TRANSISTOR FET

TRANSISTOR FET
TRANSISTOR FET (Introducción).
Los transistores más conocidos son los llamados bipolares (NPN y PNP), llamados así
porque la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos
polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en gran
número de aplicaciones pero tienen ciertos inconvenientes, entre los que se encuentra
su impedancia de entrada bastante baja.
Existen unos dispositivos que eliminan este inconveniente en particular y que
pertenece a la familia de dispositivos en los que existe un solo tipo de portador de
cargas, y por tanto, son unipolares. Se llama transistor de efecto campo.
2) Explicación de la combinación de portadores.
Puesto que hay una tensión positiva entre el drenador y el surtidor, los
electrones fluirán desde el surtidor al drenador (o viceversa según la configuración del
mismo), aunque hay que notar que también fluye una corriente despreciable entre el
surtidor (o drenador) y la puerta, ya que el diodo formado por la unión canal – puerta,
esta polarizado inversamente.
En el caso de un diodo polarizado en sentido inverso, donde inicialmente los
huecos fluyen hacia la terminal negativa de la batería y los electrones del material N,
fluyen hacia el terminal positivo de la misma.
Lo anteriormente dicho se puede aplicar al transistor FET, en donde, cuando
se aumenta VDS aumenta una región con empobrecimiento de cargas libres
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.
3) Explicación de sus elementos o terminales.
Un transistor de efecto campo (FET) típico está formado por una barrita de material p
ó n, llamada canal, rodeada en parte de su longitud por un collar del otro tipo de
material que forma con el canal una unión p-n.
En los extremos del canal se hacen sendas conexiones óhmicas llamadas
respectivamente sumidero (d-drain) y fuente (s-source), más una conexión llamada
puerta (g-gate) en el collar.
La figura muestra el croquis de un FET con canal N
Símbolos gráficos para un FET de canal N
Símbolos gráficos para un FET de canal P
Fundamento de transistores de efecto de campo:
Los transistores son tres zonas semiconductoras juntas dopadas alternativamente con
purezas donadoras o aceptadoras de electrones.
Su estructura y representación se muestran en la tabla.
Modelo de transistor FET
canal n
Modelo de transistor FET
canal p
Las uniones Puerta-Drenador y la Surtidor-Puerta están polarizadas en inversa de tal
forma que no existe otra corriente que la inversa de saturación de la unión PN.
La zona n (en el FET canal n) es pequeña y la amplitud de la zona de deplexión afecta
a la longitud efectiva del canal. La longitud de la zona de deplexión y depende de la
tensión inversa (tensión de puerta).
Zonas de funcionamiento del transistor de efecto de campo (FET):
•
•
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.
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 drenador es nula (ID=0).
A diferencia del transistor BJT, los terminales drenador y surtidor del FET pueden
intercambiar sus papeles sin que se altere apreciablemente la característica V-I (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 sigmifica que todos los voltajes y corrientes son de
sentido contrario.
Entre las principales aplicaciones de este dispositivo podemos destacar:
APLICACIÓN
Aislador o separador
(buffer)
PRINCIPAL VENTAJA
Impedancia de entrada
alta y de salida baja
Amplificador de RF
Bajo ruido
Baja distorsión de
intermodulación
Facilidad para controlar
Amplificador con CAG
ganancia
Mezclador
Amplificador cascodo Baja capacidad de entrada
Troceador
Ausencia de deriva
Resistor variable por
voltaje
Se controla por voltaje
Amplificador de baja
frecuencia
Oscilador
Circuito MOS digital
Capacidad pequeña de
acoplamiento
Mínima variación de
frecuencia
Pequeño tamaño
USOS
Uso general, equipo de medida,
receptores
Sintonizadores de FM, equipo para
comunicaciones
Receptores de FM y TV,equipos para
comunicaciones
Receptores, generadores de señales
Instrumentos de medición, equipos
de prueba
Amplificadores de cc, sistemas de
control de dirección
Amplificadores operacionales,
órganos electrónicos, controlas de
tono
Audífonos para sordera,
transductores inductivos
Generadores de frecuencia patrón,
receptores
Integración en gran escala,
computadores, memorias
Siempre nos va a interesar estar en la región de saturación, para que la única variable
que me controle la cantidad de corriente que pase por el drenador sea la tensión de
puerta.
