Diseño Electrónico I

RESUMEN

En este informe se consolida el aspecto teórico de los montajes básicos y el análisis en DC de los transistores de efecto de campo (FET), realizado a partir del estudio de los mismos dispositivos, con el fin de desarrollar habilidades y competencias en el estudiante para el análisis, elaboración, cálculos y diseño de circuitos amplificadores o conmutadores, y capacidad para el manejo de estos semiconductores, tanto en el siguiente nivel de Diseño Electrónico, como para asignaturas afines. Del tema estudiado se evidencia un método que le compete al estudiante de electrónica como pedagogo, para llevarlo a cabo, así como la adquisición de este conocimiento, fundamental para el desempeño docente así como disciplinar.

Palabras Clave— Transistor, FET, análisis, diseño, docente.

OBJETIVOS

Generar adquisición del conocimiento sobre los transistores de efecto de campo FET.

Reconocer los tipos de estos dispositivos semiconductores, así como su análisis en DC.

Elaborar una propuesta pedagógica para la explicación del tema base de este informe.

Preparar al estudiante al estudio de este tema para las asignaturas afines.

I. INTRODUCCIÓN

entro del análisis de dispositivos semiconductores, podemos notar que los transistores de juntura bipolar

(BJT) se presentan dentro de la electrónica como elementos útiles para diferentes aplicaciones. No obstante, estos mismos presentan algunos inconvenientes lo cuales limitan su utilización dentro de la industria; esos factores pueden ser la sensibilidad y el ruido que generan. Por ello, aparece un transistor el cual, aparte de eliminar estas fallas, será tan útil en la electrónica, a tal punto de generar grandes ganancias en la salida del dispositivo, un factor de calidad más fiable y demás que no puede lograr el BJT. Los transistores de efecto de campo, al igual que los de juntura bipolar, son dispositivos semiconductores que regula el paso de corriente a través del dispositivo, por medio de un campo eléctrico que se genera al aplicársele una señal de entrada al transistor. También posee la característica de ser un transistor unipolar (para diferenciarlo del BJT) por el hecho de que un tipo de portadores controlan su funcionamiento. Al igual que los

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BJT, los FET se presentan en dos tipos, NPN y PNP. Si se trata de aspectos particulares, los FET poseen características que les genera ventaja respecto a los BJT, tales como: poseen una altísima impedancia de entrada (del orden de los megaohms), por ello son útiles en amplificadores multietapa; su fabricación no requiere mayor complejidad como los de juntura bipolar y por ello son los que se encuentran en gran variedad en los circuitos integrados, etc.Cuando se genera un voltaje entre el drenaje y la fuente (VDS) se forma una corriente en la terminal de drenaje, que es dependiente de la resistencia de la misma terminal. Caso contrario si se aplica un voltaje VGS negativo, por lo cual el canal se polariza inversamente, lo que el voltaje en la compuerta es 0. El voltaje de la compuerta (G) es negativo, este repele las cargas del drenaje, lo que hace que la corriente en esa terminal disminuya, lo cual hace que se genere un control de voltaje (si aumenta o disminuye) VGS, que regula la polarización del circuito.

En el FET la relación entre ID y VGS está dada por la ecuación de Schotkley:

ID = IDSS (1 - (VGS/VP))²

IDSS y VP son constantes características de cada tipo o referencia de transistor, se obtienen en las hojas de especificaciones del fabricante. Más adelante se dan los modelos

de polarización del FET como JFET y MOSFET.

En la electrónica, las aplicaciones más comunes de los FET son los amplificadores, y gracias a sus características. Se puede encontrar en estos transistores una alta impedancia de entrada, lo cual hace que la corriente que pase por la compuerta sea IG=0. A lo largo del informe se presenta las ecuaciones características de polarización de los transistores FET, tanto los de unión como los metalóxidosemiconductores.

II.TIPOS

En la industria, se presentan dos tipos de transistores de efecto de campo: los transistores de efecto de campo de unión o juntura (JFET) y los transistores de metal óxido semiconductor de efecto de campo (MOSFET), los cuales se explican a continuación.

