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6.8. - EL JFET Transistor de efecto de campo es un dispositivo semiconductor, cuya operación consiste en controlar el flujo de corriente a través de un canal semiconductor mediante la aplicación de un campo eléctrico (voltaje) perpendicular a la trayectoria de conducción. Existen dos categorías principales de transistores de efecto de campo a saber: el transistor de unión de efecto de campo (JFET) y el transistor de efecto de campo de metalóxido-semiconductor (MOSFET). Los transistores de efecto poseen varias diferencias importantes respecto de los transistores bipolares (NPN y PNP) incluyendo las siguientes: A)

A) La operación del transistor de efecto de campo (FET) depende únicamente del flujo de portadores mayoritarios, huecos para los FET de canal N, por lo tanto se denominan dispositivos monopolares. Los transistores bipolares dependen tanto de portadores de corriente mayoritarios como de los minoritarios.

B)

B) Los FET son mucho más fáciles de construir y son particularmente apropiados en la fabricación de circuitos integrados, debido a que ocupan menor espacio que los transistores bipolares.

C)

C) Los FET exhiben una resistencia de entrada mucho mayor, típicamente de los megaohms o más.

D)

D)

E)

E) Cuando se usan como amplificadores, los FET tienen menos ganancia de voltaje y producen mayor distorsión de señal, salvo cuando operan con señal débil.

F)

F) Los FET tienen menos ruido que los transistores bipolares. Ruido es el termino que se aplica a las fluctuaciones eléctricas aleatorias provocadas por el movimiento de los electrones dentro de la estructura del semiconductor. El ruido es una señal eléctrica no deseable.

Los FET normalmente son menos sensibles a la temperatura.

Cuando seleccionamos un transistor tendremos que conocer el tipo de encapsulado, así como el esquema de identificación de los terminales. También tendremos que conocer una serie de valores máximos de tensiones, corrientes y potencias que no debemos sobrepasar para no destruir el dispositivo. El parámetro de la potencia disipada por el transistor es especialmente crítico con la temperatura, de modo que esta potencia decrece a

medida que aumenta el valor de la temperatura, siendo a veces necesaria la instalación de un radiador o aleta refrigeradora. Todos estos valores críticos los proporcionan los fabricantes en las hojas de características de los distintos dispositivos.

TRANSISTOR FET (JFET) Zonas de funcionamiento del transistor de efecto de campo (FET): 1.

2.

3.

1. ZONA ÓHMICA o LINEAL: En esta zona el transistor se comporta como una resistencia variable dependiente del valor de VGS. Un parámetro que aporta el fabricante es la resistencia que presenta el dispositivo para VDS = 0 (rDS on), y distintos valores de VGS. 2. ZONA DE SATURACIÓN: En esta zona es donde el transistor amplifica y se comporta como una fuente de corriente gobernada por VGS 3.

ZONA DE CORTE: La intensidad de drenado es nula (ID = 0).

Figura 6.19. - Zonas de funcionamiento de JFET A diferencia del transistor BJT, los terminales drenado y surtidor del FET pueden intercambiar sus papeles sin que se altere apreciablemente la característica V-l (se trata de un dispositivo simétrico). La operación de un FET de CANAL P es complementaria a la de un FET de CANAL N, lo que significa que todos los voltajes y corrientes son de sentido contrario.

Figura 6.20. -Símbolos del JFET

APLICACIÓN

PRINCIPAL VENTAJA

USOS

Aislador o separador (buffer)

Impedancia de entrada Uso general, en equipo alta y de salida baja de medida, receptores

Amplificador de RF

Bajo ruido

Mezclador

Baja distorsión de intermodulación

Amplificador cascodo Baja capacidad de entrada Amplificador con CAG

Factibilidad para controlar la ganancia

Troceador

Ausencia de deriva

Resistor variable por voltaje Amplificador de baja frecuencia Oscilador

Sintonizadores de FM, equipo para comunicaciones Receptores de FM y TV, equipos para comunicaciones. Instrumentos de medición, equipos de prueba Receptores, generador de señales

Amplificadores de cc, sistemas de control de dirección Se controla por voltaje Amp. Operacionales, órganos electrónicos, controles de tono Capacidad pequeña de Audífonos para acoplamiento sordera, transductores inductivos Mínima variación de Generadores de frecuencia frecuencia patrón, receptores

Circuito MOS digital

Pequeño tamaño

Integración en gran escala, computadores, memorias Tabla 6.3. – Principales aplicaciones del JFET

