Transistores De Efecto De Campo

Índice.

1. Introducción.

2. Comparación de los FETs con los BJTs.

3. El transistor JFET.

3.1 Estudio cualitativo del transistor JFET.

3.2 Estudio cuantitativo del transistor JFET.

3.3 Aproximaciones de las expresiones de las corrientes de los transistores JFET y regiones de funcionamiento.

3.4 Resumen de ecuaciones y características de entrada y salida para JFETs canal n

3.5 Resumen de ecuaciones y características de entrada y salida para JFETs canal p

3.6 Parámetros comerciales más importantes de los JFETs

3.7 Circuitos de polarización de los JFET.

3.7.1 Concepto de polarización

3.7.2 Elección del punto de trabajo

3.7.3 Circuitos de polarización

3.8 Hojas de especificaciones de los JFET.

3.9 Aplicaciones de los JFET.

4. El transistor MOSFET.

4.1 Estructura metal-oxido-semiconductor (MOS).

4.2 Transistores MOSFET de acumulación.

4.2.1 Funcionamiento cualitativo.

4.2.2 Funcionamiento cuantitativo.

4.2.3 Aproximaciones de las expresiones de las corrientes de los transistores MOSFET de acumulación y regiones de funcionamiento.

4.3 Transistores MOSFET de deplexión.

4.3.1 Funcionamiento cualitativo.

4.3.2 Aproximaciones de las expresiones de las corrientes de los transistores MOSFET de deplexión y regiones de funcionamiento.

4.4 Parámetros comerciales más importantes de los MOSFETs.

4.4.1 MOSFETs de acumulación.

4.4.2 MOSFETs de deplexión.

4.5 Circuitos de polarización de los MOSFET.

4.5.1 Polarización del MOSFET de acumulación.

4.5.2 Polarización del MOSFET de deplexión.

4.6 Hojas de especificaciones de los MOSFET.

4.7 Aplicaciones de los MOSFET.

5. Bibliografía.

1. Introducción.

Los transistores unipolares, o transistores de efecto de campo, FET (Field Effect Transistor) son dispositivos de estado sólido de dos uniones en los que un campo eléctrico controla el flujo de los portadores mayoritarios en un canal de conducción, de ahí su denominación de efecto de campo.

A diferencia de los transistores bipolares, en los transistores unipolares la corriente total en el canal de conducción se debe únicamente a portadores mayoritarios del canal. Esta es la razón por la que a estos transistores también se les conoce como transistores unipolares.

Las primeras propuestas de este tipo de transistores datan de los años 1920 (casi 20 años antes que los transistores bipolares). Sin embargo su desarrollo no fue posible hasta 1953 (el primer transistor unipolar fue presentado y analizado por W. Shockley en 1952, y en 1953 Dacey y Ross construyeron el primer prototipo), porque no se contaba ni con los materiales semiconductores ni con las técnicas apropiadas. Hubo que esperar al desarrollo de otros dispositivos, tales como los transistores bipolares, para poder desarrollar los transistores unipolares.

En el siguiente esquema se muestran los diferentes tipos de transistores de efecto campo:

Desde el punto de vista físico, el principio de funcionamiento se centra en la acción de un campo eléctrico sobre cargas eléctricas, provocando su desplazamiento y, por ende, la corriente eléctrica. De ahí su nombre genérico de: FET - Field Effect Transistor. Se ha desarrollado diversas estructuras de transistores FET, según la tecnología y/o necesidades. Las más importantes son las implementadas con tecnologías sobre Silicio (Si) como el JFET, o Junction FET, y el MOSFET, o Metal-Oxide-Semiconductor FET. En tecnologías de Arseniuro de Galio (AsG) se han implementado transistores MESFET o Metal-Semiconductor FET. El desarrollo actual de las tecnologías de Silicio es muy elevado. No así en el caso de las de AsGa, que se encuentran aún en fase de investigación y experimentación con un grado de fiabilidad relativo, y a veces no disponible comercialmente. La mayoría de los CI actuales se realizan sobre tecnologías de Si.

El transistor bipolar, el cual está compuesto por 3 capas de material semiconductor, lo podemos comparar con una válvula mecánica para controlar líquidos, por ejemplo, la del lavamanos de casa, pero a la que le hemos hecho una ligera modificación en la palanca de abertura, la cual ha sido cambiada por una pequeña rueda pelton (rueda bordeada de cucharones) que la hace girar cuando recibe el impulso de una corriente de agua. A partir de este momento el flujo principal entre la entrada y salida de corriente de la válvula (entre emisor y colector del transistor) puede ser fácilmente manejado con un pequeño chorro de corriente aplicado a las paletas del mecanismo rotatorio de apertura (corriente de polarización de base del transistor).

