).4. La alta resistencia de entrada de un JFET se debe a la unin compuerta-fuente polarizada en inversa.

5. La polarizacin en inversa de un JFET produce una regin deempobrecimiento dentro del canal por lo que se incrementa se resistencia.

6. Para un JFET de canal n, V GS puede variar negativamente desde cerohasta el valor de corte.

7. Para un JFET de canal p, V GS puede variar positivamente desde cero.8. El punto W es un JFET con polarizacin mediante divisor de tensin es ms

estable de un JFET autopolarizado.9. La polaridad mediante fuente de corriente incrementa la estabilidad de un

JFET autopolarizado.10. Los MOSFET difieren de los JFET en que la compuerta de un MOSFET

est aislada del canal por una capa de SiO2 .11. Un MOSFET de empobrecimiento puede operar con voltaje de compuerta a

fuente cero positivo o negativo.12. El MOSFET de enriquecimiento no tiene canal fsico.13. El IGBT tiene 3 compuertas el emisor, colector y compuerta.14. Se utiliza el IGBT en aplicaciones de conmutacin de alto voltaje.

formato revisado+trabajo

Documents