Transistores de efecto de campo - EETP Nº 460

ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO:
Introducción
Construcción y características de los JFET
Transistores de efecto de campo de compuerta
aislada (MOS o MOSFET)
El transistor MOSFET de potencia
El transistor IGBT
6° B – ELECTRÓNICA
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Electrónica Industrial
campos ferromagnéticos, experimentos de
fotoelectrones
oelectrones en cloruro de plata
pla y varios temas
en la física del transistor.
W
illiam Bradford Shockley nació en
Londres el 13 de febrero de 1910,
aunque
sus
padres
eran
norteamericanos y sólo 3 años después de su
nacimiento se lo llevaron a vivir a Palo Alto,
California.. Su padre era un ingeniero y su
madre una topógrafa de minas. Considerando
Consider
que le podrían dar a su hijo una mejor educación
en casa, los Shockleys mantuvieron a William
sin ir a la escuela hasta que cumplió 8 años.
Aunque su educación probaría más tarde ser de
excelente nivel, este aislamiento hizo que el
pequeño William tuviera
iera muchos problemas
para adaptarse a su entorno social.
Su trabajo fue recompensado con muchos
honores. Recibió la Medalla al Mérito en 1946,
por su trabajo en el departamento de guerra. El
premio en memoria de Morris Leibmann del
Instituto de Ingeniería de la Radio
Radi en 1952; los
siguientes años, el premio de la Sociedad
Americana de la Física de Oliver E. Buckley por
su investigación del estado físico sólido y un
año después el premio Cyrus. B. Comstock de la
Academia Nacional de las Ciencias. El mayor
honor fue el Premio Nobel en Física que le fue
otorgado en 1956, juntamente con sus dos
antiguos colegas de los laboratorios "Bell
Telephone", John Bardeen y Walter H. Brattain
por el desarrollo del transistor
transisto
William B. Schokley falleció el 12 de Agosto de
1989 en Paloo Alto (California) a los 79 años de
edad.
.
En el otoño de 1927 ingresó a la Universidad
de California en Los Angeles, pero tras sólo un
año ahí ingresó al prestigioso Instituto de
Tecnología de California,
California en Pasadena.
William terminó su licenciatura
enciatura en física en
1932 y posteriormente obtuvo una beca para
estudiar en el Instituto Tecnológico de
Massachusetts (MIT), de donde se doctoró en
1936.
Con el apoyo de Bell Telephone Laboratories en
1936 comenzó los experimentos que le llevaron
lleva
al descubrimiento y posterior desarrollo del
transistor de unión. Durante la segunda Guerra
Mundial ejerció como director de investigación
en el grupo de investigaciones de operaciones
de combate antisubmarino. Trabajó, igualmente,
como consejero experto
to en la oficina del
secretario para la guerra. Al finalizar la guerra,
volvió a Bell Telephone como director de la
investigación física del transistor.
La investigación de Shockley estuvo centrada
en las bandas de energía de los sólidos, la
difusión propia del cobre, el orden y el desorden
en los enlaces, experimentos y teoría en los
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1. INTRODUCCIÓN
El transistor de efecto e campo (FET) (por las siglas en inglés de Field Effect Transistor)
Transistor es
un dispositivo de tres terminales que se utiliza para aplicaciones diversas que se asemejan, en
una gran proporción, a las de los transistores bipolares (BJT) (por las siglas en inglés de
Bipolar Junction Transistor).
Transistor . Aunque existen importantes diferencias entre los dos tipos de
dispositivos, también es cierto
ciert que tienen muchas similitudes.
La diferencia básica entre los dos tipos de transistores es el hecho de que el transistor BJT
es un dispositivo controlado por corriente,
corriente, mientras que el transistor FET es un dispositivo
controlado por tensión.. En otras palabras,
palabras, la corriente de colector es una función directa del
nivel de la corriente de base. Para el FET la corriente de drenador es función de la tensión
compuerta-surtidor aplicada al circuito de entrada. En cada caso, la corriente del circuito de
salida está
tá controlada por un parámetro del circuito de entrada, en un caso se trata de un nivel
de corriente y en el otro de una tensión aplicada.
