Transistores

TransistoresTransistores

Presentación por José Quiles Hoyo

ObjetivosObjetivos

• Entender la distribución y movimientos de carga en los transistores

• Conocer las estructuras, funcionamiento y características de los diferentes tipos de transistor

• Ser capaz de explicar les diferencias entre el transistor de unión, el JFET y el MOSFET

• Conocer algunas aplicaciones


• El transistor de unión– Polarización– El amplificador– Modelos

• El transistor de efecto campo– El JFET– El MOSFET– Circuitos lógicos, memorias, CCDs, TFTs

– Fundamentos físicos de la informática, cap. 10– L. Montoto, Fundamentos físicos de la informática y las comunicaciones,

Thomson, 2005– A.M. Criado, F. Frutos, Introducción a los fundamentos físicos de la informática,

Paraninfo, 1999






I---e-

-ColectorEmisor

Base

ColectorEmisor

Base

Colector Emisor Base

P N P

Colector Emisor Base

N P N

Base poco dopadaEmisor más dopado que colector

El transistor bipolar de unión (BJT)El transistor bipolar de unión (BJT)


p

r

E

pn

V V0

r

E

Unión no polarizadaUnión no polarizada


similar a dos diodos con polarización directa

p

r

E

pn

V V0

r

E

IE IB IC

IB + IC = IE

El transistor polarizado (saturación)El transistor polarizado (saturación)


p

r

E

pn

V

V0

r

E

IE = IC = IB = 0

similar a dos diodos con polarización inversa

El transistor polarizado (corte)El transistor polarizado (corte)


p

r

E

pn

r

E

(P) Emisor (P) Colector(N) Base

IE

IB

InB

IBB

InC

IpB

ICBC II β=

Transistor polarizado en forma activaTransistor polarizado en forma activa



IE

IB

InB

IBB

InC

IpB

IC

BC inversa puede conducir si BE directaLos huecos que se difunden de E a B llegan a C

β factor de gananciaBC II β=

Transistor polarizado en forma activaTransistor polarizado en forma activa



IE

IB

InB

IBB

InC

IpB

IB = -InC + IBB +InB IC = IpB - IBB + InCIE = IpB + InB

ICIpB, huecos que por difusión pasan del emisor a la base.

InB, electrones que pasan de la base al emisor.

IBB, electrones procedentes del circuito para cubrir las

recombinaciones.

InC, débil corriente de electrones del colector a la base.


Hay 4 variables que dependen el tipo de conexión:Vsalida , Ventrada , Isalida , Ientrada.

Base común

Variables:

VBE, VCB, IE, IC

E

B

C

Emisor común

Variables:

VBE, VCE, IB, IC

B

E

C B E

C

Colector común

Variables:

VCB, VCE, IB, IE

Configuraciones del transistorConfiguraciones del transistor


RC

VCCIB = 1 mA

VBB

RB

n

C

B p

n

IC = 99 mA

IE = 100 mAE100 %

99 %

1 %

99≅=βE

c

II

RC

RB

VBE VCCVBB

VCE

IC

IB

Configuración en emisor comúnConfiguración en emisor común

E

C

B


RC

RB

VBEVBB

VCE

IC

VCCE

C

B

Curva característica de entradaCurva característica de entrada

IB

VBE

IB

0,7 VVBE = VBB - IB RB

VBE ≈ 0,7 V


Curva característica de salidaCurva característica de salida

VCE (V)

IC

IB = 20 µA

IB = 40 µA

IB = 60 µA(mA)RC

RB

VBEVBB

VCE

IC

VCCE

C

B

IB

VCE = VCC - IC RC


Variables: VBE, VCE, IB, IC

RB

RC

+VCC

Vsalida

Ventrada

RC

RB

VBE VCCVBB

VCE

IC

IBVBE ≈ 0,7 V para silicio

IC = βIB

VBE = VBB - IB RB

VCE = VCC - IC RC

IC

IB

Emisor común: variablesEmisor común: variables


• En región activa : unión EB con polarización directa, BC con polarización inversa. Aplicación en amplificación.• En región de corte : las dos uniones polarizadas inversamente: circuito abierto.• En región de saturación : las dos uniones polarizadas directamente: cortocircuito.