Ahora imaginemos a una persona regando el jardín de su casa con una manguera, a la cual se le puede graduar la salida del agua con la llave, esto lo podemos relacionar con el funcionamiento del transistor bipolar. Sin embargo, también se puede controlar el chorro de otra forma, oprimiendo la manguera hasta cerrar la salida de agua, tal situación se puede comparar con el principio de funcionamiento de un transistor FET, el cual controla el paso de corriente entre el terminal surtidor (source) y el terminal drenador (drain) mediante un campo electrostático aplicado a un electrodo circular envolvente, terminal compuerta (gate), el cual se expande o contrae proporcionalmente al voltaje aplicado, para ensanchar o reducir el conducto imaginario que se forma en el material semiconductor empleado como canal central del cilindro metálico o semiconductor de la compuerta de control. Las muchas o pocas cargas negativas se dispersan por el núcleo en una distribución, que rechazan el paso de las cargas eléctricas de igual signo que conforman la corriente principal entre el surtidor y el drenaje, por el principio de que cargas eléctricas iguales se repelen, y forzando la corriente a circular sólo por el centro del núcleo semiconductor, el cual como se puede deducir es de solamente un tipo de material semiconductor n o p, este factor de por si diferencia en cierta medida a un FET de un transistor bipolar.

2. Comparación de los FETs con los BJTs.

En el apartado anterior, se ha explicado el diferente funcionamiento entre transistores FETs y BJTs. Ahora vamos a exponer las principales ventajas e inconvenientes que presenta el uso de FETS frente a los BJTs.

Ventajas:

- Los FETs necesitan menos pasos de fabricación.

- Tienen una impedancia de entrada muy alta (típicamente 100MΩ o más).

- Ocupan menos espacio que los BJTs (20%o 30% más pequeños).

- Consumo de potencia menor que en el BJT.

- Mayor velocidad de conmutación.

- Menos ruidoso que el BJT, esto lo hace idóneo para amplificadores de alta fidelidad.

- Es afectado en menor grado por la temperatura.

- No requiere tensión de umbral (arranque), que lo hace excelente en muy bajas señales.

Desventajas:

- Su ganancia de voltaje es mucho menor que en el BJT.

- Su ancho de banda o respuesta en frecuencia es menor debido a la alta capacidad de entrada.

- Es susceptible al daño en su manipulación, sobre todo el MOSFET, porque las cargas electrostáticas lo destruyen aunque vienen con protección interna.

- Presentan una linealidad bastante pobre, y en general son menos lineales que los BJTs.

- Los BJTs pueden generar corrientes de salida más elevadas para conmutación rápida con cargas capacitivas.

3. El transistor JFET.

3.1 Estudio cualitativo del transistor JFET.

Se empezará mostrando los símbolos utilizados para este tipo de transistores. En la figura 3.1 se muestran estos símbolos, tanto para el caso de canal p como n. Como se puede comprobar son dispositivos de tres terminales que reciben el nombre de: drenador (D, Drain), fuente (S, Source) y puerta (G, Gate). El nombre que reciben estos terminales se justifica por la función que realizan en el funcionamiento del transistor. Así el drenador es el terminal que “drena” (por el que salen) portadores mayoritarios, y la fuente es el terminal que “inyecta” portadores mayoritarios. En el caso de un transistor canal p los portadores mayoritarios son los huecos y en el caso de un canal n los portadores mayoritarios son los electrones. El terminal de puerta es el que actúa como terminal de control de la corriente por el canal.

Fig. 3.1 Secciones transversales de las estructuras básicas de transistores JFET.

En la figura 3.1 también se muestran las secciones transversales de las estructuras básicas de los transistores J-FET, que como se puede observar está formada por:

Un semiconductor tipo n (caso de transistor canal n) o tipo p (caso de transistor canal p) que constituye el canal. Los extremos de este canal son los terminales de Drenador (D) y Fuente (S). La corriente por el canal fluye, por tanto, entre D y S.

Dos zonas de semiconductor tipo p+ (caso de transistor canal n) o tipo n+ (caso de transistores canal p) que constituyen la puerta (G). La razón fundamental de dopar más las zonas correspondientes a la puerta es para que con polarización inversa de las uniones (que es el modo de funcionamiento normal de las mismas, como se verá más adelante) la región de vaciamiento sea mucho más pronunciada en la zona del canal que en la de puerta.

En la descripción del funcionamiento en continua (hablaremos, por tanto, de tensiones y corrientes

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