Un JFET de canal N principia como una barra de silicio tipo N, con contactos metálicos en cada extremo como la fuente y el drenador o dren. La impurificación de las regiones tipo P en ambos extremos de la barra como en la figura de abajo. Se hacen contactos metálicos ohmicos a estas regiones P y se denomina compuertas. La región entre la fuente y el dren se denomina canal N. Existen dos uniones P-N formadas por las regiones de la compuerta tipo P y el canal N. A diferencia de lo que ocurre en el caso del transistor bipolar, la corriente, no se hace fluir a través de estas uniones P-N durante la operación normal del FET en vez de eso el flujo de corriente ocurre únicamente a través del canal N de la fuente al dren. Como en la figura. La disposición de la polarización normal para el canal N del FET. El dren (D) es polarizado positivamente respecto de la fuente (S) por la fuente de alimentación Vps. Esto hace que el flujo de electrones sea de la fuente al dren a lo largo del canal. Ha esta corriente se le denomina corriente de dren, ld. La compuerta (G) se muestra polarizada negativamente respecto a la fuente por la fuente de alimentación Vgs. Las uniones P-N de compuerta a canal están polarizadas inversamente por que no hay flujo de corriente en la terminal de compuerta, nunca se permite que el voltaje compuerta-fuente polarice en sentido directo la unión P-N compuerta-fuente en grado suficiente para que origine un flujo de corriente de compuerta. Este efecto permite que la resistencia de entrada en la compuerta permanezca muy alta (típicamente mayor de 1000 Mohms).

REGIONES DE AGOTAMIENTO La polarización inversa de las uniones compuerta-canal produce regiones de agotamiento o rarefacción (capas de transición) en las uniones. Esta son áreas en las que casi no hay portadores de carga. Estas regiones de agotamiento (desiertas) penetran en el canal y reducen el tamaño de la parte de conducción del canal, la presencia de estas regiones de agotamiento incrementa la resistencia del canal haciéndolo mas angosto. Las regiones de agotamiento son cuneiformes (en forma de cuña), mas largas en el extremo del dren y mas angostas del lado de la fuente. Esto obedece a que la polarización

inversa de la compuerta al canal es mayor en el lado del dren, ya que este tiene polarización positiva, la polarización inversa en el extremo del dren de la unión P-N es igual a la suma absoluta de los dos voltajes de polarización. Por ejemplo, sí Vds= 20 y Vgs= -5 V, entonces esta polarización Inversa es de 25v. La profundidad de penetración de las regiones de agotamiento depende de esta polarización inversa y varia cuando cambia ya sea Vgs o Vds de este modo, la resistencia de canal - por lo tanto la corriente de canal- son funciones de Vgs y Vds.

CURVAS DEL DREN DEL JFET La operación del JFET puede explicarse mas fácilmente sí se estudia un conjunto típico de curvas del dren, como en las figuras abajo, se Aprecia que la corriente de dren. Id, varia con Vds para un valor dado del voltaje compuerta-fuente, Vgs. Observe que Vgs es ya sea 0 V o negativo de manera que la unión de compuerta nunca conduce.. Cada curva de corriente de dren corresponde a un valor diferente de Vgs. Esto implica que el JFET es un dispositivo controlado por voltaje, mientras que el transistor bipolar es un dispositivo controlado por corriente.

Vqs=O Primeramente consideremos el caso respecto a la fuente. Es decir, la compuerta esta en corto respecto a la fuente. Esto corresponde a la curva superior en la figura, a medida que Vds aumenta desde 0V, la corriente de dren Id, aumenta casi linealmente hasta Vds = 6V. Esta región de operación se denomina región ohmíca puesto que la resistencia del canal permanece aproximadamente constante.

Figura 6.21. - Familia típica de curvas de dren

VOLTAJE DE ESTRANGULAMIENTO, VP La estrangulación o estricción es entonces una región de Id constante, emitida cuando el voltaje inverso compuerta-dren hace que las regiones de agotamiento se encuentren. El valor del voltaje responsable de que esto ocurra se denomina voltaje de estrangulamiento o de restricción, Vp. Cada JFET tiene cierto Vp del mismo modo en que cada transistor bipolar tiene cierta B. Para el FET, el valor de Vp es 6V. El punto exacto en el cual ocurre la estrangulación es difícil de determinar a partir de las curvas, debido a que la transición de la región ohmica a la de estrangulamiento es gradual. El valor de la corriente de dren que fluye en la región de estrangulamiento cuando Vgs = O se designa con el símbolo especial ldss. Apartir de las curvas puede verse que el valor de ldss es de 9.2 mA, y es la corriente máxima que fluirá durante la operación normal. Cada JFET posee un valor especifico de ldss. Pero este varia ampliamente de un JFET a otro, como sucede con B para lo transistores bipolares.

