FET

El FET
EL TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO
Field Effect Transistor (FET)
1 INTRODUCCIÓN
Hasta ahora hemos estudiado el transistor bipolar (BJT – Bipolar Junction
Transistor). Pero, si bien es el fundamento del desarrollo de toda la electrónica
moderna, no es el único tipo de transistor. Existen también transistores unipolares, un
único tipo de carga (huecos o electrones), que en algunas aplicaciones van a ser una
mejor opción que los bipolares.
A la hora de proceder a su estudio, lo que ya sabemos de los transistores
bipolares (BJT) nos va a permitir asimilar rápidamente este nuevo tipo de componente.
Con el cual guarda una nada desdeñable relación.
2 EL TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO DE UNIÓN – EL JFET (Junction
Field Effect Transitor)
2.1 Estructura interna
Drenador
VDD
Corriente de
electrones
N
Fuente
En el dibujo podemos observar la sección de un semiconductor tipo N. Al cual
en sus extremos se han conectado una fuente de alimentación (VDD). Los extremos del
semiconductor reciben el nombre de Drenador (D - drain) y fuente (S – source). El
efecto en el circuito es que una corriente de electrones, provenientes de la fuente,
circularan hacia el drenador. El valor de esta corriente dependerá del dopado del cristal
semiconductor. La terminología fuente y drenador (sumidero) es un símil entre la
corriente de electrones y la circulación de un fluido.
M. Equipos Electrónicos – Dpto. Electrónica FSV – Curso 2010/2011
1
El FET
Hasta aquí no tendríamos más allá de una resistencia. Pero todo cambia cuando
aparece un nuevo elemento. Si en el semiconductor tipo N difundimos dos zonas de
semiconductor tipo P, ha nacido el JFET de doble puerta. La mayoría de los JFET
llevan internamente conectadas las dos puertas. Ya que la aplicación de la doble puerta
está restringida a aplicaciones muy particulares, como los circuitos mezcladores y los
CAG de circuitos de comunicaciones (CAG = Control automático de la ganancia).
Drenador
D
P
Puerta 1
G1 (gate)
P
Puerta 2
G2 (gate)
N
Fuente
S
Con una sola puerta (en realidad con las dos puertas unidas internamente):
Drenador
D
Analogía entre los terminales del
BJT y del JFET:
BJT
Puerta
G (gate)
P
P
N
JFET
Emisor (E)
→
Fuente (S)
Base (B)
→
Puerta (G)
Colector (C)
→
Drenador (D)
Fuente
S
M. Equipos Electrónicos – Dpto. Electrónica FSV – Curso 2010/2011
2
El FET
2.2 El JFET polarizado
D
G
P
VGG
+
P
+
VDD
-
N
S
En la polarización observamos ya la primera diferencia con un transistor bipolar.
La polarización del diodo base-emisor de un BJT es en directa, la polarización del diodo
puerta-fuente en un JFET es en inversa. Esto a su vez nos lleva a destacar otra gran
diferencia, la corriente de control del dispositivo. En el BJT era IB, cuyo valor variaba
en función de las características del circuito y del transistor. Aquí la IG es igual a cero.
Idealmente: IG=0 ⇒ RG= VGG/0 = ∞
En realidad siempre habrá una pequeña corriente, la inversa de saturación, pero
de un valor tan pequeño, que la impedancia de entrada del JFET estará en valores en
torno a los cientos de megaohmios. De aquí se deduce que sean unos componentes muy
adecuados cuando se buscan impedancias de entrada muy elevadas.
Funcionamiento
En estos transistores, hablar del efecto de campo se refiere al control que se
ejerce sobre el canal N que resulta entre las dos zonas P, gracias a la polarización
inversa G-S, y la consiguiente zona de deplexión. Sin polarización de puerta la corriente
de electrones no encuentra más dificultad entre fuente y drenador, que la del propio
semiconductor, que por dopado será de valor pequeño. Sin embargo, al polarizar
inversamente G-S se crean, entre las dos puertas P y el cristal N sendas zonas de
deplexión, en las cuales la ausencia de portadores imposibilita la conducción. D este
modo la zona por la que los electrones pueden circular desde la fuente al drenador se
estrecha. Como ya sabemos, la zona de deplexión, en una unión PN polarizada
M. Equipos Electrónicos – Dpto. Electrónica FSV – Curso 2010/2011
3
El FET
inversamente, crece con el potencial de tensión inversa aplicado. De este modo tenemos
que controlamos el canal con la tensión G-S, pudiendo llegar incluso al
estrangulamiento (conducción nula) si la tensión inversa crece lo suficiente.
