TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO (FET)

Introducción

Es un dispositivo de tres terminales que se utiliza para aplicaciones, hasta cierto punto, similares a las del BJT.

El BJT es un dispositivo controlado por corriente, esto es, la corriente de salida (Ic o Ie) es una función directa de la corriente de entrada, mientras que el FET es un dispositivo controlado por voltaje, es decir, la corriente de salida I es una función directa del voltaje de entrada.

Hay FETs canal n y canal p, en los que la corriente es unipolar, es decir, depende únicamente de electrones (canal n) o de huecos (canal p), mientras que en los BJT la corriente es bipolar (portadores mayoritarios y minoritarios).

El nombre "Efecto de campo" se debe a que entre las terminales de entrada se establece un campo eléctrico que controla la trayectoria de conducción del circuito de salida.

Como el FET es un dispositivo controlado por voltaje, entonces prácticamente no requiere corriente de entrada por lo que su impedancia de entrada es muy alta, de 1 MΩ a cientos de MΩ, lo cual excede con mucho los niveles de resistencia de entrada de los BJT.

Debido a que el BJT es más sensible a las variaciones de entrada, un amplificador con BJT puede tener mayor ganancia de voltaje que un amplificador con FET.

En general los FET son más estables con respecto a variaciones de temperatura y son de construcción más pequeña que los BJT, lo cual los hace más convenientes para utilizarlos en la fabricación de circuitos integrados.

Hay dos tipos de FET, el JFET (Transistor de efecto de campo de unión) y el MOSFET (Transistor de efecto de campo construcción de metal óxido semiconductor)

(MOSFET)Transistor de efecto de campo construcción de metal, oxido, semiconductor

Hay dos tipos de MOSFET, de empobrecimiento y de enriquecimiento (ambos términos se refieren a su forma de operación) y ambos tipos pueden ser de canal n o canal p.

MOSFET del tipo de empobrecimiento de canal n

En la Figura 10 se muestra un MOSFET de empobrecimiento de canal n. Está formado por un bloque de material tipo p llamado sustrato y es la base sobre la que se construye el transistor. En algunos casos la fuente se une al sustrato y en otros se presenta un dispositivo de 4 terminales. Las terminales de fuente y drenaje se conectan por medio de contactos metálicos a las regiones tipo n unidas por un canal n como se ve en la Figura 10. La compuerta también se conecta a través de un contacto metálico, pero permanece aislada del canal n por una capa muy delgada de bióxido de silicio (SiO2).

Debido a dicha capa, NO hay conexión eléctrica entre la compuerta y el canal del MOSFET, por lo que entre las terminales de entrada del transistor (compuerta y fuente) existe una muy alta impedancia y una capacitancia muy baja.

Por lo anterior la corriente de compuerta IG es prácticamente igual a cero para la polarización de cd.

En algunos textos al MOSFET se le llama (IGFET) (Insulated gate field effect transistor) o transistor de efecto de campo de compuerta aislada.

Figura 10. FET de empobrecimiento canal n; Figura 11. a) Con VGS = 0 y VDD ≠ 0, b) Con VGS < 0 y VDD ≠ 0

Símbolos y construcción del encapsulado

En la Figura 12 se ven los símbolos del MOSFET de empobrecimiento canal n y canal p.

Los símbolos reflejan la construcción del dispositivo. La falta de una conexión directa de la compuerta con el canal se representa por un espacio entre la compuerta y las otras terminales del símbolo. La línea vertical que representa el canal conecta el drenaje con la fuente y está soportada por el sustrato.

La hoja de datos de un MOSFET del tipo de empobrecimiento es similar a la de un JFET. Los niveles de VP e IDSS se proporcionan junto con una lista de los valores máximos y de las características típicas de encendido y apagado. Además, ya que ID se puede extender más allá del nivel de IDSS, normalmente se proporciona otro punto que refleja un valor típico de ID para cierto voltaje positivo (para un MOSFET canal n). Por ejemplo para el MOSFET 2N3797 ID se especifica como ID(encendido) = 9 mA cd con VDS = 10 v y VGS = 3.5 v.

Figura 12. Símbolos gráficos de (a) MOSFET tipo empobrecimiento canal n, (b) MOSFET tipo empobrecimiento canal p

MOSFET del tipo de enriquecimiento

Como se observa en la Figura 13 su construcción es muy similar al tipo de empobrecimiento, la diferencia es que en este caso no hay un canal formado.

Figura 13. Estructura de un MOSFET del tipo de enriquecimiento

En un MOSFET de enriquecimiento de canal n VGS debe de ser positivo.