DISRUPCIÓN

Observando la curva Vgs=0 puede verse que la unión compuerta-dren entra en disrupción inversa cuando Vds alcanza 35V. Esto hace que Id aumente drásticamente y es una región que normalmente se evita. Si la polarización de compuerta es de 1V y negativa respecto ala fuente (Vgs= -1 V) el comportamiento del FET es esencialmente el mismo, excepto que la corriente de dren comienza a nivelarse en un valor mas bajo de Vdd, por inspección de la curva. Vgs= -1 se observa que Id comienza a estabilizarse en Vds=5V y finalmente se nivela en 6.3mA. En otras palabras, la región de estrangulamiento principia en Vds = 5V en vez de en Vds=6V, como paso en el caso de Vgs = 0 debido a que con la polarización inversa de ¡V en la compuerta, solo se requiere un voltaje de dren de 5V antes de que se alcance la polarización inversa de compuerta a dren (Vf = 6V) que es necesaria para el estrangulamiento. La curva Vgs= -1V esta abajo de la Vgs= 0V porque la polarización inversa de 1 V compuerta-fuente hace que las regiones de canal y reduciendo la corriente de dren.

CARACTERÍSTICAS DE TRANSFERENCIA Se indican los valores de Idp para varios de Vgs, estos son los valores de la corriente de dren dentro de la región de estrangulamiento ( en Vds= 15 V) después de que Id se ha hecho casi plana y constante. Estos valores pueden graficarse como en la figura que se muestra abajo. Esta curva que se conoce como característica de trasferencia del FET, tiene la forma aproximada de un a parábola cuya ecuación es: Idp = Idss (1 — ( Vgs / Vgs (corte)) ^2 Una vez que se conoce Idss y Vp o Vg(corte) puede encontrarse ldp para cualquier valor de Vgs utilizando esta relación. Por ejemplo con ldss = 9.2 mA y Vgs(corte)= -6V. Puede calcularse Idp para Vgs= -3V como sigue:

Figura 6.22. – Variación de la corriente de estrangulamiento (IDP) con VGS (características de transferencia)

JFET DE CANAL P Ahora veremos al JFET de canal P, al igual que el de canal N ambos operan básicamente en la misma forma, excepto que todas las polaridades se invierten. Para el JFET de canal P, la compuerta es tipo N, de manera que Vgs esta polarizado positivamente y Vds lo esta negativamente puede obtenerse un conjunto típico de curvas de dren de canal P cambiando las polaridades. De Vds y Vgs. Los símbolos circuitales para los canales N y P del JFET se muestra en las figuras, junto con sus propias polaridades de polarización relativa a la terminal de fuente. Observe que la flecha en la terminal de compuerta apunta hacia dentro para el canal N y hacia fuera para el canal P del JFET. En muchos JFET, las terminales de fuente y dren son intercambiables. Algunos de estos dispositivos tienen terminales separadas para las dos regiones de compuerta, mientras que muchos tienen las dos compuertas conectadas internamente.

Figura 6.23. - Polaridades de polarización relativa a la terminal de fuente

INTRODUCCIÓN A LOS MOSFET El FET de metal-oxido-semiconductor (MOSFET) tiene varias características en común con el JFET, El MOSFET es un dispositivo de baja potencia, con impedancia de entrada extremadamente alta, como el JFET, El MOSFET tiene una fuente, un dren y una compuerta y un canal de conducción cuya resistencia se controla mediante el voltaje de compuerta. La principal diferencia entre dos dispositivos es la estructura de la compuerta. La trayectoria compuerta-canal en el JFET es una unión P-N, la cual normalmente se mantiene con polarización inversa. En el MOSFET no existe unión P-N compuerta-canal; en vez de ello se coloca una capa delgada de un material aislante (dióxido de silicio) entre compuerta y canal. Este aislador tiene una resistencia extremadamente elevada (típicamente 10^12)así la corriente de fuga de compuerta es incluso menor que para el JFET (típicamente 1 pA). Debido a que no existe unión P-N entre compuerta y canal en el MOSFET, no hay limitación en la polaridad del voltaje de compuerta. El aislador entre compuerta y canal mantiene su muy alta resistencia para cada polaridad de la polarización. Dado que la compuerta esta silada del canal. El MOSFET también se conoce como FET de compuerta asilada (IGFET) sin embargo, el termino mas generalmente utilizado es el de MOSFET.

