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| Transistor de efecto de campo |
Conceptos:
Los transistores de efecto de campo (FET), son dispositivos de estado sólido en los cuales un campo eléctrico controla el flujo de portadores en un "canal'' (channel) de conductor en un material smiconductor. los FETs tienen tres terminales denominados puerta (gate), drenador (drain) y fuente (source).
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| Figura 1. Estructura fisica simplificada (izquierda) y Simbologia circuital (derecha). |
Los FET, pueden plantearse como resistencias controladas por voltaje y al igual que los bipolares (BJT) pueden funcionar como fuentes dependientes de corriente (amplificadores, electronica analógica) o como interruptores controlados (electrónica digital). Sin embargo los FETs suelen dar lugar a circuitos mas sencillos debido a que ocupan menos espacio que los BJT. Por otra parte su resistencia de entrada es elevada y consume poca pontecia, siendo utilizados en los circuitos integrados.
También se usan en circuitos de alta frecuencia (microondas), especialmente los MESFET de arseniuro de galio, los cuales tienen un tiempo de respuesta rápida debido a la alta movilidad de los electrones en este material.
Una desventaja de los FETs con respecto a los BJT es su menor ganancia de amplicación. A diferencia de los BJT, los FETs son unipolares debido a que utilizan un solo tipo de carga para transportar la corriente.
Clasificación de los FETs:
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| Tabla 1. Clasificación de los transistores de efecto de campo |
Transistor de efecto de campo de unión (JFET).
En la figura 2 se representa la construcción básica de un
JFET de canal n. Se observa como la mayor parte de la estructura es de material
tipo n ligeramente dopado formando un canal en ambos extremos (terminales de
Drenador y de Fuente). Este canal se encuentra entre dos regiones de compuesta
tipo p+ (fuertemente dopado) que constituyen los terminales de la compuesta.
En algunos casos los dos terminales de puerta están
accesibles (JFET de doble puerta) aunque lo más habitual es que ambos
terminales estén cortocircuitados teniendo un único terminal de puerta
(dispositivo de tres terminales). En ausencia de potencial aplicado, las dos
uniones p-n que aparecen están sin polarizar. El resultado es una región de
vaciamiento o zona de deplexión, la cual es una región en donde no existen
portadores de carga.
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Figura 2. Estructura Básica del JFET canal n. (a) JFET de
doble puerta. (b) JFET de tres terminales.
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Los terminales de un JFET son los siguientes:
D = Drenador: (Drain).
Terminal por el que salen los portadores (los electrones en el JFET de canal n
y los huecos del canal p).
S = Fuente: (Source).
Terminal por el que entran los portadores de carga.
G = Puerta (Gate):
Terminal que controla la corriente de portadores a través del canal.
Al hablar del JFET se hará el estudio del JFET de canal n,
para el caso del JFET de canal p el estudio sería completamente análogo y en el
momento de hacer referencia a ellos se especificará que se trata de un JFET
canal p.
Para
explicar el funcionamiento del transistor JFET se aplican las tensiones 
y 
, así como se muestra en la figura 2.2.a. Si se considera la tensión 
y se
aplica tensión entre
los extremos del canal aumentando su valor desde 0. Inicialmente los terminales
de fuente y puerta están al mismo potencial, por tanto la zona de deplexión del
lado de la fuente y puerta están al mismo potencial, por lo tanto la zona de
deplexión del lado de la fuente será semejante a la que tiene en condiciones de
no polarización. Cuando se aplique una tensión entre los extremos del canal aumentando su valor desde 0. Inicialmente los terminales de fuente y puerta están al mismo potencial, por tanto la zona de deplexión del lado de la fuente y puerta están al mismo potencial, por lo tanto la zona de deplexión del lado de la fuente será semejante a la que tiene en condiciones de no polarización. Cuando se aplique una tensión , los
electrones se verán atraídos hacia el lado del drenador, estableciéndose una
corriente 
en el
sentido mostrado en la figura 2.3. Bajo estas condiciones las corrientes e 
serán iguales y se verán únicamente
limitadas por la resistencia eléctrica que presenta el canal entre el drenador
y la fuente. Es importante notar que ambas uniones p-n se encuentran
polarizadas en inverso, con lo cual la corriente será prácticamente nula.