Operación básica, características

Si VGS = 0, la corriente entre drenaje y fuente ID = 0 aún cuando VDS > 0 (siempre y cuando VDS no sea mayor o igual al voltaje de rompimiento de las uniones entre las regiones n de fuente y drenaje y del sustrato).

Figura 14. MOSFET de enriquecimiento a) Con VGS = 0 y VDS > 0; b) Cambio en la región de canal y en la región de agotamiento por el aumento de VDS con VGS fijo

Si VGS > 0 los electrones libres (portadores minoritarios) en el sustrato p serán atraídos por el voltaje positivo aplicado al contacto metálico de la compuerta, sin embargo no pasan a dicho contacto debido a la capa aislante del SiO2, por lo que entonces se acumulan en el sustrato a lo largo del contacto metálico de la compuerta formando un canal de portadores libres que permite el flujo de ID. La corriente ID

permanecerá igual a cero mA hasta que VGS alcance un cierto nivel llamado voltaje de umbral (VTh), Figura 14 a.

Entonces se forma un canal con esa acumulación de portadores libres, por lo que se le llama MOSFET de enriquecimiento.

Cuando VGS > VTh la densidad de portadores libres en el canal inducido, se incrementa por lo que ID se incrementa. Sin embargo, si VGS se mantiene constante y VDS se incrementa, ID se incrementará hasta que alcance un nivel de saturación.

La estabilización de ID se debe al proceso de estrechamiento del canal inducido como se ve en la Figura 14 b.

Aplicando la Ley de voltaje de Kirchhoff a los voltajes de las terminales del MOSFET, se obtiene:

VDG = VDS – VGS

Si VGS se mantiene fijo, 8 por ejemplo, y VDS se incrementa de 2 a 5 v, VDG

cambiará de -6 a -3 v y la compuerta será menos positiva respecto al drenaje. Esta reducción del voltaje de compuerta respecto al drenaje reducirá la atracción que ejerza sobre los electrones libres en esa región del canal causando una reducción efectiva del ancho del canal. Conforme se reduce esa diferencia de potencial la fuerza de atracción se reducirá aún más, hasta que finalmente el ancho del canal sea mínimo y se alcance el valor de saturación de ID.

El nivel de saturación para VDS esta relacionado con el nivel de VGS por:

VDSsat = VGS – VTh

De la ecuación anterior se obtiene que para un valor fijo de VTh, mientras mayor sea VGS, mayor será el nivel de saturación para VDS.

Para valores de VGS menores a VTh, se tendrá que ID = 0.

Como ejemplo obsérvese la Figura 15, en la que se indica claramente que cuando VGS se incrementa de VTh a 8 por ejemplo, el nivel de saturación de ID cambia de 0 a 10 mA. Además se nota claramente que el espacio entre los niveles de VGS aumenta conforme se incrementa la magnitud de VGS, lo que da como resultado aumentos crecientes en la corriente ID. Por lo que el cambio de ID respecto al cambio de VGS NO ES LINEAL.

Figura 15. Característica ID contra VDS de un MOSFET de tipo de enriquecimiento de canal n con VTh = 2 v y k = 0.278 x 10-3 A/V2

Para VGS > VTh, la relación entre la corriente ID y VGS es:

ID = k(VGS – VTh)2

La ecuación muestra, como ya se dijo antes la relación NO LINEAL entre ID y VGS, donde k es una constante que resulta de la fabricación del dispositivo y se puede calcular con:

k =

Donde. ID(encendido) y VGS(encendido) son los valores en un punto en particular sobre las características del dispositivo.

Ejemplo. En la Figura 15 se ve que ID(encendido) = 10 mA y VGS(encendido) = 8 v, entonces

K = = 0.278 x 10-3 A/V2

Así que entonces: ID = 0.278 x 10-3 (VGS – 2)2

Ejemplo. Si VGS = 4 v ==> ID = 0.278 x 10-3 (VGS – 2)2 = 1.11 mA

Lo anterior se puede verificar en la Figura 15.

Símbolos y construcción del encapsulado

En la Figura 16, se ven los símbolos gráficos de los MOSFET del tipo de enriquecimiento de canal n y de canal p. Observe que los símbolos reflejan la construcción real del dispositivo. La línea punteada entre el drenaje y la fuente reflejan el hecho de que no existe canal entre ambos, cuando no está polarizado el transistor.