IB = 0 µA

IB = 40 µA

IB = 20 µA

I C(

mA

)

VCE (V)

Región de saturación

Región activa

Región de corte

IB = 80 µA

IB = 60 µA

RCRB

VBEVCCVBB VCE

Ruptura

Curvas características del transistor CECurvas características del transistor CE


VBB (V) VCE (V) Ic (mA) IB (µA)0,7 10 0 00,8 9,375 0,625 6,250,9 8,75 1,25 12,5

1 8,125 1,875 18,751,2 6,875 3,125 31,251,4 5,625 4,375 43,751,6 4,375 5,625 56,251,8 3,125 6,875 68,75

2 1,875 8,125 81,252,2 0,625 9,375 93,752,3 0 10 100

VBE = -IB RB+ VBB

RC =1 kΩ

RB=16 kΩ

VBE VCC=10 VVBB = 2 V

VCE

IC

VCEVCC = 10 V

C

CC

RV

IB1

IB2

IB4

IB3

β = 100 VBE ≈ 0,7 V

VCE = VCC - IC RC = 10 - 8,125 = 1,875 V

A25,8116000

7,02 µ=−=−=B

BEBBB R

VVI

Ic = βIB = 8,125 mA

Q

Q

Q

Saturación

Corte

IC

IB

Reg

ión

activ

a

Línea de carga y punto de funcionamientoLínea de carga y punto de funcionamiento



VBE 0,7 V VCE (V) Ic (mA)

0 12,00 5,550 6,4501000 Ω 12 0,00

100 κΩβ 150

12 V

5 V

43,000 IB 43,00 µA 30,1 PEB 30,10 µW6,450 Ic 6,45 mA 35,7975 PCE 35,80 mW6,493 IE 6,49 mA PT 35,83 mW5,550 VCE 5,55 V4,850 VCB 4,85 V

VCC

VB

RB

RC

0

2

4

6

8

10

12

14

0 2 4 6 8 10 12 14

Vcc (V)Ic

(mA

)

43,00 µA 6,45 mA

6,49 mA

5,55 V

E

C

B


VCE = -IC RC+ VCC

IC

VCE

Q

O

VCE IC RC

VCC

C

CECCC R

VVI

−=

C

CC

RV

RCRB

VBEVCCVBB VCE

IB1

IB2

IB4

IB3



IC

VCE

IB1

IB2

IB4

IB3

RC

RB

VBE VCCVBBVCE

IC

IB

VCC

C

CC

RV

Punto de funcionamiento: IBPunto de funcionamiento: IB


IC

VCE

IB1

IB2

IB4

IB3

RC

RB

VBE VCCVBBVCE

IC

IB

VCC

1C

CC

RV

2C

CC

RV

3C

CC

RV

Punto de funcionamiento: RCPunto de funcionamiento: RC


IC

VCE

IB1

IB2

IB4

IB3

RC

RB

VBE VCCVBBVCE

IC

IB

VCC3

C

CC

RV 3

C

CC

RV 2

C

CC

RV 1

VCC2VCC1

Punto de funcionamiento: VCCPunto de funcionamiento: VCC


B E

B

C

IC

VCEVCC

Si VBB ↑, IB = ↑, IE ≈IC = VCC/RC

zona de saturación

cortocircuito CE VCE = 0

Si VBB = 0 o < 0,7 V, IB = 0,

IE ≈IC ≈ 0, VCE = VCC

Zona de corte

circuito abierto VCE = VCC

El transistor como conmutadorEl transistor como conmutador


VBB (V) VCE (V) Ic (mA) IB (µA)0,7 10 0 00,8 9,375 0,625 6,250,9 8,75 1,25 12,5

1 8,125 1,875 18,751,2 6,875 3,125 31,251,4 5,625 4,375 43,751,6 4,375 5,625 56,251,8 3,125 6,875 68,75

2 1,875 8,125 81,252,2 0,625 9,375 93,752,3 0 10 100

RB

RC

+VCC

Vsalida

Ventrada

Ventrada Vsalida

A Y

Y = not AINVERSOR

Circuito inversor simpleCircuito inversor simple


IE

IB

P

Emisor

P

Colector

N

Base

IC

RL

A

D

VEB V

E

B

C

gm : transconductancia

∆VAD = RL∆IC

∆(-IC) = gm ∆VEB

mLEB

AD gRVV =

∆∆

Transistor de unión: amplificadorTransistor de unión: amplificador


• Transistor de efecto campo de unión (JFET)