De la misma manera que existen transistores bipolares npn y pnp,, hay transistores de efecto
de campo de canal-n y canal-p.
can
. Sin embargo, es importante considerar que el transistor BJT es
un dispositivo bipolar;; el prefijo bi indica que el nivel de conducción es una función de dos
portadores de carga, los electrones y los huecos. El FET es un dispositivo unipolar que
depende
de únicamente de la conducción o bien, de electrones (canal-n)
(canal ) o de huecos (canal-p).
(canal
El término “efecto
efecto de campo”
campo merece cierta explicación. Es muy bien conocida la capacidad
de un imán permanente para atraer limaduras de metal hacia el imán sin la necesidad de un
contacto real. El campo magnético del imán permanente envuelve las limaduras y las atrae al
imán por medio
io de un esfuerzo por parte de las líneas de flujo magnético con objeto de que
sean lo más cortas posibles. Para el FET un campo eléctrico se establece mediante las cargas
presentes que controlarán la trayectoria de conducción del circuito de salida, sin la
l necesidad
de un contacto directo entre las cantidades controladoras y controladas.
Uno de los rasgos más importantes del FET es una gran impedancia de entrada,
entrada que va
desde 1 a varios cientos de mega-ohms
mega ohms excediendo por mucho los niveles típicos de
resistencia
tencia de entrada de las configuraciones con transistores bipolares, un punto muy
importante en el diseño de amplificadores lineales de C.A. Por otro lado, el transistor BJT tiene
una sensibilidad mucho más alta a los cambios en la señal aplicada; es decir,
decir la variación en la
corriente de salida es obviamente
iamente mucho mayor para el BJT que la que produce en el FET para
el mismo cambio de voltaje aplicado. Por esta razón, las ganancias normales de tensión en C.A
para los amplificadores con transistores bipolares
bipolare son mucho mayores que para los FET. En
general, los FET son más estables con respecto a las variaciones de temperatura que los
transistores bipolares y además, constructivamente son de un tamaño menor, lo cual los hace
mucho más útiles en la fabricación de circuitos integrados (C.I).
Fundamentalmente tenemos dos tipos de FET: el transistor de efecto de campo de unión
(JFET) (por las siglas en inglés de, Junction Field Effect Transistor) y el transistor de efecto de
campo metal-óxido-semiconductor
semiconductor (MOSFET) (por las siglas en inglés de, Metal-OxideSemiconductor Field Effect Transistor).
Transistor . Los transistores JFET pueden ser de canal-n o de
canal-p;; estos, se utilizan para amplificar señales de baja frecuencia y potencia (señales de
audiofrecuencia). La categoría MOSFET se desglosa en los tipos incremental o de
enriquecimiento y decremental o de empobrecimiento. Los MOSFET del tipo decremental
pueden ser de canal-n o canal-p;; estos tienen aplicaciones limitadas en amplificadores de
radiofrecuencia, en sus etapas de entrada por su bajo nivel de ruido. Los MOSFET del tipo
incremental (canal-n o canal-p)
canal
se utilizan ampliamente en los sistemas digitales de alta
densidad
de
integración
como memorias
semiconductoras,
microprocesadores,
microcontroladores, etc. También tiene gran aplicación como elemento discreto en aplicaciones
de potencia.
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2. CONSTRUCCIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LOS JFET
Básicamente el JFET esta constituido por una barra semiconductora tipo “n” o tipo “p” con
dos terminales en sus extremos denominados drenador (D) y fuente o surtidor (S) (por su sigla
en inglés, Source). A los lados de esta barra, se crean dos zonas con impurezas opuestas a la
de la barra, zona que se denomina puerta o compuerta (G) (por su sigla en inglés, Gate). La
región que queda entre las dos zonas de puerta, se denomina “canal”. La corriente de este
dispositivo, cuyo valor se quiere controlar, circula entre los terminales drenador-surtidor,
drenador
cuando se aplica una tensión eléctrica
eléct
entre esos terminales. Esta corriente, atraviesa la zona
denominada “canal”, cuya conductividad es controlada por medio de la tensión de control
“puerta-surtidor“ (VGS). Si tomamos como referencia al terminal de surtidor podemos decir que
la magnitud de la corriente en el terminal de drenador (iD) es controlada por la tensión de puerta
“VG”.