Podemos observar igualmente que el diodo drenador-puerta también se polariza
inversamente. Esta polarización inversa de ambos diodos no admite excepciones en el
funcionamiento del JFET. Siempre es así.
D
G
P
VGG
+
P
+
VDD
-
N
S
Hay que recordar que la resistencia es inversamente proporcional a la sección,
con lo cual un canal más estrecho supone mayor oposición a la corriente, siendo el
límite cuando el canal queda completamente anulado.
Hasta aquí podría parecer que todo son ventajas respecto al BJT, pero no es así.
A cambio de esa alta impedancia de entrada perdemos control sobre la corriente de
salida. De modo que el JFET es menos sensible a los cambios de tensión G-S que un
BJT a los cambios de corriente de base.
Por supuesto, lo que en el BJT era una aproximación aquí es realidad:
ID = IS
M. Equipos Electrónicos – Dpto. Electrónica FSV – Curso 2010/2011
4
El FET
Símbolo eléctrico
Drenador
D
Drenador
D
Puerta
G
Puerta
G
Fuente
S
Fuente
S
JFET Canal N
JFET Canal P
El JFET de canal P es complementario del JFET de canal N. Todo lo dicho de
uno sirve para el otro con nada más que invertir las tensiones y corrientes. En el canal P,
por supuesto, la zona de puerta se crea con cristal tipo N.
Fuente y drenador
Con todo lo dicho hasta ahora podríamos pensar que fuente y drenador son
intercambiables entre sí. Esto sí es así en el caso de trabajar con bajas frecuencias. Sin
embargo esta posibilidad no es real al aumentar la frecuencia. ¿Por qué? Por al construir
el JFET el fabricante ha actuado sobre las capacidades parásitas de la unión drenadorpuerta para minimizarla e impedir sus efectos perniciosos en el circuito. Cosa que no ha
hecho sobre la unión fuente-puerta. Con lo cual hay una diferencia real entra ambas
uniones que no se puede obviar a frecuencias altas.
2.3. Curvas características del JFET
ID
Zona de fuente de corriente
VGS = 0
IDSS
(IDS máxima)
VGS = - V1
Zona óhmica
VGS = -V2
VGS off (tensión de corte)
VDS
VP ⇒ Tensión de estrangulamiento o
VDS(máxima) ⇒ Tensión de ruptura
contracción
M. Equipos Electrónicos – Dpto. Electrónica FSV – Curso 2010/2011
5
El FET
Es importante recordar que la tensión de estrangulamiento y la de corte son
siempre iguales en valor absoluto, pero de signo contrario. De este modo, si en las
características técnicas que nos proporciona el fabricante, encontramos uno de ellos, el
otro lo podemos deducir inmediatamente:
VGS off = - VP
La zona óhmica
La zona óhmica de un JFET equivale en cierta medida a la zona de saturación de
un BJT. Podemos observar que en esa zona nos encontramos con una recta que
relaciona IDS con VDS. Recordemos que la ecuación de una recta es y=mx+b, donde b es
la ordenada en el origen, aquí b=0. Y m la pendiente:
IDS = m VDS ⇒ m = IDS/VDS
Y amperios divididos entre voltios son igual a ohmios. Por tanto esa m es lo que
vamos a denominar resistencia de la zona óhmica RDS.
¿Cómo podemos calcular es RDS? Para definir una recta necesitamos siempre dos
puntos. Si nos fijamos en las curvas del JFET vemos que uno es siempre el origen, con
lo cual el problema se reduce a encontrar un único punto. Y este punto lo tenemos en VP
e IDSS; con estos dos datos somos capaces de calcular RDS.
RDS = VP/IDSS
Cuando no estemos seguros de en qué zona trabaja el JFET, podemos aplicar el
ya conocido método de reducción al absurdo.
