El Transistor de Efecto de Campo (FET)

El Transistor de Efecto de Campo (FET)
J.I.Huircan, R.A. Carrillo
Universidad de La Frontera.
December 10, 2011
Abstract
El FET es un dispositivo activo que opera como una fuente de corriente controlada por voltaje. Los más comunes son los transistores de
compuerta aislada llamados MOSFET y los de compuerta de unión llamados JFET. Posee cuatro zonas de operación, ohmica o lineal, saturación,
corte y ruptura.
1
Introducción
El Transistor de Efecto de Campo ( Field E¤ect Transistor) es un dispositivo
semiconductor cuyo funcionamiento se basa en el control de la corriente por
medio de un campo eléctrico. Estos fueron propuestos inicialmente en su versión
JFET por W. Shockley en 1952.
1.1
Características Generales
El FET tiene tres terminales: Fuente (Source), Drenador (Drain) y Compuerta
(Gate). Este último es el terminal de control. El voltaje aplicado entre la
compuerta y la fuente controlará la corriente entre la fuente y el drenador. Es
un dispositivo unipolar, pues, la corriente es transportada por portadores de una
polaridad, será canal N si la corriente se debe a e , o canal P, si la corriente se
debe a h+ .
Ventajas
Alta impedancia de entrada 107
10
12
[ ]:
Ideal como etapa de entrada para todo ampli…cador.
Mejor estabilidad a To que el BJT.
Niveles de ruido más bajo.
Tecnología de fabricación más sencilla
Desventajas
1
Respuesta en frecuencia no muy aceptable, debido a su alta capacidad de
entrada.
No poseen buena linealidad.
Muy sensibles a descargas electrostáticas.
1.2
Tipos de FET
De puerta aislada, MOSFET (Metal - Oxide - Semiconductor FET).
De puerta de unión, MESFET o bien, JFET (junction FET).
FET
Puerta Aislada
Puerta de Unión
MOSFET
Enriquecimiento
Canal N
D
G
JFET
Empobrecimiento
Canal P
D
Canal N
D
G
G
G
S
S
MESFET
Canal N
Canal P
D
D
Canal P
D
D
S
S
S
S
S
G
G
G
Figure 1: Tipos de FET.
2
El MOSFET de enriquecimiento canal n
También recibe el nombre de MOSFET de Acumulación, Incremental o Acrecentamiento. El símbolo se muestra en la Fig. 2b. Si el sustrato está unido a la
fuente, se simpli…ca de acuerdo a la Fig. 2 c - d.
G
S
n
n
G
Sustrato
p
D
D
D
D
G
G
S
S
S
Sustrato
(a)
(b)
(c)
(d)
Figure 2: (a) MOSFET canal n. (b) Símbolo. (c) Simbolo, sustrato unido a la
fuente. (d) Símbolo abreviado del MOSFET.
2
2.1
Funcionamiento
De acuerdo el diagrama de la Fig. 2a, la compuerta está aislada por una película
de SiO2 (Dióxido de silicio), el transistor se polariza de acuerdo a la Fig. 3a.
v
GS
iD
G
v
GS
+
iD
G
S
D
+
+
D
n
n
v
DS
+
p
v
DS
S
(b)
(a)
Figure 3: Polarización del MOSFET.
El análisis se realiza de acuerdo a la variación del voltaje en la compuerta y
el voltaje vDS . Para vGS = 0, de acuerdo a la Fig. 4a se observan dos junturas,
sustrato-drenador y sustrato-fuente, donde la primera está polarizada inversa
debido a vDS , así iD = 0, por lo tanto se dice que el transistor está en corte. El
MOSFET permanecerá en corte para valores de vGS menores al voltaje umbral
VT .
v
> VT
GS
+
v = 0
GS
iD
G
S
D
n
+
p
(a)
G
S
n
n
v GS > V T
vDS
iD
------
+
D
n
p
v
DS
(b)
D
n
n
+
iD
G
S
+
p
vDS > v _V
GS T
(c)
Figure 4: (a) vGS = 0. (b) Formación del canal n. (b) Estrangulamiento del
canal.