Figura 2.1.2.1. Estructura interna y simbología de un transistor JFET.
2.1 ANÁLISIS DE SU FUNCIONAMIENTO
Para analizar su funcionamiento consideremos un JFET de canal-n polarizado según la
figura 2.2,, para la situación VGS = VGG = 0 voltios, es decir la puerta cortocircuitada con el
surtidor y a su vez con el canal. Si ahora aplicamos una tensión pequeña entre el drenador y
surtidor,, se producirá una circulación de corriente entre estos terminales. A medida que
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aumenta la tensión aplicada, la corriente de drenador “ID” ira creciendo en forma lineal, de
acuerdo a la ley de ohm (región resistiva).
Figura 2.2.- JFET canal-n con VGG = 0 volt
Como la puerta está al potencial de la fuente y a medida que la corriente de drenador va
creciendo, también va creciendo la caída de tensión dentro del canal. Esta caída de tensión, se
manifiesta como una tensión inversa aplicada entre la puerta y el canal. Como entre puerta y
canal tenemos una juntura tipo p-n
p (similar a la de un diodo), los portadores de carga en esta
zona (electrones en el caso del
de canal-n o huecos en el caso del canal-p),
), comienzan a alejarse
de la juntura. Esto provoca una disminución efectiva de portadores de carga en la zona del
canal, que produce una disminución de su conductividad. La corriente de drenador comienza a
disminuir su incremento, respecto a sus valores anteriores. Es decir que la corriente de
drenador no aumenta en la misma proporción que lo hace la tensión drenador–surtidor.
drena
Si
seguimos aumentando VDS, el canal seguirá aumentando su resistencia (se dice que se
estrecha conductivamente) hasta que se llega a un valor de equilibrio (figura 2.3),
2.
donde la
corriente de drenador prácticamente
prácticamente se mantiene constante, por más
má que VDS siga
aumentando. La zona de ID = cte. se denomina de “saturación” o región de saturación.
saturación
Figura 2.3.2. Características del JFET canal-n con VGS = 0 volt
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Resumiendo: en la zona de saturación, la corriente ID no puede aumentar, debido a la caída
de tensión que produce su propia circulación por el canal que, a su vez, como el canal esta
unido a la “fuente” y esta a la “puerta”
“puerta por el cortocircuito, se produce una tensión inversa en la
juntura puerta–canal que hace que este ultimo aumente su resistencia al paso de la corriente.
El termino “transistor de efecto de campo”, se emplea para describir el mecanismo de control
de la corriente por la variación del campo eléctrico asociado a la región de las cargas no
neutralizadas (iones de los átomos de Si) en la zona de la juntura “puerta–canal
“
canal”.
Si ahora aplicamoss una tensión externa entre el terminal
terminal de puerta y el de surtidor que
suministre una tensión inversa adicional (figura 2.4) a la provocada por la caída de tensión en
el canal, la contracción del canal se va a producir con valores menores de “VDS” y la corriente
de drenador de saturación será menor. Si seguimos aumentando VDS, se llega a un punto
donde la corriente iDS, comienza a aumentar drásticamente (sale de la zona de saturación) por
efecto “avalancha” que produce la ruptura del dispositivo.
dispositivo
Figura 2.4.- JFET canal-n con VGG = -12 volt
Figura 2.5.2. Características del JFET canal-n con VGS = -12
12 volt
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Normalmente para el JFET de canal-n, VGS toma valores negativos. Si tomara valores
positivos, modificaría
ificaría la corriente de drenador,
drenador, haciéndola mayor, pero tendríamos circulación
de corriente de puerta (para VGS > 0,5 V, figura 2.5) por lo que perderíamos una de las ventajas
de estos semiconductores que es la alta impedancia de entrada. Las características de salida
tensión-corriente del JFET de canal-p, son similares pero debemos cambiar las polaridades y
sentido de las tensiones y corrientes respectivamente.
respectivamen
En la figura 2.5 tenemos:
IDSS: corriente que circula entre drenador y surtidor para VGS = 0V.