La característica de transferencia
La curva de transferencia de un JFET representa la corriente de drenador (ID) en
función de la tensión puerta-fuente (VGS). Para su uso nos podemos remitir a las
proporcionadas por el fabricante del componente, pero si necesitamos su calculo o no
disponemos de ellas, podemos utilizar la siguiente fórmula:
ID = IDSS [1 – (VGS/VGSoff)]2
ID
IDSS
- VGS
VGSoff
M. Equipos Electrónicos – Dpto. Electrónica FSV – Curso 2010/2011
6
El FET
2.4. Aproximaciones del JFET
El JFET como fuente de corriente
VGS
RGS
ID = IDSS · K
VDS
K = [1 – (VGS/VGSoff)]2
El JFET en la zona óhmica
VGS
RGS
RDS
VDS
2.5. Autopolarización del JFET
RD
RG
RS
El método más utilizado para polarizar un JFET trabajando como amplificador
no tiene símil en el BJT. Mediante este sistema de autopolarización se consigue un
punto de trabajo suficientemente estable. El método consiste en que en vez de colocar
una fuente negativa para VGS, dejarlo a masa y subir el potencial de la fuente (VS), de
modo que: VGS = VG – VS = 0 – VS = –VS.
M. Equipos Electrónicos – Dpto. Electrónica FSV – Curso 2010/2011
7
El FET
Cálculo de la resistencia de fuente
Se busca un punto de trabajo cerca del punto medio, aunque en este caso no se
consigue exactamente el resultado es adecuado.
ID
IDSS
Punto Q
- VGS
VGSoff
La recta que une el origen con ese punto Q tiene también como punto (IDSS,
VGSoff), lo cual nos permite calcular RS. Como el valor de R ha de ser positivo
cambiamos el signo de VGsoff.
RS = – VGsoff / IDSS
Circuito amplificador
La señal de salida está invertida, al igual que ocurría en el BJT en emisor común.
Una gran ventaja de estos amplificadores, además de su alta impedancia de entrada, es
su bajo ruido.
M. Equipos Electrónicos – Dpto. Electrónica FSV – Curso 2010/2011
8
El FET
Interruptor analógico con JFET
Al igual que en los BJT desarrollamos aplicaciones en conmutación trabajando
en la zona de saturación, nos encontramos con que el JFET se puede utilizar como
interruptor al trabajar en la zona óhmica. Es importante tener presente que al hablar de
interruptor analógico estamos hablando de señales que pueden tener polaridad
cambiante, algo impensable con un BJT. Eso sí, para un correcto funcionamiento las
tensiones de entrada han de ser pequeñas, normalmente inferiores a 150 mV. Si hemos
dicho que se va a tratar de un interruptor tendremos como tensiones de control en
puerta-fuente los extremos:
VGS = 0 para interruptor cerrado
VGS ≤ VGSoff para interruptor abierto
Interruptor serie con JFET
V salida
V entrada
R
VGS
(Control)
Interruptor paralelo con JFET
R
V salida
V entrada
VGS
(Control)
M. Equipos Electrónicos – Dpto. Electrónica FSV – Curso 2010/2011
9
El FET
Multiplexor analógico con JFET
V1
V2
V3
V salida
VGS 1
VGS 2
VGS 3
(Control)
(Control)
(Control)
RL
V1, V2 y V3 son distintas señales analógicas
3 EL FET DE PUERTA AISLADA o FET METAL ÓXIDO SEMICONDUCTOR
(IGFET o MOSFET). Insulated Gate FET o Metal Oxide Semiconductor FET
M. Equipos Electrónicos – Dpto. Electrónica FSV – Curso 2010/2011
10
El FET
La gran diferencia con el JFET es que en el MOSFET la puerta está aislada
eléctricamente del canal. Esto supone un aumento de la impedancia de entrada en el
MOSFET respecto al JFET.
3.1. El MOSFET de empobrecimiento o deplexión
Fuente
S
Puerta
G
Drenador
D
SiO2
N
P
Sustrato
Sustrato
En el dibujo hemos representado la sección de un MOSFET de
empobrecimiento de canal N. Podemos observar cómo sobre un sustrato de cristal P,
tenemos dos zonas de cristal N asociadas a los terminales de fuente y drenador y unidas
por una zona de cristal N más estrecha, a modo de canal. Es una configuración que
recuerda mucho al JFET, pero podemos observar que el canal es controlado por una
puerta metálica que está aislada por un dieléctrico, dióxido de silicio, del
semiconductor. El sustrato se conecta normalmente al mismo potencial de la fuente, esta
conexión la realiza el fabricante, de modo que los terminales de un MOSFET son los
mismos que los de un JFET. De este modo los electrones que circulen desde la fuente al
drenador han de seguir el camino del canal. El funcionamiento es similar al del JFET.