Ecuación de Shockley:
ID=IDSS(1VGS/Vp)2
Donde:
•
Vp es la tensión de puerta que produce el corte en el transistor FET.
•
IDSS es la corriente máxima de drenador que circula por el transistor, al
aumentar VDS, cuando la polarización de la puerta es VSG= 0 vol
PARAMETROS DEL FET
La corriente de sumidero Id es función tanto de la tensión de sumidero Vds como de la
puerta Vgs. Como la unión está polarizada inversamente, suponemos que la corriente
de puerta es nula, con lo que podemos escribir:
Ig = 0 e
Id = ƒ(Vds, Vgs)
En la zona de estricción (saturación) en que las características son casi rectas (en el
gráfico, son horizontales, pero en realidad tienen una pendiente positiva) podemos
escribir la respuesta del transistor para pequeños incrementos de Vds y Vgs en esta
forma
El parámetro rd se llama resistencia diferencial del sumidero del FET, y es la inversa de
la pendiente de la curva. Que como en el gráfico, dicha pendiente es cero (en la
realidad, como he dicho antes existe algo de pendiente), entonces la rd es infinita
(muy grande).
El parámetro gm se le denomina conductancia mutua o transconductancia, y es igual a
la separación vertical entre las características que corresponden a diferencias de valor
de Vgs de 1 voltio.
4) TÉCNICAS DE MANUFACTURA.
Es un dispositivo de tres terminales y dos junturas, creado en un material
semiconductor sólido cristalino (generalmente germanio, silicio, ó arseniuro de galio)
con diferentes contaminaciones, que permite regular la circulación de una corriente
eléctrica mediante una corriente de control, mucho menor.
El primer transistor se creó en los laboratorios Bell (Estados Unidos de N.A.) en 1947,
partiendo de una oblea de germanio, gracias a los trabajos de William Shockley, John
Bardeen, y Walter Brattain, por lo cual recibieron el premio Nobel.
En el año 1954, la firma Texas Instruments de Estados Unidos, fabricó el primer
transistor de silicio, lo cual bajó los costos y permitió, gracias a nuevas técnicas de
fabricación, su comercialización a gran escala.
Han reemplazado en la mayoría de las aplicaciones a los tubos ó válvulas electrónicas,
en los circuitos de radio, audio, etc. permitiendo la fabricación de equipos portátiles e
inmunes a vibraciones y de bajo consumo de energía (en los primeros tiempos se
llamaba a los equipos transistorizados de "estado sólido" o "frios").
Como se indicó con anterioridad, el JFET es un dispositivo de tres terminales, siendo
una de ellas capaz de controlar el flujo de corriente entre las otras dos. En nuestra
explicación sobre el transistor BJT se utilizó el transistor npn a lo largo de la mayor
parte de las secciones de análisis y diseño, con una sección dedicada a los efectos
resultantes de emplear un transistor pnp. Para el transistor JFET el dispositivo de
canal-n aparecerá como el dispositivo predominante, con párrafos y secciones
dedicadas a los efectos resultantes del uso de un JFET de canal-p.
La construcción básica del JFET de canal-n se muestra en la figura siguiente Observe
que la mayor parte de la estructura es el material tipo n que forma el canal entre las
capas difundidas en material tipo p. El extremo superior del canal tipo n se conecta
mediante contacto óhmico a la terminal denominada como drenaje (drain) (D),
mientras que el extremo inferior del mismo material se conecta por medio de contacto
óhmico a la terminal llamada la fuente (source) (S). Los dos materiales tipo p se
encuentran conectados juntos y al mismo tiempo hacia la terminal de compuerta
(gate) (Q). Por tanto, esencialmente el drenaje y la fuente se conectan en esencia a
los extremos del canal tipo n y la compuerta, a las dos capas del material tipo p. En
ausencia de cualquiera de los potenciales aplicados, el JFET tiene dos uniones p-n bajo
condiciones sin polarización. El resultado es una región de agotamiento en cada unión,
como se ilustra en la figura siguiente, que se parece a la misma región de un diodo
bajo condiciones sin polarización. Recuérdese también que una región de agotamiento
es aquella región carente de portadores libres y por lo tanto incapaz de permitir la
conducción a través de la región.
Transistor de unión de efecto de campo (JFET).
