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Introducción
Este trabajo está destinado a resumir puntos importantes sobre el dispositivo FET y sus variantes tomando de referencia la más utilizada que es MOSFET. Conocer su historia, evolución y usos mas importantes. Es de bien asumir que el desarrollo de estos dispositivos electrónicos da como resultados un avance en la tecnología como la conocemos hoy en día. Los transistores de efecto de campo (FET) son dispositivos de tres terminales: FUENTE (Source), DRENAJE (Drain) y PUERTA (Gate) que trabajan controlando la corriente entre drenaje y fuente a través del campo eléctrico establecido mediante la tensión aplicada al terminal de puerta. Algunos tipos de FET presentan facilidades en cuanto a su integración en áreas pequeñas y se utilizan especialmente en altas escalas de integración (LSI o VLSI), con un amplio desarrollo para circuitos digitales (microprocesadores, memorias, etc.) y un permanente avance en su utilización en circuitos integrados de aplicación analógica. Teniendo en cuenta que pueden llegar a manejar más de 10 A de corriente. Se utilizan en diversas aplicaciones en reemplazo del transistor bipolar, dando un alto rendimiento en circuitos relativamente simples^1. El MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido de metal), antes mencionado, es un tipo especial de transistor de efecto de campo en el que el electrodo de puerta es una pequeña placa de metal aislada del sustrato por una película delgada de dióxido de silicio. La corriente de fuga de la compuerta, tan baja como 10 picoamperios en algunos modelos, es mucho menor que la del FET de unión y da como resultado una resistencia de entrada comparable a la del tubo de vacío. Por lo tanto, a todos los efectos prácticos, el MOSFET, como el tubo de vacío, es esencialmente un dispositivo accionado por voltaje. (^1) https://www.fceia.unr.edu.ar/eca1/files/teorias/TransistoresdeEfectoDeCampo.pdf
Historia
En 1959 MM (John) Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs lograron el primer transistor de efecto de campo de puerta aislada (FET) exitoso, que Lilienfeld, Heil, Shockley y otros (1926 Milestone) habían anticipado durante mucho tiempo al superar la "Superficie" que bloquearon la penetración de campos eléctricos en el material semiconductor. Al investigar las capas de dióxido de silicio crecidas térmicamente, encontraron que estos estados podrían reducirse notablemente en la interfaz entre el silicio y su óxido en un sándwich que comprende capas de metal (puerta M), óxido (O - aislamiento) y silicio (S - semiconductor), de ahí el nombre MOSFET, conocido popularmente como MOS. Como su dispositivo era lento y no respondía a necesidades urgentes del sistema telefónico, no se siguió adelante. En un memorando de 1961, sin embargo, Kahng señaló su potencial "facilidad de fabricación y la posibilidad de aplicación en circuitos integrados". Pero los investigadores de Fairchild y RCA reconocieron estas ventajas. En 1960, Karl Zaininger y Charles Meuller fabricaron un transistor MOS en RCA y C.T. Sah de Fairchild construyó un tetrodo controlado por MOS. Fred Heiman y Steven Hofstein siguieron en 1962 con un dispositivo integrado experimental de 16 transistores en RCA. La región conductora del transistor MOS es de tipo p (lo que la convierte en un dispositivo de "canal p") o de tipo n (dispositivo de "canal n"). Estos últimos son más rápidos que el canal p pero son más difíciles de hacer. Los dispositivos MOS llegaron al mercado comercial en 1964. General Microelectronics (GME 1004) y Fairchild (FI 100) ofrecieron dispositivos de canal p para aplicaciones lógicas y de conmutación; RCA introdujo un transistor de canal n (3N98) para amplificar señales. Debido a su tamaño más pequeño y menor consumo de energía que los dispositivos bipolares, más del 99 por ciento de los microchips producidos en la actualidad utilizan transistores MOS. Lograr tal ubicuidad requirió décadas de esfuerzo^2. 2
Al igual que los transistores de unión bipolar, los MOSFET se componen de dos regiones semiconductoras diferentes, n y p. En lugar de crear una corriente a través del dispositivo rellenando los "agujeros" en la región p, el MOSFET forma un "canal" de la capa n cargada positivamente entre las dos n secciones, como se muestra en la Ilustración 2 Este "canal" se forma cuando Se aplica un voltaje a través de la puerta, que atrae los electrones en la región n más cercana a la carga de la puerta. La fuerza del voltaje de la puerta determina la geometría del canal y la corriente que pasa a través de él. La Ilustración 3 muestra la característica de drenaje del MOSFET, la relación entre el voltaje de drenaje-fuente y la corriente de drenaje^3. Ilustración 2 Estructura MOSFET, ejemplo Tipo P y N. (^3) http://www.me.sc.edu/courses/emch367/Download/CircuitePractics/mosfet.pdf Ilustración 4 Región de operación del MOSFET. Ilustración 3 Región de operación del MOSFET