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Figura 3. Polarización del JFET
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Cuando
se aplica una tensión , las uniones p-n están más inversamente
polarizadas en la zona del drenador que en la zona de la fuente, por ende,
anchura efectivamente del canal será menor en la parte del drenador que en la
parte de la fuente. (ver figura 4).
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Figura 4. Efecto de la tensión
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Para
valores pequeños de la tensión , aplicada el estrechamiento del canal no
será importante, por lo que el dispositivo se comporta como una resistencia, de
forma que la relación entre la tensión aplicada y la corriente que circula por
el dispositivo será lineal, tal y como establece la Ley de Ohm. Sin embargo,
a medida que se aumenta la tensión aplicada, el estrechamiento de canal se va
haciendo más importante, aumentando la resistencia con un menor incremento en
la corriente ante un mismo incremento de la tensión de la tensión aplicada.
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| Figura 5.. Características |
En la
figura 5 se aprecia la característica vs del
JFET canal n 
, , en
esta figura se puede observar que si se continúa aumentando la tensión 
, el
canal se estrecha cada vez más, especialmente cerca de la zona del drenador,
hasta que ambas zonas de deplexión se tocan. La pendiente de la curva (
) se
satura, haciéndose aproximadamente cero, manteniéndose la corriente 
prácticamente
constante a un valor denominado 
que es la máxima corriente que se puede
tener para un determinado JFET.
En la
figura 5 se muestra diversas curvas cuando el JFET está trabajando en la
región óhmica. Si 
, para
valores de 
, las
uniones p-n están polarizadas inversamente. Una polarización inversa de dichas
uniones incrementa el ancho de la zona de deplexión disminuyendo la anchura
efectiva del canal n. Por tanto la resistencia del canal aumenta, de manera que
en la zona de comportamiento óhmico, es decir, para valores pequeños de la
tensión aplicada
donde la relación es
lineal, la pendiente será tanto menor cuanto más negativa sea 
.
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Figura 6. La tensión |
En la
figura 6 se puede observar el efecto que se produce cuando 
. Para tensiones suficientemente
negativas, podría llegar a cerrar por completo el canal, aún cuando 
. Esto
sucede cuando la tensión disminuye
por debajo del valor 
(voltaje
de estrechamiento) que indica el valor de tensión por debajo del cual el canal
está completamente cerrado sin posibilidad de circulación de corriente por
mucho que se aumente la corriente (Salvo que dicha tensión sea lo
suficientemente elevada para perforar las uniones p-n polarizadas en inverso y
alcanzar la zona de ruptura).
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| Figura 7. La tensión |
 |
(b)
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Figura 8. Características
ideales de un JFET de canal n.
(a) Características de salida. (b)
Características de transferencia.
En la figura 8 a se representan las
curvas características de salida para un JFET de canal n.
En esta figura se representa la corriente de drenador,
frente
a la tensión drenador-fuente, , para
distintos valores de la tensión puerta – fuente, . El
valor de la tensión para
el que se produce la saturación de la corriente de drenador cuando 
, está
representado  "V_P(\ V_{GSoff})")
.
Para
otros valores de el
valor de la tensión para
el que se producirá la saturación de la corriente de drenador vendrá dado por
la expresión 
. Es
decir, cuando más negativa sea la tensión antes
se alcanzará la condición de saturación, o de otra forma, el canal se “estrangulará”
para valores menores de la tensión 
Se pueden distinguir cuatro zonas de
operación:
- Zona de corte o de no conducción: No existe corriente de drenador,
.
- Zona
óhmica o de no saturación:
- Zona
de saturación o de corriente constante:
- Zona de ruptura: Se alcanzó la tensión de ruptura, (característico de cada unión y que suele ser proporcionado por el fabricante en sus hojas de características) la unión se perfora, produciéndose la ruptura del dispositivo.