Con una tensión VGS nula el canal permite la circulación de la corriente. Al ir aplicando
una tensión VGS negativa los electrones del canal son repelidos y la disminución de
cargas libres provoca una disminución de corriente, el canal se estrecha, así hasta el
valor de VGSoff, en el cual se interrumpe la corriente. Pero una gran diferencia con el
JFET es que el MOSFET de empobrecimiento canal N permite una tensión positiva
puerta-fuente. El efecto de ésta es aumentar el canal e incrementar por tanto el valor de
la corriente entre fuente y drenador.
M. Equipos Electrónicos – Dpto. Electrónica FSV – Curso 2010/2011
11
El FET
Curvas de salida
ID
VGS = +V
VGS = 0
IDSS
VGS = -V
VGS off (tensión de corte)
VDS
VDS(máxima) ⇒ Tensión de ruptura
Curva de transferencia
ID
IDSS
- VGS
VGSoff
Símbolo eléctrico
D
D
G
G
S
MOSFET de
empobrecimiento canal N
S
MOSFET de
M. Equipos Electrónicos – Dpto. Electrónica FSV – Curso 2010/2011
empobrecimiento canal P
12
El FET
3.2. El MOSFET de acumulación o enriquecimiento
Puerta
G
Fuente
S
SiO2
N
Drenador
D
NN
P
Sustrato
Sustrato
En el dibujo hemos representado la sección de un MOSFET de
enriquecimiento de canal N. Podemos observar cómo sobre un sustrato de cristal P,
tenemos dos zonas de cristal N asociadas a los terminales de fuente y drenador, pero
esta vez no están unidas por una zona de cristal N. En este MOSFET no hay canal. De
modo que, a diferencia de los FET vistos hasta ahora, con una tensión de puerta igual a
cero no hay conducción. El canal se puede crear cuando entre puerta-fuente se aplica
una tensión positiva capaz de liberar electrones en el sustrato P, el efecto es el de la
creación de un canal N entre drenador y fuente, llamado canal de inversión tipo N. La
anchura del canal dependerá del potencial positivo aplicado entre puerta y fuente. La
tensión de umbral (threshold voltage) será el valor mínimo de tensión puerta-fuente para
la cual se crea canal (VGSth). Sus valores están comprendidos entre 1 y 5 voltios.
Curvas de salida
ID
VGS = V3
VDD
RDD
VGS = V2
VGS = V1
VGS (th) (tensión de umbral)
VDD
M. Equipos Electrónicos – Dpto. Electrónica FSV – Curso 2010/2011
VDS
13
El FET
Curva de transferencia
ID
ID(on)
VGS(th)
VGS(on)
VGS
Como en los anteriores se trata de una parábola, esto es, de una relación
de transferencia cuadrática. Los valores de ID(on) y VGS(on), son valores muy por encima
del de umbral, los cuales son proporcionados por el fabricante para facilitar los cálculos.
Éstos, junto con VGS(th) son claves para este componente.
De esa parábola obtenemos:
ID = k (VGS – VGS(th))2
Donde ID es la corriente con una VGS dada. Si estamos con VGSon, entonces:
ID(on) = k (VGSon – VGS(th))2
Si dividimos las dos ecuaciones:
ID
ID(on)
⎯
⎯
k (VGS – VGS(th))2
k (VGSon – VGS(th))2
Con lo que nos queda:
ID = K IDon
Donde K =
(VGS – VGS(th))2
(VGSon – VGS(th))2
M. Equipos Electrónicos – Dpto. Electrónica FSV – Curso 2010/2011
14
El FET
Símbolo eléctrico
D
D
G
G
S
MOSFET de
enriquecimiento canal N
S
MOSFET de
enriquecimiento canal P
Valor máximo de la tensión puerta-fuente
El valor máximo de la tensión puerta-fuente viene determinado por la capa
de dióxido de silicio que aísla la puerta. Es una capa muy delgada, ya que así se
consigue un mejor control de la puerta sobre el transistor. Pero una VGS excesiva la
puede destruir. Esta destrucción puede ser causada también por tensiones transitorias a
causa de los efectos inductivos, por la electricidad estática del propio cuerpo humano
(tocar con la mano puede ser suficiente para destruirlo). Dada esta fragilidad el
fabricante cuele incluir una protección tipo zener entre puerta y fuente.