Figura 16. Símbolos de MOSFET de tipo de enriquecimiento de a) canal n y b) canal p

MANEJO DEL MOSFET

La delgada capa de SiO2 que hay entre la compuerta y el sustrato de un MOSFET tiene el efecto de presentar una muy alta impedancia de entrada y una capacitancia muy baja. Debido a que, por diversos motivos, se acumula carga estática, como es la fricción con el medio ambiente, se puede llegar a establecer una diferencia de potencial entre la compuerta y el sustrato. Si esta ddp es lo suficientemente grande puede llegar a perforar la capa de SiO2, y dañar el MOSFET. Es entonces muy importante que las terminales del MOSFET permanezcan unidas con el anillo metálico o el papel aluminio que proporciona el fabricante, mientras no se instale en un circuito.

Cuando instala un MOSFET, el técnico debe de conectarse a tierra física con el fin de que elimine la carga estática acumulada en su organismo y no dañe al MOSFET.

S

D

G

Z2

Z1

N MOS

Figura 17. MOSFET protegido por diodos Zener

El fabricante normalmente proporciona el voltaje máximo entre compuerta y fuente. Una forma de proteger el dispositivo es como se muestra en la Figura 18. Sin embargo, este circuito presenta la desventaja de disminuir la impedancia del circuito al que presenta el diodo en polarización inversa, la cual es menor que la impedancia de entrada del MOSFET.

Actualmente la mayoría de los MOSFET tienen un circuito de protección similar integrado, sin embargo, es mejor tratar con cuidado tanto los MOSFET como los circuitos integrados MOS.

POWER MOSFET

La Fig. 18 muestra el esquemático, las curvas de transferencia y el símbolo de un MOSFET. El desarrollo de los MOSFET de potencia fue parcialmente impulsado por las limitaciones de los transistores BJT, los cuales, hasta hace poco, eran ampliamente utilizados en aplicaciones de electrónica de potencia. Aunque no es posible definir los límites de operación de los transistores de potencia, se dice que un dispositivo de potencia es aquel que puede conmutar al menos 1 A. Los transistores de potencia bipolares son dispositivos controlados por corriente, para los que se requiere una corriente de base tan alta como una quinta parte de la corriente de colector para mantenerlos en conducción. También se requieren corrientes de base altas para lograr un apagado rápido. No obstante el desarrollo de la tecnología logrado para producir BJT de alta calidad y bajo costo, las limitaciones antes mencionadas hacen que el diseño del circuito de excitación de base sea más complicado y por tanto más caro que el de los MOSFET de potencia.

Otra limitación de los TBJ es que la corriente está formada tanto por electrones como por huecos. Los huecos tienen un tiempo de vida, como portador de carga, más alto, lo que causa que la velocidad de conmutación sea mucho menor que la de un MOSFET de dimensiones y voltajes, similares. También, los TBJ tienen la característica de corrimiento por temperatura, esto es, su caída de voltaje de colector a emisor cuando conduce, se reduce con el incremento de temperatura, lo que causa que cuando se conectan varios dispositivos en paralelo, unos conduzcan más corriente que otros.

Los MOSFET de potencia, por otro lado, son dispositivos cuya corriente está formada únicamente por portadores mayoritarios sin portadores minoritarios. Su rendimiento es superior en aplicaciones de alta frecuencia con respecto a los TBJ, los cuales presentan pérdidas apreciables de potencia en la conmutación. Además los MOSFET pueden resistir la aplicación simultánea de alta corriente y alto voltaje sin riesgo de destruirse debido al efecto de segundo rompimiento. También, los MOSFET de potencia se pueden conectar en paralelo fácilmente ya que la caída de voltaje en sentido directo se incrementa con incrementos de temperatura, por lo que se puede lograr una distribución uniforme de la corriente entre todos los dispositivos.

Características en régimen permanente

Dado que los MOSFET son dispositivos controlados por voltaje y que tienen una muy alta impedancia de entrada (109 ohms), en la compuerta solo circula una corriente de fuga muy pequeña (nanoampers). Típicamente, la ganancia de corriente es del orden de 109. Sin embargo, en este caso el parámetro más importante es la transconductancia, la cual es la relación de la corriente de drenaje al voltaje de compuerta.

gm = |VDS = cte

La Resistencia de salida ro = RDS, se define como: RDS =

Normalmente es muy alta en la región de estrechamiento, típicamente del orden de los megaohms; y muy pequeña en la región lineal, típicamente del orden de los miliohms.

Figura 19. Curvas características de salida del MOSFET

Para los MOSFET tipo de agotamiento, el voltaje de compuerta puede ser positivo o negativo. Para los MOSFET del tipo de enriquecimiento solo es positivo. En general, los MOSFET de potencia son del tipo de enriquecimiento. Sin embargo, los MOSFET del tipo de agotamiento podrían ser convenientes en algunas aplicaciones.