OPERACIÓN DEL MOSFET

Figura 6.24.- (A) Estructura del E-MOSFET de canal N, (B) El voltaje positivo de compuerta induce un canal N.

EL MOSFET DE ESANCHAMIENTO En la figura 6.24 se muestra la estructura de un E-MOSFET de canal N. La estructura comienza con un sustrato tipo P de alta resistividad; dos regiones tipo N de baja resistividad se difunden dentro del substrato, como se muestra. Entonces se cubre la superficie de la estructura con una capa aislante de dióxido de silicio. Se practican perforaciones en la capa del óxido, permitiendo el contacto con las regiones N (fuente y dren). Entonces se coloca una área metálica de contacto sobre el óxido, cubriendo todo el canal de la fuente al dren. El contacto con esta área metálica es la terminal de compuerta.

Observe que no existe contacto físico entre la compuerta y el substrato P debido al efecto aislador del dióxido de silicio. Puesto que la fuente y el dren están separados por el substrato tipo P, la corriente de la fuente al dren será extremadamente baja, dado que prácticamente existen dos uniones PN conectadas en oposición. Sin embargo, puede utilizarse la compuerta para producir un canal de conducción de la fuente al dren. El área metálica de la compuerta, la capa de dióxido de silicio y el canal semiconductor forman un capacitor. El área de la compuerta es la placa superior y el substrato P forma la placa inferior, mientras que el dióxido de silicio es el dieléctrico. Dicho de otro modo, este es un capacitor metal-óxido-semiconductor (MOS). Cuando se aplica un voltaje positivo a la compuerta (ver la figura 6.24), la placa metálica se carga positivamente. Esta carga positiva inducirá una carga negativa en la placa del semiconductor. A medida que el voltaje positivo en la compuerta aumenta, los huecos del semiconductor tipo P son repelidos por abajo del óxido. En un JFET, el canal de conducción se halla entre dren y fuente cuando el voltaje de compuerta es 0 y este canal puede hacerse mas angosto mediante regiones de agotamiento (rarefacción o transición). Producidas cuando la compuerta-fuente se polariza inversamente. Este modo de operación se denomina modo de agotamiento o estrechamiento. En este modo, el canal solo puede hacerse mas angosto mediante la aplicación de un voltaje compuerta-fuente, no puede hacerse sensiblemente más ancho. Algunos MOSFET también operan en el modo de agotamiento, mientras que otros lo hacen en un modo diferente denominado modo de ensanchamiento o acrecentamiento. En este modo, el ancho del canal de conducción puede Incrementarse desde su ancho en Vgs = 0 aplicando la polaridad apropiada de voltaje compuerta-fuente. Los MOSFET se clasifican en dos grupos: Los MOSFET de ensanchamiento o acrecentamiento ( E-MOSFET) los cuales operan básicamente en el modo de ensanchamiento, y los MOSFET de estrechamiento-ensanchamiento o agotamientoacrecentamiento. (DEMOSFET), los cuales pueden operar en cualquiera de los modos básicos, dependiendo de la polaridad del voltaje de compuerta.

CURVAS DEL DREN PARA EL E-MOSFET Se muestra un conjunto típico de curvas del dren de canal N. Las regiones ohmicas y de estrangulamiento corresponden a las del JFET. Importante observar que la corriente de dren no fluye hasta que Vgs no hace por lo menos de 2 volts positivos. Este voltaje se denomina voltaje de umbral Vgs(th) e indicara el voltaje mínimo positivo de compuerta que es necesario para inducir un canal apreciable.

CURVAS DE TRANSFERENCIA DEL E-MOSFET

Curva de transferencia relaciona la corriente de dren en el estrangulamiento. ldp en Vgs bastante adentro de la región de estrangulamiento. En la figura se muestra la curva de transferencia para el MOSFET con las curvas de dren de la (figura. 6.25)

Región de estrangulamiento

Región ohmica

RESUMEN DE LOS TIPOS DE FET. TIPO DE FET

MODO DE OPERACIÓN

JFET de canal N

Estrechamiento

+

-

JFET de canal P

Estrechamiento

-

+

E-MOSFET de canal N

Ensanchamiento

+

+

Conduce cuando VGS  VGS(sat) 