La
forma gráfica de la corriente de salida y el
voltaje de entrada recibe
el nombre de curva de transferencia y se muestra en la figura 2.7.b. El término
cuadrático presente en la ecuación de , para
el estado activo, (ver table 2) dará por resultado una relación no lineal
entre y .
Tabla
2. Funcionamiento para JFET canal n. Ecuación de según
su estado.
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Transistores de metal-oxido semiconductor de efecto campo (MOSFET)
MOSFET de enriquecimiento o acumulación.
El MOSFET de enriquecimiento está formado
por una zona de material semiconductor tipo p en la que aparecen dos zonas tipo
n+ con contactos metálicos a los terminales de drenador y fuente (ver figura 9). El terminal de puerta está aislado con una capa de material aislante, en
este caso óxido de silicio. Es precisamente debido a esta estructura de donde
le viene el nombre al dispositivo de Metal – Óxido – Semiconductor (MOS).
Además, este dispositivo tendría un cuarto terminal, el terminal de Sustrato
(SS), aunque habitualmente éste se encuentra conectado a la fuente.
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Figura 9. Estructura básica del MOSFET
de acumulación canal n.
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Los transistores
MOSFET de enriquecimiento de canal n se polarizan aplicando una tensión
positiva entre drenador y fuente ( ) y
una tensión positiva entre puerta y fuente (), como se muestra en la figura 10.a De esta forma, la corriente circulará en el
sentido de drenador a fuente. En el caso del MOSFET de acumulación de canal p
la tensión a
aplicar debe ser negativa y tensión negativa, de esta forma la corriente
fluirá en el sentido de la fuente hacia el drenador.
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Figura 10. Polarización del MOSFET de
acumulación.
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Para
el MOSFET de enriquecimiento de canal n si ;
aunque se aplique una tensión no
circulará corriente por el dispositivo, ya que la unión de drenador está
polarizada en inverso. Sin embargo, cuando a
parece un campo eléctrico que lleva a los electrones hacia la zona de la puerta
y aleja de dicha zona a los huecos. Para valores pequeños de esta tensión aplicada se creará una zona de carga sin
portadores. Si se sigue aumentando el valor de esta tensión, la acumulación de
electrones se hará importante como para decir que se tiene una zona n, es
decir, se formará un canal de tipo n que unirá los terminales de drenador y
fuente (Figura 11).
Figura 11. Efecto de ,
(a); (b) 
;
(c) Comienza a formarse el canal, (d) Canal formado.
(a)
(c) Comienza a formarse el canal, (d) Canal formado.
De esta forma, cuando mayor sea la tensión
En la figura 11.c se muestra que al estar los terminales de fuente, sustrato y drenador a la misma tensión (por ser
Con la
tensión se
puede modular la anchura del canal, pero no basta con que esta tensión sea
positiva, sino que deberá superar un determinado nivel de tensión. A esta
tensión umbral a partir de la cual hay canal formado que permite la circulación
de corriente entre el drenador y la fuente se le suele llamar 
(tensión
umbral). Aunque en realidad tiene el mismo significado que la tensión 
vista
para el transistor JFET, ya que en ambos casos se trata del valor mínimo de
tensión para que exista un canal que permite la circulación de corriente.
En la
figura 12 su muestra el efecto de la tensión . Si una
vez que se ha formado el canal se aplica una tensión positiva, por el canal
circulará una corriente en el
sentido del drenador hacia la fuente. En la relación de tensión 
, al ser 
se
tiene que 
; por lo tanto, la anchura del canal será
menor del lado del drenador.
Figura 12. Efecto de la tensión . El canal se estrecha más de la zona del
drenador.
Para
valores de tensión pequeños, el estrechamiento del canal no será
importante, por lo que la relación entre la tensión aplicada y la corriente que
circula será
lineal tal y como establece
lineal tal y como establece
la Ley de Ohm.
