Transistores

1. Transistores

2. Objetivos • 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

3. 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 Transistores

5. Transistores

6. - - - El transistor bipolar de unión (BJT) Colector Emisor Base - I e- Colector Emisor Base Base poco dopada Emisor más dopado que colector

7. Unión no polarizada p n p r E r E V0 V

8. El transistor polarizado (saturación) p p n I I I C E B r r E E V V 0 + = I I I B C E similar a dos diodos con polarización directa

9. El transistor polarizado (corte) p p n r E r E V IE = IC = IB = 0 V0 similar a dos diodos con polarización inversa

10. Transistor polarizado en forma activa (P) Emisor (N) Base (P) Colector I pB I I E C I I nB nC I BB I B

11. Transistor polarizado en forma activa (P) Emisor (N) Base (P) Colector I pB I I E C I I nB nC I BB I B BC inversa puede conducir si BE directa Los huecos que se difunden de E a B llegan a C bfactor de ganancia

12. IE (P) Emisor (N) Base (P) Colector IpB, huecos que por difusión pasan del emisor a la base. IpB IC InB InC IBB InB, electrones que pasan de la base al emisor. IB InC, débil corriente de electrones del colector a la base. IBB, electrones procedentes del circuito para cubrir las recombinaciones. IE = IpB + InB IB = -InC + IBB +InB IC = IpB - IBB + InC

13. E C E B C B C E B Configuraciones del transistor Hay 4 variables que dependen el tipo de conexión:Vsalida, Ventrada, Isalida, Ientrada. Colector común Variables: VCB, VCE, IB, IE Base común Variables: VBE, VCB, IE, IC Emisor común Variables: VBE, VCE, IB, IC

14. Configuración en emisor común IC = 99 mA RC C C RB B n IC RC VCE IB VBE VCC VBB RB E 99 % p B 1 % VCC IB = 1 mA n VBB 100 % E IE = 100 mA

15. Curva característica de entrada IB RC C RB B IC VCE IB VCC VBE VBB E VBE 0,7 V VBE = VBB - IB RB VBE0,7 V

16. Curva característica de salida IC RC (mA) IB = 60 µA C RB B IC IB = 40 µA VCE IB IB = 20 µA VCC VBE VBB E VCE(V) VCE = VCC - IC RC

17. Emisor común: variables RC Variables: VBE, VCE, IB, IC RB IC VCE VBE 0,7 V para silicio IB VBE VCC VBB VBE = VBB - IB RB +VCC IC IC = bIB RC RB Vsalida VCE = VCC - IC RC IB Ventrada

18. RC RB VCC VBB VCE VBE Curvas características del transistor CE IB = 80 µA  Región de saturación   „ IC ( mA)  Región activa IB = 60 µA  Región de corte IB = 40 µA „Ruptura IB = 20 µA IB = 0 µA  VCE (V) • 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.

19. Línea de carga y punto de funcionamiento VBE 0,7 V b = 100 RC=1 kW VBE = -IB RB+ VBB RB=16 kW IC VBB= 2 V VCE IB VBE VCC=10 V Ic = bIB = 8,125 mA IC VCE = VCC - IC RC= 10 - 8,125 = 1,875 V Q IB4 Q Corte IB3 Región activa IB2 línea de carga Saturación IB1 Q VCE VCC = 10 V

20. Línea de carga y punto de funcionamiento

21. Línea de carga y punto de funcionamiento RC RB IC VCC VBB VCE VBE IB4 VCE = -IC RC+ VCC IB3 Q IB2 línea de carga IB1 O VCC VCE VCE IC RC

22. Punto de funcionamiento: IB IC IB4 RC IB3 RB IC VCE IB2 IB VBE VCC VBB IB1 VCE VCC

23. Punto de funcionamiento: RC IC IB4 RC IB3 RB IC VCE IB2 IB VBE VCC VBB IB1 VCE VCC

24. Punto de funcionamiento: VCC IC IB4 RC IB3 RB IC VCE IB2 IB VBE VCC VBB IB1 VCE VCC1 VCC2 VCC3

25. C B E B El transistor como conmutador Si VBB, IB= , IEIC = VCC/RC zona de saturación cortocircuito CE VCE= 0 IC Si VBB= 0 o < 0,7 V, IB = 0, IEIC  0, VCE = VCC Zona de corte circuito abiertoVCE= VCC VCC VCE

26. Y = not A INVERSOR A Y Circuito inversor simple +VCC RC RB Vsalida Ventrada Ventrada Vsalida

27. Transistor de unión: amplificador IE IC P Emisor N Base P Colector A C E B IB RL D VEB V DVAD = RLDIC (-IC) = gm VEB gm: transconductancia

28. Transistores de efecto campo • Transistor de efecto campo de unión (JFET) • Transistor de efecto campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET)

29. Transistores de efecto de campo de unión (JFET) Contactos óhmicos Drenador D n Región de agotamiento p p Puerta G Fuente S

30. Transistor de efecto campo de unión (JFET) Puerta Drenador Fuente -VDD +VDD IG IG D D G G VG VG S S Canal n Canal p

31. Transistores de efecto de campo de unión n p D ID ID S p VDD G ID IDSS 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. Voltaje de estrechamiento VP VDS

32. Transistores de efecto de campo de unión (JFET) D D p p ID n n ID ID S ID S p VDD p VDD VGS=0 G G 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 .

