FET Transistor de efecto de campo

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).

 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:

   Los transistores de efecto de campo más conocidos son los de unión (JFET), los transistores de metal oxido semiconductor de efecto de campo (MOSFET) y los transistores de efecto de campo de unión metal-semiconductor (MESFET).

 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.

Figura 2. Estructura Básica del JFET canal n. (a) JFET de doble puerta. (b) JFET de tres terminales.

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.

Figura 3. Polarización del JFET

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).

Figura 4. Efecto de la tensión . El canal se estrecha en la zona del drenador.

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.

Figura 5.. Características  con .

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 .

Figura 6. La tensión  modula la anchura del canal.

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).

Figura 7.  La tensión   modula la anchura del canal. Cuando , el canal se cierra por completo.

(b)

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  .

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:   crece proporcionalmente a  para la misma El transistor es una resistencia variable dependiente de El transistor es una resistencia variable dependiente de .

• Zona de saturación o de corriente constante:  deja de crecer y se hace constante,  solo depende de .  El transistor se comporta como una fuente de corriente dependiente de .

• 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.

 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.

Figura 9. Estructura básica del MOSFET de acumulación canal n. 

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. 

Figura 10. Polarización del MOSFET de acumulación.

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.

De esta forma, cuando mayor sea la tensión  aplicada mayor será la anchura del canal formado, es decir, de nuevo se tiene un efecto de modulación de anchura del canal con la .

En la figura 11.c se muestra que al estar los terminales de fuente, sustrato y drenador a la misma tensión (por ser  ) las tensiones   y  serán iguales, y por lo tanto el canal será simétrico respecto de la puerta.

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

 la Ley de Ohm.

La figura 13. Característica  para un valor de  constante.

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.

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.

Figura 18. Funcionamiento del MOSFET de deplexión canal n

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. 

(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.

 (1)

La resistencia de salida ro:

Fuente: Material de estudio de la Profesora Mariluz Simanca

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