Transistores FET

TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO

La era electrónica se introdujo con el bulbo. A la llegada del transistor se realizaron grandes cambios, principalmente en las necesidades de potencia y tamaño de los componentes y circuitos. A continuación veremos los Transistores Unipolares (FET´S - MOSFET´S).
Estos transistores pueden ser empleados en los circuitos en una disposición similar a la de los bipolares, es decir, en fuente común, aunque la primera y la última son las más utilizadas en la practica.


En época reciente ha aparecido en el mercado una nuevatecnología de fabricación de transistores MOS que reciben el nombre de VMOS a causa de la estructura geométrica  de sus diferentes regiones semiconductoras.

Definición :

         Los transistores de efecto de campo, conocidos generalmente como TEC ( o FET por sus siglas en ingles ), son un dispositivo unipolar, ya que la corriente existe tanto en forma de electrones como de huecos. En un FET de canal n, la corriente se debe a electrones,  mientras que en un FET de canal p, se debe a huecos. Ambos tipos de FET se controlan por una tensión entre la compuerta y la fuente.

	Transistores de efecto de Campo (TEC) con sus símbolos correspondientes

        

     

         Otro de los tipos de FET es el conocido como MOSFET

         Por último, vamos a hablar del transistor más utilizado en la actualidad, esto es el del MOSFET. La estructura de este transistor es la más complicada de entre todos los vistos hasta ahora. Consta de los ya conocidos semiconductores P-N, colocados ahora de una nueva forma, y de un original material aislante, como es el dióxido de silicio; esta pequeña adición de la capa del óxido va a cambiarconsiderablemente las propiedades del transistor respecto a las que tenia el JFET.

         Existen dos tipos de MOSFET: cuando tengamos una zona tipo P y dos tíos N lo llamaremos MOSFET de canal n (o NMOS) y, por el contrario, si hay una sola zona tipo N y otras dos tipo P se llamará MOSFET de canal P (o PMOS).

MOSFET de Empobrecimiento:

El MOSFET de empobrecimiento de canal n

                   El MOSFET de canal n se establece en un sustrato p, que es el silicio contaminado de tipo p. Las regiones contaminadas de tipo n de la fuente y el drenaje forman conexiones de baja resistencia entre los extremos del canal n u los contactos de aluminio de la fuente (S) y el drenaje (D). Se hace crecer una capa se SiO₂, que es un aislante, en la parte superior del canal. Se deposita una capa dealuminio sobre el aislante de SiO₂ para formar la terminal de compuerta (G).

         El desempeño del MOSFET de empobrecimiento, es similar al JFET. El JFET se controla por la unión pn entre la compuerta y el extremo del drenaje del canal. No existe dicha unión en el MOSET de enriquesimiento, y capa de SiO₂ actúa como aislante. Para el MOSFET de canal n, una v_GS negativa saca los elementos de la región del canal, empobreciéndolo. Cuando v_GS alcanza V_p, el canal se estrangula. Los valores positivos de v_GS aumentan el tamaño del canal, dando por resultado un aumento en la corriente de drenaje.

         Nótese que el MOSFET de empobrecimiento puede operar tanto para valores positivos como negativos de v_GS. Como la compuerta está aislada del canal, la corriente de compuerta es sumamente pequeña    (10^-12 A) y v_GS puede ser de cualquier polaridad.

El MOSFET de empobrecimiento de canal p

MOSFET de Enriquesimiento:

El MOSFET de eriquesimiento de canal n

         El MOSFET de enriquesimiento difiere del MOSFET de empobrecimiento en que no tiene la capa delgada de material n sino que requiere una tensión positiva entre la compuerta y la fuente para establecer un canal. Este canal se forma por la acciónde una tensión positiva compuerta a fuente, v_GS, que atrae a los electrones de la región del sustrato ubicada entre el drenaje y la compuerta contaminados de tipo n. Una v_GS positiva provoca que los electrones se acumulen en la superficie inferior de la capa de óxido. Cuando la tensión alcanza el valor de umbral, V_T, han sido atraídos a esta región de los electrones suficientes para que se comporte como canal n conductor. No habrá una corriente apreciable i_D hasta que v_GS excede V_T.

         No existe un valor I_DSS para el MOSFET de enriquesimiento, ya que la corriente de drenaje es cero hasta que el canal se ha formado. I_DSS es cero para v_GS = 0. Para valores de v_GS > V_T, la corriente de drenaje en saturación se puede calcular de la ecuación i_D = k (v_GS - V_T)².