-

-

+

-

Conduce cuando VGS  VGS(sat)  MOSFET “ normalmente

E-MOSFET de canal P DE-MOSFET de canal N

Ensanchamiento Estrechamiento

VDS VGS

COMENTARIOS

VGS puede ser ligeramente positivo; Corte cuando  VGS   VGS (CORTE) VGS puede ser ligeramente negativo; Corte cuando  VGS   VGS (CORTE)

Ensanchamiento

+

+

encendido”; Corte cuando VGS es más negativo que  VGS (CORTE) . DE-MOSFET de canal P Estrechamiento + MOSFET “ normalmente Ensanchamiento encendido”; Corte cuando VGS es más positivo que  VGS (CORTE) . Tabla 6.4. - Aquí esta una tabla de los varios tipos de FET así como la información correspondiente a modo de operación y polaridades de polarización.

COMENTARIOS GENERALES SOBRE LOS MOSFET Los MOSFET al igual que los JFET pueden utilizarse como amplificadores de señales. El análisis anterior y las formulas para los amplificadores JFET son igualmente aplicables a los MOSFET. Los MOSFET utilizados en el modo de estrechamiento (agotamiento) se polariza en la misma forma que el JFET, los MOSFET se ensanchamiento (acrecentamiento) se polarizan de un modo diferente, puesto que Vgs y Vds deben tener la misma polaridad. El uso de los E-MOSFET como amplificadores hace factible conectar la salida de una etapa amplificadora directamente a la entrada de otra etapa de amplificación, sin que haya necesidad de emplear capacitores de acoplamiento. El voltaje de CD de polarización en la salida del primer amplificador simplemente sirve como la polarización de compuerta del amplificador que sigue. La eliminación de los capacitores de acoplamiento simplifica el circuito y mejora la respuesta para bajas frecuencias. Las capacitcancias parásitas del MOSFET entre la compuerta y el dren (Cgd) y entre la compuerta y la fuente (Cgs) tienen por lo general valores más bajos que los que corresponden al JFET, por tal motivo, MOSFET típicamente tiene en cierto modo una mejor respuesta a altas frecuencias que el JFET. Los efectos de la temperatura con mínimos para el MOSFET. Su corriente de fuga de entrada no fluye a través de la unión P-N con polarización inversa, como sucede con la corriente de fuga de entrada en el JFET, y en consecuencia no es tan sensible a la temperatura. El MOSFET es uno de los dispositivos semiconductores de la temperatura en la actualidad. Actualmente, la aplicación más importante de los MOSFET se da en la extensa área de los circuitos digitales de conmutación. Hace algún tiempo esta área fue dominada absolutamente por los circuitos con transistores bipolares. Si bien el MOSFET hasta ahora no iguala al transistor bipolar en lo tocante a la velocidad de conmutación, posee muchas otras características deseables que le concede

ciertas ventajas, especialmente en los circuitos integrados, los MOSFET son mucho más pequeños que los transistores bipolares y requieren mucho menos pasos en su proceso de fabricación. Además, la disipación de potencia en los circuitos MOSFET de conmutación es extremadamente baja. De este modo, es posible integrar circuitos MOSFET de conmutación en arreglos complejos extremadamente pequeños con menores complicaciones que en el caso de los arreglos bipolares comparables. Los circuitos MOSFET integrados se usan ampliamente es sistemas aerotransportados, satélites, computadoras de velocidad media y calculadoras electrónicas.

LOS V-MOSFET El desarrollo más reciente en la tecnología de los MOSFET es el VMOSFET el cual es un dispositivo de modo de ensanchamiento construido con un canal en forma de V. Este canal proporciona al VMOSFET mucha diferencia perfeccionadas respecto a los otros tipos de FET. Entre estas características se incluyen: 

 Mayor capacidad de manejo de corriente, voltaje y potencia. Un VMOSFET típico puede disipar con seguridad 10 W, conducir una corriente de 2 A y soportar un Vds de 80 V.



 Mayores valores de transconductancia. Un V-MOSFET típico tiene gh=250 mS, comparado con 5mS para los JFET y 10 mS para los MOSFET convencionales. El mayor valor de su transconductancia significa que los amplificadores V-MOSFET tienen ganancia de voltaje superiores.



 Mejor respuesta para altas frecuencias y mayores velocidades de conmutación.



 Dimensiones más pequeñas. El V-MOSFET requiere solamente alrededor del 60% del área de silicio que se necesita para otros MOSFET, lo cual lo hace incluso mas adecuado para la fabricación de circuitos integrados.