Vp: tensión de contracción del canal para VGS = - Vp resulta ID = 0.
El límite entre la zona resistiva y la zona de saturación, esta dado para VDS = Vp.
2.2 ZONAS DE FUNCIONAMIENTO
A continuación vamos a analizar las distintas zonas de funcionamiento y establecer
matemáticamente las relaciones entre los distintos parámetros intervinientes.
2.2.1 ZONA RESISTIVA
Esta zona comprende desde el origen para VDS = 0 volt,
olt, hasta la contracción del canal que
para VGS = 0 volt resulta VDS = V. En está región el JFET se le usa en realidad como una
resistencia variable (posiblemente para un sistema de control de ganancia automática) cuya
resistencia se encuentra controlada por medio del voltaje de la compuerta-fuente.
compuerta
Obsérvese
en la figura 2.6 que
ue la pendiente para cada curva, y por tanto la resistencia del dispositivo entre
el drenador y la fuente para VDS < VP, es una función del voltaje aplicado VGS. Mientras VGS se
convierte en más negativo, la pendiente de cada curva se hace más horizontal,
correspondiendo a un nivel creciente de la resistencia. La siguiente ecuación ofrecerá una
buena y primera aproximación del nivel de resistencia en términos del voltaje aplicado VGS. De
esta manera se fabrican las resistencias variables con la tensión VDR.
rd =
Donde
ro
 VGS
1 −
VP




2
ro es la resistencia con VGS = 0V y rd es la resistencia en un nivel particular de
VGS .
Figura 2.6.- Zona resistiva
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2.2.2 ZONA DE SATURACIÓN
Esta zona también se denomina de “corriente constante”
constante ID ≈ cte. y corresponde para -VGS >
-VP y para VDS ≥ (VGS-VP). La corriente de drenaje la podemos expresar como:
i D = I DSS
 V
⋅ 1 − GS
VP




2
La ecuación anterior representa la característica de transferencia o sea la relación funcional
entre la variable de salida (ID) y la variable de entrada del semiconductor (VGS). La gráfica es la
siguiente.
Figura 2.7.- Característica de transferencia
Como vemos en la figura 2.7,
2. , la corriente de drenador es función de la tensión puerta-fuente
o sea “VGS”. Para un JFET de canal N, la corriente de drenador, disminuirá a medida que “VGS”
sea más negativa y se aproxime a “VP”.
2.2.3 ZONA DE CORTE
Esta zona corresponde a -VGS ≤ -VP (canal-N). En el limite, donde -VGS = -VP, la corriente de
drenador es cero, significando ello que el canal esta cerrado. La tensión puerta-fuente que
cierra el canal también se la
l denomina VGS(off). En la practica iD ≠ 0 = iD(off).
2.2.4 ZONA DE RUPTURA
Esta zona es similar al transistor bipolar, respecto a las consecuencias que provoca.
provoca A partir
de VDS(MAX), se ingresa a una región de ruptura por avalancha, que produce la destrucción del
semiconductor.
2.2.5 ZONA DE POLARIZACIÓN DIRECTA PUERTA-CANAL
PUERTA
Para un JFET de canal-N,
canal , corresponde para valores positivos de VGS. En este caso la
corriente de drenador aumenta pero también lo hace la corriente de puerta IGS. Para el canal-N
esta ingresa al canal (de
e allí el símbolo de la flecha hacia dentro en el JFET de canal-N). Para
este caso, la impedancia de entrada disminuye, perdiéndose una de las características
interesantes de los transistores de efecto de campo.
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2.3 DISPOSITIVOS DE CANAL-P
CANAL
El JFET de canal-P está construido exactamente de la misma manera que el dispositivo de
canal-N pero con una inversión de los materiales tipo-p y tipo-n.. Las direcciones de las
corrientes están invertidas, como las polaridades reales para los voltajes VGS y VDS. Para el
dispositivo de canal-P,, éste será estrechado mediante voltajes crecientes positivos de la
compuerta a la fuente.
3. TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO DE COMPUERTA
AISLADA (MOS o MOSFET)
Daremos una explicación simplificada sobre la construcción y funcionamiento interno de
estos semiconductores. En general podemos
odemos decir que tienen más importancia comercial que
los JFET y amplia aplicación en los circuitos integrados digitales de muy alta densidad de
integración. Básicamente, están constituidos por un sustrato de base tipo-p o tipo-n,
+
+
ligeramente dopados
ados con impurezas, en el que se difunden dos regiones de tipo-n o tipo-p ,
fuertemente dopadas,
s, que actúan como “drenador” y “surtidor”, separado
os unos 10 a 20µm.
Sobre la superficie se deposita una fina capa aislante de dióxido de silicio (Si O2) (1000-2000
Aº). Sobre la superficie de la estructura se practican ventanas para permitir el contacto del
drenador y el surtidor. Posteriormente, se cubre la región entera del canal con una superficie
metálica que hace a la vez de “puerta”. El área metálica de la “puerta”,
”, conjuntamente con la
capa de dióxido de silicio y el canal semiconductor, forma un condensador de placas planas
paralelas.
La placa aislante proporciona una resistencia de entrada, extremadamente alta de alrededor
10
15
de 10 –10 Ω. Las zonas que forman el drenador y el surtidor,, están fuertemente dopadas,
do
a
los efectos de lograr una unión “resistiva”
“
” respecto al canal semiconductor. Veamos un dibujo
simplificado
cado de la estructura de un transistor MOS, implantado sobre un circuito integrado
monolítico:
Figura 3.1.- Transistor MOS
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3.1 MOSFET DEL TIPO DECREMENTAL
Se difunde un canal-n entre fuente y drenador
drena
lo cual hace circular una apreciable corriente
de drenador “IDSS” cuando hacemos VGS = 0 Volt
olt y aplicamos una tensión VDS entre los
terminales drenaje y fuente.
Figura 3.2.3.2. MOSFET de tipo decremental de canal-n
Si ahora aplicamos una tensión negativa en el terminal
erminal de puerta, respecto al canal (a través
del terminal
erminal del sustrato unido a la fuente), se inducen cargas positivas en el canal, por debajo
del dióxido
ióxido de silicio, en la zona que cubre el área metálica de la puerta (similar a la carga de
un condensador). Como en el canal los portadores mayoritarios que conducen la corriente, son
electrones, las cargas inducidas hacen el canal menos conductor y la corriente de drenaje se
hace menor, cuando VGS se hace más negativo. La redistribución de cargas en el canal
provoca un debilitamiento
to efectivo de los portadores mayoritarios. Si hacemos ahora a VGS
positivo, se inducen cargas negativas en el canal lo que produce un aumento de la
conductividad (enriquecimiento) y con ello un aumento en la corriente de drenador.
drena
Veamos las
características
as de transferencia y de salida tensión-corriente de este tipo de transistor:
Figura 3.3.- Características de drenador y transferencia para un MOSFET del tipo decremental de canal-n
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El espaciamiento vertical (figura 3.3) entre las curvas de VGS = 0V y VGS = +1V es una clara
indicación de cuanto ha aumentado la corriente por el cambio en un volt en VGS. Debido al
rápido incremento, hay que tener en cuenta el valor máximo de la corriente de drenador ya que
puede excederse con un voltaje positivo en la entrada.
entr
Como se dijo antes, la aplicación de un
voltaje positivo en la compuerta ha “incrementado” el nivel de portadores libres en el canal
comparado con aquel encontrado con VGS = 0V. Por esta razón la región de voltajes positivos
de la entrada sobre el drenador o las características de transferencia es a menudo conocida
como la región
n incremental con la región entre el nivel de corte y de saturación de IDSS
denominada como la región
regió de agotamiento.