Si se incrementa vGS , la tensión positiva en la compuerta, de acuerdo a la
Fig. 4b, ésta atrae a los e del sustrato ubicado entre los terminales D y S , lo
que implica que dichos e se acumulan en la super…cie inferior de la compuerta
(G), formándose un canal conductor tipo n, produciéndose una corriente iD para
vGS > VT . Al aumentar lévemente vDS , la corriente iD aumenta de acuerdo a
(1), lo cual ocurre mientras vDS < (vGS VT ).
iD = k 2 (vGS
VT ) vDS
2
vDS
(1)
Esta zona se conoce como zona ohmica o lineal, sin embargo, al aumentar
vDS , el canal se empieza a estrechar hasta que se produce el estrangulamiento
3
(pinch-o¤) como se indica en la Fig. 4c. Esto ocurre para valores de vDS =
vGS VT : Dado que se produce un aumento de la resistencia del canal, para un
nuevo aumento de vDS , el aumento de iD será pequeño, por lo tanto el FET se
encuentra en saturación y su comportamiento estará dado por (2).
iD = k (vGS
2
VT )
(2)
Donde k depende de la estructura física del FET. La curva indicada en la
Fig. 5 muestra el comportamiento de la ecuación (1) y (2) para un valor vGS
…jo mayor que VT , en función de vDS .
iD
v DS > v
vDS < vGS - VT
Ohmica
GS
Saturación
- VT
vDS
Figure 5: Zona ohmica y saturación.
La curva iD vGS se indica en la 6a. Para distintos valores de vGS es posible
obtener distintas curvas iD vDS , luego para valores de vGS3 > vGS2 > vGS1 se
tendrán las curvas de la Fig. 6b.
iD
iD
[mA]
[mA]
Región
Óhmica
Región
S a t ura ció n
v
GS 3
v
GS 2
v
GS 1
V
T
v
[V]
GS
C orte
(a)
v
DS
[V]
(b)
Figure 6: (a) Curva iD vGS . (b) Curva iD vDS del MOSFET de acumulación.
2.2
Características del MOSFET de Enriquecimiento
No existe IDSS :
4
Se utilizan para fabricación de circuitos integrados.
Requiere una vGS > 0.
Para canal n, vT > 0 y vGS > 0; para canal p, VT < 0 y vGS < 0:
2
Para vGS > vT ) iD = k (vGS VT ) , donde k es una constante dependiente
del método de fabricación, su dimensión es [ mA
V 2 ]:
3
El JFET canal n
Sea el JFET canal n de la Fig. 7.
G
D
p
S
G
D
Canal n
p
S
(b)
(a)
Figure 7: (a) Estructura de un JFET. (b) Símbolo.
La operación del JFET se realiza mediante un circuito externo como se
muestra en la Fig. 8. Se aplica una fuente de tensión VDD , al drenaje y una
fuente de tensión a la compuerta, VGG . La fuente VDD provoca una tensión
vDS , la cual hace circular una corriente de drenaje iD hacia la fuente, la que
será identica a la corriente de la fuente. La tensión vGS que es igual la VGG ,
crea una región desértica en el canal, que reduce el ancho de éste y por lo tanto
aumenta la resistencia entre el drenaje y fuente, como la juntura compuerta fuente está polarizada inversa, entonces la corriente por la compuerta es cero.
+
+
G
VGG
G
VGG
D
V
DD
S
+
p
Canal n
p
D
+
VDD
S
(a)
(b)
Figure 8: Polarización del JFET.
Considerando VGG = 0 y un pequeño potencial en el drenaje como se indica
en la Fig. 9a, los e ‡uirán desde la fuente hasta el drenador, así existirá una
5
v
GS
=0
G
G
p
S
D
Canal n
+
p
p
S
+
+
+
+
p
VDD
(a)
D
+
VDD
(b)
Figure 9: Funcionamiento del JFET.
corriente iD . La corriente en la compuerta será cero, pues la juntura p-n está
polarizada inversa.