         El valor de k depende la construcción de MOSFET y, en principio, es función del ancho y el largo del canal. Un valor típico para k es 0.3 mA/V²; la tensión de umbral, V_T, es especificada por el fabricante. Se puede encontrar un valor para g_m derivando la ecuación, como se hizo con los JFET.

         El MOSFET de enriquesimiento de canal p exhibe características similares pero opuestas a las del MOSFET de enriquesimiento de canal n.

         Aunque se halla más restringido en su intervalo de operación que el MOSFET de empobrecimiento, el MOSFET de enriquesimiento es útil en aplicaciones de CI debido a su tamaño pequeño y su construcción simple. La compuerta para los MOSFET de canal n  y de canal p es un depósito de metal en una capa de óxido de silicio. La construcción comienza con un material de sustrato (de tipo p para canal n; de tipo n para canal p) sobre el cual se difunde material del tipo opuesto para formar la fuente y el drenaje.

El MOSFET de eriquesimiento de canal p

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL FET

         Las ventajas del FET se pueden resumir como sigue:

1.  Son dispositivos sensibles a la tensión con alta independencia. Como esta independencia de entrada es considerablemente mayor que la de los BJT, se prefieren los FET a los BJT para la etapa de entrada a un amplificador multietapa.

2.  Los FET generan un nivel de ruido menor que los BJT.

3.  Los FET son más estables con la temperatura que los BJT.

4.  Los FET son , en general, más fáciles de fabricar que los BJT, pues suelen requerir menos pasos de enmascaramiento y difusiones. Es posible fabricar un mayor número de dispositivos en un circuito integrado ( es decir, se puede obtener una densidad de empaque mayor ).

5.  Los FET se comportan como resistores variables controlados por tensión para valores pequeños de tensión drenaje a fuente.

6.  La alta impedancia de entrada de los FET les permite almacenar carga el tiempo suficiente para permitir su utilización como elementos de almacenamiento.

7.  Los FET de potencia pueden disipar una potencia mayor y conmutar corrientes grandes.

         Existen varias desventajas que limitan la utilización de los FET en algunas aplicaciones:

1.  Los FET exhiben una respuesta en frecuencia pobre debido a la alta capacitancia de entrada.

2.  Algunos tipos de FET presentan una linealidad muy pobre.

3.  Los FET se pueden dañar al manejarlos debido a la electricidad estática.

OPERACIÓN Y CONSTRUCCIÓN DEL FET

         Al igual que el BJT, el FET es un dispositivo de tres terminales, pero sólo tiene una unión pn en vez de dos, como en el BJT.

         El JFET de canal n se construye utilizando una cinta de material tipo n con dos materiales de tipo p difundidos en ella, uno en cada lado. El JFET de canal p tiene una cinta de material tipo p con dos materiales de tipo n difundidos en ella.

Estructura Física de un JFET

         Para entender la operación del JFET, se conecta el JFET de canal n a un circuito externo, Se aplica una fuente de tensión, V_DD, al drenaje y se envía a tierra. Una fuente de tensión de compuerta, V_GG, se aplica a la compuerta.

         V_DD proporciona una tensión drenaje a fuente, v_DS, que provoca una corriente de drenaje, i_D, del drenaje a la fuente. La corriente de drenaje, que es idéntica a la corriente de fuente, existe en el canal rodeado por la compuerta de tipo p. La tensión compuerta a fuente, v_GS, que es igual a -V_GG, crea una región desértica en el canal, que reduce el ancho de éste y por tanto aumenta la resistencia entre drenaje y fuente. Como la unión compuerta-fuente está polarizada en inverso, el resultado es una corriente de compuerta nula.

         Considérese la operación de un JFET con v_GS=0. La corriente de drenaje a través del canal n del drenaje a la fuente, provoca una caída de tensión a lo largo del canal, con el potencial más alto en la unión drenaje-compuerta. Esta tensión positiva es la unión drenaje-fuente polariza en inverso la unión pn y produce una región desértica. Cuando se incrementa v_DS, también aumenta la corriente de drenaje, i_D .

CURVAS CARACTERÍSTICAS

         Aquí consideraremos las características i_D-v_DS completa para varios valores del parámetro v_GS. En la siguiente figura se muestran las curvas características i_D-v_DS tanto para un JFET de canal n como para uno de canal p. antes de analizar estas curvas, tómese nota de los siguientes símbolos para los JFET de canal n y de canal p, que también se muestran en dicha figura. Estos símbolos son iguales excepto por la dirección de la flecha.