3.1.2 MOSFET DEL TIPO DECREMENTAL DE CANAL-P
CANAL
La construcción de un MOSFET de tipo decremental de canal-p es exactamente al inverso
del que aparece en la figura 3.2. Esto es, ahora existe un substrato de tipo-n
tipo y un canal de tipop. Los terminales permanecen como se encuentran identificados en la figura 3.2,
3.2 pero todas las
polaridades de los voltajes y las direcciones de las corrientes están invertidas. La inversión en
VGS traerá como resultado una imagen de espejo (con respecto al eje ID) para las
características de transferencia. En otras palabras, la corriente de drenador aumenta desde el
corte en VGS = VP en la región positiva de VGS a IDSS, y después continúa su crecimiento para
valores negativos mayores de VGS.
Los transistores MOSFET
FET de empobrecimiento, tienen una ganancia de tensión moderada.
Como ventaja sobre otros dispositivos es la generación de ruido interno de baja magnitud, por
lo que se lo utiliza en etapas de entrada de amplificadores de radiofrecuencias como
receptores de
e radiocomunicaciones y televisión. Otra característica es la variabilidad de la
ganancia con la variación de VGS, por lo que también se lo utiliza
liza como control automático
ganancia.
Figura 3.4.- Símbolos gráficos para los MOSFET del tipo decremental de canal
canal-n y canal-p
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3.2 MOSFET DEL TIPO INCREMENTAL
Figura 3.5.3.5. MOSFET del tipo incremental de canal-n
A diferencia del MOSFET
FET de empobrecimiento, cuando VGS = 0 Volt,
olt, no existe un canal
conductor entre el drenador
dor y surtidor. Ahora si colocamos el sustrato al potencial de masa
(negativo), y aplicamos una tensión positiva a la puerta, aparecerá un campo eléctrico
perpendicular a la capa aislante. Este campo eléctrico, inducirá cargas negativas en el sustrato,
que son portadores minoritarios. Se forma una capa denominada “de inversión”. Cuando el
valor de la tensión de puerta se hace más
más positiva, la carga inducida aumenta, por lo tanto la
región debajo de la capa aislante, en la región de la puerta, presenta portadores de tipo “n”
“ o
sea electrones. En consecuencia,
consecuencia en esta zona, la conductividad eléctrica aumenta; si ahora en
estas condiciones, aplicamos una tensión eléctrica entre drenador
drena
y surtidor,
surtidor se producirá una
circulación de corriente que será mayor cuanto mayor conductividad tenga el canal inducido
in
o
sea cuanto mayor sea la tensión eléctrica aplicada entre la puerta y el sustrato. En los circuitos
prácticos, en general la fuente se conecta con el sustrato, por lo tanto en estas condiciones la
corriente de drenador la controlamos con la tensión puerta–surtidor “VGS”. En la figura 3.6 se
observan las graficas de la característica V-I
V I de salida y la de la característica de transferencia
para un MOSFET de enriquecimiento de canal-n. En la figura 3.7 se observan los símbolos
gráficos correspondientes.
Los MOS de enriquecimiento o acumulación, tienen amplia aplicación en los circuitos
integrados de alta y muy alta densidad de integración. Las memorias semiconductoras,
microprocesadores, etc. se construyen con una variante de este semiconductor como lo es el
“CMOS”.
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Figura 3.6.- Características de drenador y transferencia para un MOSFET del tipo incremental de canal-n
Figura 3.7.- Símbolos gráficos para los MOSFET del tipo incremental de canal-n
canal y canal-p
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3.3 ZONAS DE FUNCIONAMIENTO
A continuación vamos a analizar las distintas zonas de funcionamiento y establecer
matemáticamente las relaciones entre los distintos parámetros intervinientes.
3.3.1 ZONA DE CORTE
Esta se produce para un valor de tensión de puerta-surtidor VGS ≤ VT, siendo está ultima la
tensión umbral (se conoce como VT por la sigla en inglés de Threshold).
). Debido a que el canal
no existe con VGS = 0 Volt y se forma al “incrementar”
“
” la conductividad mediante la aplicación
de un voltaje puerta-surtidor
surtidor,, es por está razón que recibe el nombre de MOSFET de tipo
incremental.. Aunque el MOSFET de tipo decremental también posee una zona incremental, el
nombre
ombre se aplicó al anterior debido a que ese es su único modo de operación.