3.3. Aplicaciones de los MOSFET
Inversor con carga pasiva
El hecho de tener una tensión de umbral convierten al MOSFET de
enriquecimiento en un elemento ideal en aplicaciones de conmutación. Un primer
ejemplo es el inversor con carga pasiva. Éste es muy similar al BJT en conmutación,
con la ventaja de que su funcionamiento se puede controlar fácilmente mediante dos
tensiones, una que sea superior a la tensión de umbral para el accionamiento, y otra
inferior a ese umbral para el corte. En el circuito la condición necesaria es que la carga
sea mucho mayor que RDS para que el MOSFET pueda ser considerado en conducción
un interruptor cerrado.
M. Equipos Electrónicos – Dpto. Electrónica FSV – Curso 2010/2011
15
El FET
RD
Vo
Vi
Condición: RDS << RD
Inversor con carga activa
Uno de los grandes campos para el MOSFET en conmutación es el los
circuitos integrados. Pero integrar resistencias es más problemático que integrar
MOSFET, porque una resistencia integrada ocupa un espacio mayor que el que ocupa
un MOSFET integrado. La solución es sustituir la resistencia de carga por otro
MOSFET, al cual se le denomina carga activa. La clave está en unir eléctricamente la
puerta al drenador. Para entender cómo es esto posible hemos de ir a las curvas de salida
de un MOSFET:
Curva de dos terminales
ID
Zona óhmica
VGS = V3
VGS = V2
VGS = V1
VGS (th) (tensión de umbral)
VDS
Esa curva de dos terminales es la zona de funcionamiento al unir puerta con
drenador. Es la formada por los puntos que resultan del hecho de forzar VGS=VDS; por la
unión de drenador y fuente esas tensiones son la misma. Así tenemos una zona de
funcionamiento que es aproximadamente una recta, y relaciona corriente y tensión en
los terminales resultantes, por lo tanto estamos ante una carga que se comporta de modo
similar a una resistencia.
M. Equipos Electrónicos – Dpto. Electrónica FSV – Curso 2010/2011
16
El FET
T1
Vo
Vi
T2
Inversor CMOS
El inversor CMOS está formado por un montaje de MOSFET
complementarios (CMOS = Complementary MOS). Como al hablar de los BJT,
llamamos transistores MOS complementarios a dos MOSFET, uno de canal N y otro de
canal P, con iguales características. Su funcionamiento es similar al de dos BJT
complementarios en clase B.
T1
Vo
Vi
T2
M. Equipos Electrónicos – Dpto. Electrónica FSV – Curso 2010/2011
17
El FET
Circuito de muestreo y retención (Sample and Hold – S&H)
Vi
T1
Vo
C
R
VGS
Este circuito es típico de sistemas que tienen que ir estudiando la señal de
entrada para dar a la salida una respuesta relacionada con ella. Es el caso de los
convertidores analógico-digital. En éstos la señal analógica es muestreada cada cierto
periodo de tiempo, lo que supone almacenar el valor de esa señal en ese momento y
trabajar ese valor. Ese almacenamiento se produce mediante un condensador, al que por
supuesto habrá que pedirle una corriente despreciable respecto a su carga si queremos
que el dato sea fiable.
En el circuito el MOSFET hace de interruptor. Cuando queremos saber en un
cierto instante el valor de tensión de entrada, hacemos conductor al transistor a través de
la VGS. Al hacerse conductor el condensador se carga a esa tensión, para que esto sea
rápido el condensador ha de ser de poca capacidad, con lo cual además pedirá poca
corriente a la señal. Inmediatamente es MOSFET se sitúa de nuevo en corte. Al estar
abierto el transistor, al condensador ya lo afectarán los cambios de Vi, y en Vo
habremos “capturado” la tensión que en ese momento dado teníamos en Vi.
4 LOS FET DE POTENCIA
Hablar de FET de potencia es hablar del MOSFET de enriquecimiento de
potencia. El MOSFET en su versión de baja potencia es de aplicación fundamental en
los circuitos digitales integrados. Pero cuando hablamos de potencia estamos hablando
ya de dispositivos discretos de tres terminales cuyas aplicaciones son similares a las de
los BJT de potencia, pero incorporando una importante ventaja: No sufren el efecto
conocido como deriva térmica, ya visto en los BJT. Y esto debido a que la RDSon del
dispositivo actúa con un coeficiente positivo de temperatura, esto es, cuando aumenta la
temperatura aumenta el valor óhmico de RDSon, con lo cual la corriente no se puede
incrementar por efecto térmico. Los FET de potencia abarcan corrientes desde 1A hasta
200A, y potencias desde 1W hasta 500W.
M. Equipos Electrónicos – Dpto. Electrónica FSV – Curso 2010/2011
18