La intensidad de la corriente dependerá de vDS . Mientras aumenta vDS , la
corriente iD alcanza la saturación. Si vDS sigue aumentando iD será constante.
La corriente de saturación para vGS = 0, se denomina IDSS . Haciendo vGS más
negativo, se crea una región desértica (región donde no existen portadores) y se
cierra para un valor de iD menor al de saturación.
iD
[mA]
iD
I
DSS
0
[mA]
I
DSS
-1
-2
[V]
v
DS
[V]
v
GS Vp
(a)
(b)
Figure 10: (a) Curva iD
vDS . (b) Característica iD
vGS .
Si vGS disminuye más, se alcanza un valor de vGS después del cual iD se
hace cero, sin importar el valor de vDS . este valor se llama vGSOF F , o tensión
de estrangulamiento (Vp ). Para el JFET el Vp es negativo. La ecuación de
Schockley indicada en (3) describe la característica iD vGS del JFET, la cual
se indica grá…camente en la Fig. 10b.
iD = IDSS 1
vGS
Vp
2
(3)
Donde IDSS es la corriente de saturación inversa y Vp ; la tensión de estrangulación del canal. Bastará conocer IDSS y Vp ;los cuales son proporcionados
por el fabricante, para que la característica quede determinada . La corriente
IDSS es función de la T o . Vp < 0 para JFET canal n y Vp > 0 para JFET canal
6
iD
[mA]
I = 10
DSS
0
-1
-2
[V]
v
GS
v
DS
-3
Figure 11: Ejemplo de curva iD
vGS ; iD
[V]
vDS .
p. La Curva de la Fig. 11, entrega una descripción completa del dispositivo, en
ella se dibuja la ecuación de Schockley en conjunto con la curva de salida.
4
Polarización Básica del JFET
4.1
Diseño
Sea el circuito de polarización, diseñar para IDQ = 3 [mA], vDS = 4 [V ] ; IDSS =
5 [mA], VDD = 10 [V ] y Vp = 4 [V ] :
RD
RG
VGG
iD
iG
V
DD
Figure 12: Circuito de Polarización …ja para el FET.
Planteando la una ecuación en la entrada, se tiene
VGG = iG RG + vGS
(4)
Planteando una ecuación en la salida
VDD = iD RD + vDS
Dado que iG = 0, entonces VGG =
se determina vGS .
(5)
vGS : Mediante la ecuación de Schockley
7
3 [mA]
vGS
= 5 [mA] 1
=
r
4
3
5
!
1
2
vGS
4 [V ]
=
(6)
0:901 [V ]
(7)
Así se tiene que VGG = 0:901 [V ] ; luego de la ecuación de salida
RD =
VDD
vDS
iD
=
10 [V ] 4 [V ]
= 2 [K ]
3 [mA]
(8)
El valor de RG se considera un valor alto, comunmente 1 [M ] : El punto de
operacion se muestra en la Fig. 13.
iD
[mA]
5
0V
-0.9V
3
[V] v
GS
-4
4
-0.9
10
v
DS [V]
Figure 13: Ejemplo punto de operación.
5
Conclusiones
El FET es un dispositivo activo que funciona como una fuente de corriente controlada por voltaje. Básicamente el voltaje en la compuerta vGS , controla la
corriente iD entre el drenador y la fuente. Para el JFET, la ecuación que da
cuenta del comportamiento es la ley de Schockley, en la cual al corriente IDSS ,
llamada corriente de saturación será la máxima permitida (para el JFET canal
n), el voltaje Vp (también llamado VGSOF F ) permite establecer el rango del
voltaje vGS y delimita el corte del transistor. Para el MOSFET de enriquecimiento se utiliza la relación en la región de saturación como ecuación para la
zona activa, donde la el voltaje umbral VT , establece el valor mínimo del voltaje
en la compuerta, la constante K de fabricación será considerada como dato del
fabricante.
8