Transistores de efecto de campo (FET). Tipos y montajes básicos: Circuitos en DC

Christian Bastidas, Andrés David Ramírez y Sebastián Torres Muñoz

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Transistor de efecto de campo de unión (JFET)

O simplemente llamados FET, son una compleja gama de transistores que controlan o regulan el paso de corriente en un canal del mismo dispositivo por medio del campo eléctrico que generan. Los FET pueden plantearse como resistencias controladas por diferencia de potencial. Físicamente, el JFET, formado por un semiconductor tipo P posee tres terminales: la puerta (gate), que es la equivalencia a la base de un transistor BJT, y dos pines de salida: drenador (drain) y fuente (source). Al igual que el transistor bipolar, el FET también actúa como conmutador controlado por voltaje, el cual el mismo, aplicado a la puerta restringe el paso de intensidad entre las otras terminales. Al aplicársele un voltaje positivo o en polarización inversa entre la terminal G (compuerta) y S (fuente), las zonas de material N en las cuales se crean a su alrededor, unas zonas (llamadas de exclusión) en las cuales el paso de electrones en la terminal D queda limitado. Si el valor de este voltaje VGS supera un valor determinado, la corriente que circula en la terminal de fuente y drenaje se corta definitivamente, debido a la máxima extensión de las zonas de exclusión. Este valor de voltaje VGS se le conoce como Vp. En un JFET, las zonas de dopaje p se invierten con las zonas n, haciendo que los valores tanto VGS como Vp sean positivos, y cuyos valores máximos de este último voltaje hace que se corte el flujo de corriente. Como el BJT, los JFET presentan zonas de trabajo características de estos fenómenos. Tal cómo es el voltaje VBE en un BJT, tenemos el VGS que determina el punto de operación. Según su valor, se definen dos áreas de trabajo: una zona activa, para valores mayores que Vp, pero negativos, y una zona de corte para valores menores de Vp negativo. Los valores de ID (variable) en función de VGS vienen dados por las curva característica o una ecuación conocida como de entrada. Cuando opera en la región activa, y se permite el paso de corriente, la salida del JFET se dará por la corriente en drenaje ID, al igual que una tensión entre este mismo y la fuente (VDS). Esto permite el planteamiento de una característica de salida la cual viene con su ecuación. En esta salida (siendo activa) se distinguen dos tipos de zonas de funcionamiento: óhmica y de saturación.

Por esto, el JFET es un dispositivo controlado por tensión y no por corriente. Casi todos los electrones que pasan a través del canal creado entre las zonas de deplexión van al drenaje, por lo que la corriente de drenaje es igual a la corriente de

fuente  .

Se conocen como características estáticas de JFET las representaciones gráficas de las funciones Id=f(Vds) tomando Vgs como parámetro (características de salida) e    Id = f(Vgs), tomando Vds como parámetro (característica de transconductancia), dado que Id, Vgs y Vds son las tres variables que intervienen en el estudio del JFET.

Para valores de Vds próximos a 0, el JFET se comporta como una resistencia controlable por Vgs. Mientras que Vgs < Vp (Vp es la tensión para la cual el dispositivo se limita), el dispositivo se comportará como una resistencia la cual estará determinada precisamente por esta inecuación Vgs < Vp, durante esta transición el JFET estará en región ohmica, en el momento en el que  Vgs sea igual que Vp el transistor estará cortado, si ahora aplicamos una tensión Vds > 0 o Vds > Vp al no existir canal efectivo para la conducción de portadores no circulará corriente Id=0 y el JFET que esta en CORTE.

Partiendo de Vgs = 0, el dispositivo estará totalmente abierto, el JFET se comportará como una resistencia semiconductora, la corriente Id estará en función lineal con la tensión Vds aplicada (siempre pequeña para no entrar en saturación). Conforme Vgs valla en aumento (se haga mas negativa), el canal irá recortándose poco a poco mientras la resistencia va aumentando.

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Si Vgs = 0, con un valor Vds apreciable, se producirá una polarización inversa de la unión P-N del dispositivo y en consecuencia un estrechamiento del canal. Se estrecha mas la región próxima al drenador pues la caída óhmica del canal no es uniforme y es en este punto donde el potencial es más elevado. Cuando Vds alcance Vp el transistor quedará saturado y la corriente a partir de este instante permanecerá constante.

Partiendo ahora con Vp <Vgs<0 y Vds>0, Si vamos aumentando la tensión negativa Vds hasta alcanzar la saturación el dispositivo pasará por diferentes estados, (región ohmica y saturación). Si además seguimos aumentado Vds hasta el valor que el fabricante del dispositivo haya determinado con anterioridad como el de ruptura, puesto que toda unión P-N tiene un valor de ruptura Vds>>>Vp  ó  Vds < BVds + Vgs, el FET de unión alcanzara la  región de ruptura.