Terminología utilizada en el análisis de circuitos MOSFET
VDS: el voltaje máximo entre el drenaje y la fuente que se garantiza que el dispositivo bloque en el estado apagado. Esta sección de la hoja de datos trata sobre los más utilizados rangos de temperaturas, a diferencia del rango de temperatura completo del dispositivo. ID - la corriente continua máxima que el dispositivo puede transportar con la base de montaje sujeta continuamente a 25oC con el dispositivo completamente encendido. En el Ptot : la potencia continua máxima que el dispositivo puede disipar con la base de montaje sujeta continuamente a 25oC. RDS (on) (fuente de drenaje en estado de resistencia): la resistencia típica y máxima del dispositivo en el estado encendido en las condiciones descritas. RDS (activado) varía mucho con T y el voltaje de la fuente de puerta (VGS). QGD (carga de drenaje de puerta): un parámetro de conmutación importante que se relaciona con la pérdida de conmutación, junto con QGS y QG (tot). QGD es inversamente proporcional a RDS (on), por lo que elegir un el equilibrio adecuado entre RDS (on) y QGD es fundamental para un rendimiento óptimo del circuito. QOSS (carga de salida): un parámetro de conmutación cada vez más importante en los MOSFET modernos, ya que se han optimizado los demás parámetros de conmutación. EDS(AL)S (energía de avalancha de fuente de drenaje no repetitiva): describe la energía máxima permitido en cualquier pico de voltaje o pulso que exceda la clasificación VDS del dispositivo, excesivo esta clasificación, corre el riesgo de dañar el dispositivo. Este parámetro describe lo que es comúnmente denominado "robustez", que es la capacidad del dispositivo para resistir eventos de sobretensión.
Ilustración 5 Simbología de FET y MOSFET
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^4.
Análisis del funcionamiento
Primero se analizará el efecto de las variaciones de la tensión de puerta - fuente manteniendo constante la tensión de drenaje - fuente en un valor pequeño. Luego se mantendrá la tensión puerta - fuente constante haciendo variar la tensión drenaje - fuente. A partir de estos análisis se diferenciarán las distintas zonas de funcionamiento: zona de corte, zona óhmica o resistiva, zona de estrangulación o saturación del canal y zona de ruptura. a) Tensión de drenaje - fuente constante (VDS=cte.). Si se aplica una tensión constante pequeña (fracción de voltio) entre drenaje y fuente, la corriente de drenaje (ID) resulta función de la tensión aplicada entre puerta y fuente (VGS). Esta corriente puede fluir aun con una polarización nula en la puerta. A medida que se aumenta la polarización inversa de puerta la corriente entre drenaje y fuente va disminuyendo (el canal se angosta debido al efecto de la carga espacial) hasta que, para un determinado valor de tensión de puerta (VP, tensión de contracción del canal o de pinch-off ) la circulación se interrumpe. El dispositivo se corta pues se ha producido el total vaciamiento de portadores en el canal debido al efecto de recombinación de las cargas libres. En un JFET de canal N (N-JFET), la tensión de contracción es negativa e ID es positiva. Lo inverso ocurre en un JFET de canal P^5. (^4) https://www.electronicafacil.net/tutoriales/TRANSISTOR-FET.html (^5) https://www.fceia.unr.edu.ar/eca1/files/teorias/TransistoresdeEfectoDeCampo.pdf
Al variar la tensión entre drenador y surtidor varia la intensidad de drenador permaneciendo constante la tensión entre puerta y surtidor. En la zona óhmica o lineal se observa como al aumentar la tensión drenador surtidor aumenta la intensidad de drenador. En la zona de saturación el aumento de la tensión entre drenador y surtidor produce una saturación de la corriente de drenador que hace que esta sea constante. Cuando este transistor trabaja como amplificador lo hace en esta zona. La zona de corte se caracteriza por tener una intensidad de drenador nula. La zona de ruptura indica la máxima tensión que soportará el transistor entre drenador y surtidor. Es de destacar que cuando la tensión entre puerta y surtidor es cero la intensidad de drenador es máxima.
Efecto de la temperatura
A medida que aumenta la temperatura disminuye la movilidad de los portadores, los iones de la red cristalina tienen mayor vibración provocando una menor libertad de movimiento de los portadores en la estructura cristalina. Este efecto produce, para un campo eléctrico dado, una disminución de las velocidades y, en consecuencia, una reducción de la corriente de drenaje (0,7%/oC). Paralelamente se produce una disminución del ancho de la barrera puerta - canal a medida que aumenta la temperatura, este efecto tiende a aumentar la tensión de contracción (VP), o sea que para la misma tensión de puerta - fuente obtengo una menor corriente (∆VP ≈ -2,2 mV/oC).