La figura 13. Característica 
para un valor de
A
medida que el valor de aumenta,
el estrechamiento comienza a ser importante, variando la resistencia que se
presenta en el canal y perdiendo la linealidad de la característica. Hasta que
la tensión alcance
el valor de 
,
momento en el cual el canal se habrá cerrado por completo. A partir de este
instante, si se sigue aumentado la tensión , por
encima de este valor , la
corriente se
mantiene constante. (Ver figura 13).
En la figura 14 se muestra las curvas
características de salida y de transferencia de un transistor MOSFET de
enriquecimiento.
Figura 14. Características ideales de
MOSFET de enriquecimiento de canal n.
(a) Características de salida. (b) Características de transferencia.
(a) Características de salida. (b) Características de transferencia.
En la
figura 15 se muestra el efecto de la tensión para
pequeños valores de . Si
se aplican valores de tensión pequeños,
la relación entre la corriente y la
tensión aplicada
será lineal, es decir, de nuevo el dispositivo se comporta como una resistencia
cuyo valor dependerá de la anchura del canal y por lo tanto de la tensión .
Figura 15. La tensión modula
la anchura del canal.
Igualmente, existen 4 zonas de
funcionamiento del transistor:
- Zonza de corte o de no conducción
- Zona óhmica o de no saturación.
- Zona de saturación o de corriente constante.
- Zona de ruptura.
MOSFET de deplexión.
Como se observa en la figura 2.15 la
estructura básica para un MOSFET de deplexión es similar al caso del MOSFET de
enriquecimiento, pero en este caso se dispone de un canal inicial realizado en
el proceso de fabricación del dispositivo.
Figura 16. Estructura básica del MOSFET
de deplexión canal n.
Los
transistores MOSFET de deplexión de canal n se polariza aplicando una tensión
positiva entre drenador y fuente () y una
tensión entre puerta y fuente () que
puede ser negativa o positiva; el circuito de polarización se muestra en la
figura 2. 16.a. De esta forma, la corriente circulará en el sentido de drenador
a fuente. En el caso del MOSFET de deplexión de canal p la tensión que se
aplica debe ser negativa y la tensión positiva
o negativa, de esta forma la corriente fluirá en el sentido de la fuente hacia
el drenador. Se analizará el funcionamiento del MOSFET de deplexión tipo n y se
especificará cuando sea tipo p.
Figura 17. Polarización del MOSFET de deplexión.
En
este caso, si se aplica una tensión , (ver
figura 18) se atraerán más electrones hacia la zona de la puerta y se
repelerán más huecos de dicha zona, por lo que el canal se ensanchará. Por lo
tanto, para valores 
el
MOSFET de deplexión tiene un comportamiento similar al de enriquecimiento. Si
por el contrario se aplican valores 
el
efecto será el contrario, disminuyéndose la anchura del canal. En definitiva,
se vuelve a tener de nuevo un efecto de modulación de la anchura de un canal en
función de una tensión aplicada . Sin
embargo, si se sigue disminuyendo el valor de podrá
llegar un momento en que el canal desaparezca por completo, esto sucederá
cuando disminuya
por debajo de un valor . En
cuando al efecto de la tensión se tendría exactamente lo mismo que en
los dos casos analizados anteriormente.
En la figura 19 se muestra la curva
característica de transferencia y las curvas de salida de un MOSFET de
deplexión canal n.
Figura 19. MOSFET de deplexión canal n.
(a) Característica de Transferencia.
(a) Característica de Transferencia.
(b) Características de salida.
También existen 4 zonas de funcionamiento
del transistor:
·
Zona de corte.
·
Zona óhmica.
·
Zona de saturación.
·
Zona de ruptura.
En la tabla 3 se indican las ecuaciones
para la corriente de drenador,
, dependiendo del estado en el cual este
trabajando el transistor.
Tabla 3. Funcionamiento para los MOSFET
canal n.
Efecto Early, resistencia de salida.
Para incluir el efecto de la modulación
de la longitud del canal se añade el parámetro
Cuyo
inverso nos proporciona la tensión Early.
La resistencia de salida ro:
Fuente: Material de estudio de la Profesora Mariluz Simanca
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