Transistor de efecto de campo de metal óxido semiconductor (MOSFET)

MOSFET significa "FET de Metal Oxido Semiconductor" o FET de compuerta aislada, es un arreglo de cientos de transistores integrados en un sustrato de silicio. Cada uno entrega una parte a la corriente total.Uno de los motivos que impulsó su desarrollo es que los transistores bipolares presentan limitaciones. Es un dispositivo controlado por tensión, Es un dispositivo extremadamente veloz en virtud a la pequeña corriente necesaria para estrangular o liberar el canal. Por esta facultad se los usa ampliamente en conmutación. Su velocidad permite diseñar etapas con grandes anchos de banda minimizando, así, lo que se denomina distorsión por fase.

La característica constructiva común a todos los tipos de transistor MOS es que el terminal de puerta (G) está formado por una estructura de tipo Metal/Óxido/Semiconductor. El óxido es aislante, con lo que la corriente de puerta es prácticamente nula, mucho menor que en los JFET. Por ello, los MOS se emplean para tratar señales de muy baja potencia.

Tiene una versión NPN y otra PNP. El NPN es llamado MOSFET de canal N y el PNP es llamado MOSFET de canal P, En el MOSFET de canal N la parte "N" está conectado a la fuente (source) y al drenaje (drain)En el MOSFET de canal P la parte "P" está conectado a la fuente (source) y al drenaje (drain):

PRINCIPIO DE OPERACION

Tanto en el MOSFET de canal N o el de canal P, cuando no se aplica tensión en la compuerta no hay flujo de corriente entre en drenaje (Drain) y la fuente (Source)

Para que circule corriente en un MOSFET de canal N una tensión positiva se debe aplicar en la compuerta. Así los electrones del canal N de la fuente (source) y el drenaje (Drain) son atraídos a la compuerta (Gate) y pasan por el canal P entre ellos.

El movimiento de estos electrones, crea las condiciones para que aparezca un puente para los electrones entre el drenaje y la fuente. La amplitud o anchura de este puente (y la cantidad de corriente) depende o es controlada por la tensión aplicada a la compuerta.

En el caso del MOSFET de canal P, se da una situación similar. Cuando se aplica una tensión negativa en la compuerta, los huecos (ausencia de electrones) del canal P del drenaje y de la fuente son atraídos hacia la compuerta y pasan a través del canal N que hay entre ellos, creando un puente entre drenaje y fuente. La amplitud o anchura del puente (y la cantidad de corriente) depende de la tensión aplicada a la compuerta.

Debido a la delgada capa de óxido que hay entre la compuerta y el semiconductor, no hay corriente por la compuerta. La corriente que circula entre drenaje y fuente es controlada por la tensión aplicada a la compuerta.

DISEÑOS

Los presentes son algunos diseños que presentan diversas configuraciones de polarizaciones de FET y MOSFET, evidenciando también sus respectivas ecuaciones tanto en entrada como en salida; entre estas configuraciones tenemos.

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JFET con polarización fija:

En esta polarización para la malla de entrada tenemos que la unión de la compuerta y la fuente se encuentran inversamente polarizadas y por eso iG es 0. Entonces tenemos:

-VGG = iGRG + VGs

VGs = -VGG

Para la salida:

iD = - VDs/RD + VDD/RDVDD = iDRD + VDs

JFET con autopolarización:

En este tipo de polarización es indispensable usar una resistencia en la fuente

iGRG + VGs + RsiD = 0iD = - VGs/Rs

Para la salida:

VDD = VDs + iDRD + iDRs

MOSFET tipo decrementalEstos presentan características de JFET en corte y la saturación para IDss. Pero posteriormente a esto presentan características que tienden a la región de polaridad opuesta para VGs.

“voltaje de polarización fija”

Este tipo de polarización se da en 2 canales (n y p).

VGSQ = + VGG

VDS = VDD - IDRS

“mediante divisor de voltaje”

VTH = VDD (R2/R1+R2)

RTH = R1R2/R1+R2

Para la entrada iG = 0

VTH = VGs + RsiD

iD = - 1/Rs VGs + VTH/Rs

para la salida:

VDs = VDD –(Rs + RD)iD

MOSFET de tipo incremental

Retroalimentación:

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VGsq = Vds

VDs = VDD – iD Rs

Divisor de voltaje

Vg = R2 VDD/(R1 + R2)

VGs = VG – iDRs

REFERENCIAS

[1] Sedra & Smith. Microelectronics Circuits. Oxford University Press.

[2] Schilling y Belove. Circuitos Electrónicos Discretos e Integrados. Marcombo.

[3] Horenstein, Mark. Microelectrónica: Circuitos y Dispositivos. Prentice Hall.

[4] Martínez, Demetrio. Guías de Laboratorio Electrónica Análoga I. Universidad Nacional de Colombia

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