Muy pocas veces las analogías son perfectas y en ocasiones pueden ser engañosas,
pero la analogía hidráulica de la figura siguiente proporciona un sentido al control del
JFET en la terminal de compuerta y a la conveniencia de la terminología aplicada a las
terminales del dispositivo. La fuente de la presión del agua puede semejarse al voltaje
aplicado del drenaje a la fuente, el cual establecerá un flujo de agua (electrones)
desde el grifo o llave (fuente). La "compuerta", por medio de una señal aplicada
(potencial), controla el flujo del agua (carga) hacia el "drenaje". Las terminales del
drenaje y la fuente están en los extremos opuestos del canal-n, como se ilustra en la
figura anterior, debido a que la terminología se define para el flujo de electrones.
Analogía hidráulica para el mecanismo de control del JFET.
VGS = 0 V, Vds cualquier valor positivo
En la figura siguiente se ha aplicado un voltaje positivo VDS y a través del canal y la
compuerta se ha conectado en forma directa a la fuente para establecer la condición
VGS = 0 V. El resultado es que las terminales de compuerta y fuente se hallan al
mismo potencial y hay una región de agotamiento en el extremo inferior de cada
material p, semejante a la distribución de las condiciones sin polarización de la figura
del transistor FET. En el instante que el voltaje vDD ( = VDS) se aplica, los electrones
serán atraídos hacia la terminal de drenaje, estableciendo la corriente convencional ID
con la dirección definida de la figura siguiente la trayectoria del flujo de carga revela
con claridad que las comentes de fuente y drenaje son equivalentes (ID = Is). Bajo las
condiciones que aparecen en la figura siguiente, el flujo de carga es relativamente
permitido y limitado únicamente por la resistencia del canal-n entre el drenaje y la
fuente.
JFET en la región VGS = 0 V y VDS > 0 V.
Es importante observar que la región de agotamiento es más ancha cerca del extremo
superior de ambos materiales tipo p. La razón para el cambio en la anchura de la
región se puede describir mejor con la ayuda de la figura siguiente. Suponiendo una
resistencia uniforme en el canal-n, la resistencia del canal puede dividirse en las partes
que aparecen en la figura siguiente. La corriente ID establecerá los niveles de voltaje a
través del canal, como se indica en la misma figura. El resultado es que la región
superior del material tipo p estará inversamente polarizada alrededor de los 1.5 V, con
la región inferior inversamente polarizada sólo en los 0.5 V. Recuérdese, la explicación
de la operación del diodo, que cuanto mayor sea la polarización inversa aplicada,
mayor será la anchura de la región de agotamiento, de aquí la distribución de la región
de agotamiento que se muestra en la figura siguiente. El hecho de que la unión p-n
esté inversamente polarizada en la longitud del canal da por resultado una corriente de
compuerta de cero amperes, como se ilustra en la misma figura. El hecho que iG = O
A es una importante característica del JFET.
Variación de los potenciales de polarización inversa a través de la unión p-n de un JFET
de canal n.
5) Explicación de su encapsulado e identificación de sus terminales.
La fabricación de varios de estos dispositivos conectados en diversas configuraciones
en una misma oblea de silicio, permitió crear los circuitos integrados o chips, base de
todos los aparatos electrónicos modernos.
Conectados de manera apropiada, permite amplificar señales muy débiles, convertir
energía, encender o apagar sistemas de elevada potencia, crear osciladores desde
frecuencias bajas hasta frecuencias de radio, etc.
Según sea el orden de los materiales que forman las junturas, existen los transistores
tipo NPN ó PNP, los cuales, en disposiciones circuitales apropiadas permiten crear una
enorme cantidad de circuitos para diversos fines, ya que se complementan pues
funcionan con sentidos opuestos de circulación de corriente.
En la actualidad, existen una gran variedad de transistores, de efecto de campo o FET
(el electrodo de control actúa por medio de campo eléctrico), los tipo unijuntura, los
MOS o de óxido metálico (variante de los FET), y otras variaciones como los VMOS
(usados para controlar grandes potencias y tensiones), etc.
Existe una innumerable cantidad de diseños, especializados para alta potencia, bajo
ruido eléctrico, alta frecuencia, alta ganancia de corriente, alta tensión, aplicaciones de
conmutación, etc.