33. Estrechamiento del canal D ParaVGS=0 p n ID S ID Corriente de saturación, IDSat VDD p ID IDSS Estrechamiento del canal, aumento de la resistencia G 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 Región de comportamiento óhmico Voltaje de estrechamiento, VP VDS VP

34. Estrechamiento del canal D Con valores negativos de VGSel pasillo se cierra antes, siendo la corriente de saturación menor p n ID ID S ID VDD p G IDSS ID VGS= 0 V VGS< 0 IDSat3 VGS= -1 V IDSat2 VGS= -3 V IDSat1 VGS= -VP VDS VP(para VGS=0) VP

35. Intensidad de saturación IDS=f(VGS) D G S ID (mA) IDSS VGS= 0 V 5 VGS= -1 V VGS= -2 V VP 1 VGS= -3 V VDS (V) VGS (V) 5 10 15 -5 -4 -3 -2 -1 0 VP = 5 V VGS= -VP

36. Transistor de efecto campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET) Metal Óxido Semiconductor Metal S G D S G D n n n n p p de enriquecimiento de 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. D D D D G G G G sustrato sustrato sustrato sustrato p n p n nMOS-FETde enriquecimiento pMOS-FETde enriquecimiento nMOS-FETde agotamiento pMOS-FETde agotamiento S S S S

37. D G sustrato p S MOSFET de enriquecimiento n G Contactos metálicos D S SiO2 n n p

38. D G sustrato p S Formación del canal en el MOSFET de enriquecimiento n G VGS>VT e- atraídos por la puerta + ID S +++++++++++++ D - - - - - - - - - - - - - - - - - n n VDS p Región de agotamiento

39. D G sustrato p S Formación del canal en el MOSFET de enriquecimiento n G VGS>VT ID S +++++++++++++ D - - - - - - - - - - - - - - - - - n n VDS p Al aumentar VDS, se estrecha el canal, alcanzándose la I de saturación, IDS

40. + VG + VG + VDS=VDsat + VDS G D G D S S + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - n+ n+ n+ n+ p p ID (mA) VT 1 2 3 4 5 6 7 8 VGS (V) En ausencia de canal para VGS = 0, no hay corriente ID. Es necesario un valor mínimo de voltajeumbral VT positivo de VGSpara que se forme el canal. Aumentando VGSaumenta el valor de la corriente de saturación + VD G S D n+ n+ p Característica MOSFET de enriquecimiento de canal n ID (mA) VGS= 7 V VGS= 6 V VGS= 5 V VGS= 4 V VGS= VT VDS

41. D G sustrato p S MOSFET de agotamiento n G S D n n n p

42. D G sustrato p S MOSFET de agotamiento n G VGS = 0 ID S D n - - - - - - - - - - - - - - - - - n n VDS p Con VGS=0 ya existe canal y los e- del canal son atraídos por D

43. D G sustrato p S - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + MOSFET de agotamiento n G - VGS < 0 ID S — — — — — — D n n n VDS p Con VGS<0, los e- del canal son repelidos hacia la zona p, recombinándose con huecos. La corriente de saturación disminuye.

44. + VDS=VDsat - VG G D S - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - D G sustrato p S n+ n+ p ID (mA) 10 IDSS 5 VP VGS (V) -4 -3 -2 -1 0 1 Característica MOSFET de agotamiento de canal n + VDS G S D n n+ n+ p ID (mA) VGS= 1 V 10 VGS= 0 V 5 VGS= -1 V VGS= -2 V VGS= -3 V VDS (V) 5 10 15

45. Aplicaciones: circuitos lógicospuertas AND y OR, lógica de diodos Puerta “OR” con diodos Puerta “AND” con diodos 10 V A Vs Vs B R R 1N914 1N914

46. Del vacío al CMOS 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

47. Aplicaciones: circuitos lógicostecnología CMOS Inversor (NOT)

48. BIT D G S FILA Aplicaciones: memorias RAM DRAM 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

49. Aplicaciones: memorias ROM EPROM MOSFET ROM

50. Aplicaciones: CCD CMOS sensor CCD