Modos de configuración del FETs
Configuración de fuente común (CS)
En la configuración de fuente común (similar al emisor común), la entrada se aplica a la puerta y su salida se toma del drenaje como se muestra. Este es el modo de funcionamiento más común del FET debido a su alta impedancia de entrada y buena amplificación de voltaje y, como tal, los amplificadores de fuente común se utilizan ampliamente. Ver en la ilustración Ilustración 6 Configuración fuente común del FETs. El modo de fuente común de conexión FET generalmente se usa en amplificadores de frecuencia de audio y en etapas y preamplificadores de alta impedancia de entrada. Al ser un circuito amplificador, la señal de salida está 180o^ “desfasada” con la entrada. Configuración de puerta común (CG) En la configuración de puerta común (similar a la base común), la entrada se aplica a la fuente y su salida se toma del drenaje con la puerta conectada directamente a tierra (0v) como se muestra en la Ilustración 7. La característica de alta impedancia de entrada de la conexión anterior se pierde en esta configuración ya que la puerta común tiene una baja impedancia de entrada, pero una alta impedancia de salida. Este tipo de configuración FET se puede utilizar en circuitos de alta frecuencia o en circuitos de adaptación de impedancia donde una impedancia de entrada baja debe combinarse con una impedancia de salida alta. La salida está "en fase" con la entrada. Ilustración 7 Configuración de puerta común (CG) del FETs.
Tipos de FETs
6 FET o JFET (Junction Field Effect Transistor). MOST o MOSFET o IGFET (Metal Oxide Semiconductorñ Transistor o Insulated Gate Field Effect Transistor).
Clasificación según el método de aislamiento entre el canal y la
puerta
El MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) usa un aislante (normalmente SiO2). El JFET (Junction Field-Effect Transistor) usa una unión p-n. El MESFET (Metal-Semiconductor Field Effect Transistor) substituye la unión PN del JFET con una barrera Schottky. En el HEMT (High Electron Mobility Transistor), también denominado HFET (heterostructure FET), la banda de material dopada con "huecos" forma el aislante entre la puerta y el cuerpo del transistor. Los MODFET (Modulation-Doped Field Effect Transistor). Los IGBT (Insulated-gate bipolar transistor) es un dispositivo para control de potencia. Son comunmente usados cuando el rango de voltaje drenaje-fuente está entre los 200 a 3000V. Aun así los Power MOSFET todavía son los dispositivos más utilizados en el rango de tensiones drenaje-fuente de 1 a 200V. Los FREDFET es un FET especializado diseñado para otorgar una recuperación ultra rápida del transistor. Los DNAFET es un tipo especializado de FET que actúa como biosensor, usando una puerta fabricada de moléculas de ADN de una cadena para detectar cadenas de ADN iguales (^6) https://www.ecured.cu/Transistor_de_efecto_campo
Ejemplos de aplicación
APLICACIÓN
PRINCIPAL
VENTAJA
USOS
Aislador o separador (buffer) Impedancia de entrada alta y de salida baja Uso general, equipo de medida, receptores Amplificador de RF Bajo ruido Sintonizadores de FM, equipo para comunicaciones Mezclador Baja distorsión de intermodulación Receptores de FM y TV,equipos para comunicaciones Amplificador con CAG Facilidad para controlar ganancia Receptores, generadores de señales Amplificador cascodo Baja capacidad de entrada Instrumentos de medición, equipos de prueba Troceador Ausencia de deriva Amplificadores de cc,
dispositivos en un circuito integrado (es decir, puede obtener una densidad de empaque mayor).
- Los FET se comportan como resistores variables controlados por tensión para valores pequeños de tensión de drenaje a fuente.
- La alta impedancia de entrada de los FET les permite almacenar carga el tiempo suficiente para permitir su utilización como elementos de almacenamiento.
- Los FET de potencia pueden disipar una potencia mayor y conmutar corrientes grandes.
Desventajas del FET
- Los FET exhiben una respuesta en frecuencia pobre debido a la alta capacitancia de entrada.
- Algunos tipos de FET presentan una linealidad muy pobre.
- Los FET se pueden dañar al manejarlos debido a la electricidad estática.
CONCLUSION
Es necesario conocer el tipo de encapsulado y sus características principales antes de realizar un esquema electrónico, así como el esquema de identificación de los terminales y la evaluación de las gamas de utilidades posibles. También tendremos que conocer una serie de valores máximos de tensiones, corrientes y potencias que no debemos sobrepasar para mantener el equipo en óptimo funcionamiento. El parámetro de la potencia disipada por el FETs 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.