Curvas características i_D-V_DS para un JFET

         Conforme se incrementa v_GS (más negativo para un canal n y más positivo para un canal p) se transforma la región desértica y se cierra para un valor menor que i_D. Por tanto, para el JFET de canal n la i_D máxima se reduce desde I_DSS con forme v_GS se hace se hace más negativo. Si v_GS disminuyen aún más se alcanza un valor de v_GS, después del cual i_D será cero sin importar el valor de v_DS. Este valor de v_GS se denomina V_GSOFF, ó tensión de estrangulamiento (V_p). El valor de V_p es negativo para un JFET de canal n y positivo para un JFET de canal p.

CARACTERÍSTICAS DE TRANSFERENCIA

Características del JFET

         Es una gráfica de la corriente de drenaje como función de la tensión compuerta a fuente por encima del estrangulamiento. Se gráfica con v_DS igual a una constante, aunque la característica de transferencia es esencial independiente de v_DS pues, luego de que el FET llega al estrangulamiento, i_D permanece constante para valores mayores de v_DS. Esto se puede ver a partir de las curvas i_D-v_DS , donde cada curva se vuelve plana para valores de v_DS > V_p. Cada curva tiene un punto de saturación diferente.

         En la anterior figura se muestran las características de transferencia y las características i_D-v_GD para un JFET de canal n. Las características de transferencia se pueden obtener de una extensión de las curvas i_D-v_DS. Un método útil de determinar la característica de transferencia es con ayuda de la siguiente relación:

i_D / i_DSS = (1 - v_GS / V_p )²

         Por tanto, sólo se necesita conocer i_DSS y V_p, y toda la característica queda determinada, Las hojas de datos de los fabricantes a menudo dan estos dos parámetros, por lo que se puede construir la característica de transferencia o utilizar la ecuación directamente. Nótese que i_D  se satura ( es decir, se vuelve constante )con forme v_DS excede la tensión necesaria para que el se estrangule. Esto se puede expresar como una ecuación para v_DS(sal)para cada curva, como sigue:

v_DS(sal) = v_GS) + V_p

DIFERENCIAS ENTRE FET Y LOS BJT

         Las diferencias más resaltantes entre estos dos dispositivos son:

1.  La independencia de entrada de los FET es considerablemente mayor que la de los BJT.

2.  Los FET generan un nivel de ruido menor que los BJT.

3.  Los FET son más estables con la temperatura que los BJT.

4.  Los FET son , en general, más fáciles de fabricar que los BJT, pues suelen requerir menos pasos de enmascaramiento y difusiones.

5.  La alta impedancia de entrada de los FET les permite almacenar carga el tiempo suficiente para permitir su utilización como elementos de almacenamiento, a contrario de los BJT.

g_m Y TRANSDUCTANCIA

         Para obtener una medida de la amplificación posible con un JFET, se introduce el parámetro g_m, que es la estrangulación en directo. Este parámetro es similar a la ganancia de corriente para un BJT. El valor de g_m, que se mide en siemens (S), es una medida de cambio en la corriente de drenaje para un cambio en la tensión compuerta-fuente.

g_m = ¶i_D / ¶v_GS @ Di_D / Dv_GS    v_DS = constante

         La transconductancia, g_m, no permanece constante si se cambia el punto Q. Esto se puede ver por la determinación geométrica de g_m a partir de la curva de transferencia de características. Conforme cambia i_D , varía la pendiente de la curva de transferencia de característica, cambiando por tanto g_m.

         Se puede encontrar la transconductancia diferenciando la ecuación, lo que da como resultado    

g_m = ¶i_D / ¶v_GS =  2i_DSS  (1 - v_GS / V_p ) / - V_p

Se define

g_mo = 2i_DSS / - V_p

que es la transconductancia en v_GS = 0. Utilizando esta ecuación, la transconductancia está dada por

g_m = g_mo ( 1 - V_GS  / V_p  )

         Una forma alterna de esta ecuación se puede encontrar definiendo

k_n = I_DSS / V²_P

         La transconductancia se encuentra de la pendiente de la curva en el punto Q. y está dada por

g_m = 0,91l_DSS  / 0.64V_p = 1.42l_DSS / V_p  = -0.71g_mo

         Estos valores suelen representar un buen punto de inicio para fijar los valores estáticos en el JFET.