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

Transistores de efecto campoTransistores de efecto campo


n

Drenador D

Fuente S

Puerta Gp p

Región de agotamiento

Contactos óhmicos

Transistores de efecto de campo de unión (JFET)



D S

G

S D

G

n p n

n

p

p

a) b)

Canal n Canal p

Fuente Drenador

Puerta

+VDD

D

S

G

IG

VG

-VDD

D

S

G

IG

VG

Transistor de efecto campo de unión (JFET)Transistor de efecto campo de unión (JFET)


n

p

p

S

G

DIDID

VDD

ID

VDS

IDSS

VP Voltaje de estrechamiento

Al aumentar la tensión entre Drenador y Fuente VDS, la intensidad ID aumenta, al tiempo que se estrecha el pasillo debido al incremento de la de las uniones p-n y la ampliación de la región de agotamiento.El pasillo se cierra para VDS = VP; tensión para la que ID deja de aumentar.

Tra

nsis

tore

s de

efec

to d

e ca

mpo

de

unió

nT

rans

isto

res

de

efec

to d

e ca

mpo

de

unió

n


VDD VDD

n n p

pp

pS S

G G

D D

IDID IDID

VGS=0

Manteniendo nula la tensión entre la fuente y G, VGS, al aumentar la tensión entre Drenador y Fuente VDS, la intensidad ID aumenta, al tiempo que se estrecha el pasillo debido al incremento de la de las uniones p-n y la ampliación de la región de agotamiento .




VDD

n p

p

S

G

D

IDID

VDS

IDSSID

Región de comportamiento óhmico

Estrechamiento del canal, aumento de la resistencia

ParaVGS=0

VP

Voltaje de estrechamiento, VP

Al aumentar la tensión entre Drenador y Fuente VDS, la intensidad ID aumenta, al tiempo que se estrecha el pasillo debido al incremento de la de las uniones p-n y la ampliación de la región de agotamientoEl pasillo se cierra para VDS = VP

Corriente de saturación, IDSat

Estrechamiento del canalEstrechamiento del canal


VGS< 0

ID

VDD

nS

G

D

IDID

p

p

VDS

ID

VGS= -1 V

VGS= -3 V

VGS= 0 V

VP (para VGS=0)

2

1

−=

P

GSDSSDsat V

VII

IDSat3

VGS= -VP

Con valores negativos de VGS el pasillo se cierra antes, siendo la corriente de saturación menor

VP

IDSS

IDSat2

IDSat1

Estrechamiento del canalEstrechamiento del canal


VDS (V)

ID (mA)

VGS= -1 V

VGS= -2 V

VGS= 0 V

2

518,7

−= GSDsat

VI

IDSS

VGS= -VP

S

GD

5 10 15

1

5

VP = 5 V

-2-4 0VGS (V) -5 -3 -1

VP

VGS= -3 V

Intensidad de saturación IDS=f(VGS)Intensidad de saturación IDS=f(VGS)


D

G sustraton

S

D

G sustratop

S

D

G sustraton

S

D

G sustratop

S

DS G

np

n

DS G

np

n

Metal

Óxido

Semiconductor

Metal

de enriquecimiento de agotamiento

pMOS-FETde enriquecimiento

nMOS-FETde enriquecimiento

pMOS-FETde agotamiento

nMOS-FETde agotamiento

Formado por una placa de metal y un semiconductor, separados por una zona de óxido del semiconductor -por ejemplo SiO2 - de unos 100 nm de espesor. Posee cuatro electrodos:

•Compuerta, gate en inglés, simbolizado con G; que se conecta a la placa metálica. •Fuente (Source) y drenador (Drain), ambos simétricos, que se internan en el sustrato. •Sustrato (Body), generalmente conectado eléctricamente con la fuente.

Tra

nsis

tor

de

efec

to c

ampo

met

al-

óxid

o-se

mic

onduc

tor

(MO

SF

ET

)T

rans

isto

r de

efec

to c

ampo

met

al-

óxid

o-se

mic

onduc

tor

(MO

SF

ET

)


p

D

G

n n

SiO2S

Contactos metálicos

D

G sustrato

p

S

MOSFET de enriquecimiento nMOSFET de enriquecimiento n


p

S D

G

VDS

+++++++++++++

n n

e- atraídos por la puerta +VGS>VT

ID

Región de agotamiento

D

G sustrato

p

S

- - - - - - - - - - - - - - - - -

Formación del canal en el MOSFET de enriquecimiento n



D

G sustrato

p

S

p

S D

G

VDS

+++++++++++++

n n

VGS>VT

ID

- - - - - - - - - - - - - - - - -

Al aumentar VDS, se estrecha el canal, alcanzándose la I de saturación, IDS




Car

acte

ríst

ica

MO

SF

ET

de

enri

quec

imie

nto

de

cana

l n

VDS

ID (mA)

VGS= 4 V

VGS= 6 V

VGS= 5 V

VGS= VT

En ausencia de canal para VGS = 0, no hay corriente ID. Es necesario un valor mínimo de voltaje umbral VT positivo de VGS para que se forme el canal.Aumentando VGS aumenta el valor de la corriente de saturación

VGS= 7 V

2)( TGSSatD VVKI −=

53 7

ID (mA)

VGS (V)1 2 4 6 8

VT

n+

p

GS D

+ VD

- - - - - - - -- - - - - - - - -

+ VG

+ + + + + +

n+

p

GS D

+ VDS=VDsat

n+n+ - - - - - - - - -- - - - - - - - -+ + + + +

n+ n+

p

GS D

+ VDS+ VG


p

S D

G

n nn

D

G sustrato

p

S

MOSFET de agotamiento nMOSFET de agotamiento n


p VDS

n n

VGS = 0ID

Con VGS=0 ya existe canal y los e- del canal son atraídos por D

S D

G

D

G sustrato

p

S

- - - - - - - - - - - - - - - - -n



D

G sustrato

p

S

p VDS

VGS < 0ID

n

S D

G -

— — — — — —

- - - - - - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + + + + + + +n n- - - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + +

Con VGS<0, los e- del canal son repelidos hacia la zona p, recombinándose con huecos. La corriente de saturación disminuye.


Presentación por José Quiles HoyoCar

acte

ríst

ica

MO

SF

ET

de

agot

amie

nto

de

cana

l n

Car

acte

ríst

ica

MO

SF

ET

de

agot

amie

nto

de

cana

l n

VDS (V)

ID (mA)

VGS= -3 V

VGS= -2 V

VGS= -1 V

VGS= 0 V

VGS= 1 V

5 10 15

2

1

−=

p

GSDSSD V

VII

2

418

−= GSD

VI

5

10

D

G sustrato

p

S

n+

n+

p

GS D+ VDS

n

VGS (V)-3 -2 -1 0 1

VP

5

10

IDSS

ID (mA)

-4

- VG

- - - - - - -

n+

p

GS D

+ VDS=VDsat

n+

- - - - - - - - -- - - - - - - - -


Aplicaciones: circuitos lógicospuertas AND y OR, lógica de diodos

Aplicaciones: circuitos lógicospuertas AND y OR, lógica de diodos

1N914

1N914

A

B

R

Vs

10 V

Puerta “AND” con diodos

Vs

R

Puerta “OR” con diodos


1950: Abandono de las válvulas de vacío y sustitución por transistores individuales

1960: Circuitos integrados en sustrato de silicio

1980: Transistores de efecto campo

1993: Tecnología CMOS

Del vacío al CMOSDel vacío al CMOS


Inversor (NOT)

Aplicaciones: circuitos lógicostecnología CMOS

Aplicaciones: circuitos lógicostecnología CMOS


G

D

S

FILA

BIT Se almacena un “1” en la celda cargando el condensador mediante una VG en fila y VD en bit

La lectura se hace aplicando VG en fila y midiendo la corriente en la línea bit

La lectura es un proceso destructivo. Hay que restaurar el valor leído

SRAM

DRAM

Aplicaciones: memorias RAMAplicaciones: memorias RAM


EPROM

MOSFET ROM

Aplicaciones: memorias ROMAplicaciones: memorias ROM


CCD

CMOS sensor

Aplicaciones: CCDAplicaciones: CCD


Estructura DRAM con celda

LCD i LEDRGB

Aplicaciones: TFTAplicaciones: TFT

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