3.3.2 ZONA DE SATURACIÓN
Cuando VGS se incrementa más allá del nivel de umbral, la densidad de los portadores libres
en el canal inducido se incrementan, dando por resultado un nivel mayor de corriente de
drenador. Sin embargo, si se mantiene VGS constante y sólo se aumenta el nivel de VDS, la
corriente de drenador eventualmente alcanzará un nivel de saturación así como le ocurrió al
JFET y al MOSFET de tipo decremental. La saturación de ID se debe a un proceso de
estrechamiento descrito por un canal más angosto al final del drenador del canal
can inducido. Por
lo tanto, la zona de saturación se produce para VGS ≥ VT y la tensión drenador-surtidor
drenador
VDS ≥
(VGS – VT). En este caso la corriente de drenador se puede expresar por la siguiente fórmula:
iD = K ⋅ (vGS − VT )
2
El término K es una constante denominada “factor de transconductancia” que depende de
la fabricación del dispositivo.
Esta zona es de corriente constante teóricamente; no obstante la corriente de drenador
aumenta con el aumento de VDS.
3.4 MOSFET DEL TIPO INCREMENTAL
INCREMENTA DE CANAL-P
La construcción de un MOSFET de tipo incremental de canal-p
canal es exactamente al inverso
del que aparece en la figura 3.5. Esto es, ahora existe un substrato de tipo-n
tipo y regiones
dopadas p bajo las conexiones del drenador y del surtidor. Los terminales permanecen tal
como se indicaron, pero están invertidas todas las polarizaciones del voltaje y las direcciones
de corriente. Las características de transferencia serán una imagen de espejo (respecto
(r
al eje
ID) de la curva de transferencia de la figura 3.6, pero con ID creciendo con los valores cada vez
más negativos de VGS después de VT. Se aplican las mismas ecuaciones que para los
MOSFET de canal-n.
3.5 DATOS TÍPICOS DE UN MOSFET DE ENRIQUECIMIENTO
ENRIQUECIMIENTO
El valor de VT, tensión
nsión umbral, varía de 1,5 a 4 Volt
Volt dependiendo del tipo de MOSFET.
MOS
El
fabricante suele dar datos en la zona de saturación como ser un valor de la corriente de
drenador con un determinado valor de la tensión compuerta–surtidor denominados ID(on) y
VGS(on). Otro valor que se suministra, es la resistencia aproximada del canal o sea “RDS”.
3.6 CARACTERÍSTICAS DE CONMUTACIÓN
El MOSFET de potencia que se utiliza como dispositivo de conmutación es el de tipo
incremental.. A diferencia de los transistores bipolares,, el MOSFET de potencia es un
dispositivo controlado por voltaje, y solo requiere de una pequeña corriente de entrada. La
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velocidad de conmutación es muy alta y los tiempos de conmutación son del orden de los
nanosegundos.
Si no tiene señal de compuerta, un MOSFET incremental de canal-n se puede considerar
como dos diodos conectados espalda con espalda, o como un transistor NPN. La estructura de
la compuerta tiene capacidades parasitas Cgs respecto al surtidor y Cgd respecto al drenador. El
transistor NPN tiene una unión con polarización inversa, del drenador
drena
al surtidor,
surtidor y forma una
capacidad Cds. La figura 3.8(a)
3.8( muestra el circuito equivalente de un transistor bipolar parasito
en paralelo con el MOSFET. La región de base a emisor del transistor NPN se pone en corto
en ell microcircuito, al metalizar el terminal del surtidor y la resistencia de la base al emisor,
resulta de un valor bajo por lo que se la desprecia. Por consiguiente, se puede considerar al
MOSFET con un diodo interno (figura b), por lo que las capacitancias parasitas dependen de
sus voltajes respectivos.
a)
b)
Figura 3.8.- a) Modelo con capacidad bipolar. b) Modelo con diodo interno
4. EL TRANSISTOR MOSFET DE POTENCIA
Figura 4.1.4.1 Estructura interna de un transistor MOSFET de potencia.
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Muchas de las tecnologías utilizadas en la fabricación de circuitos integrados utilizan los
transistores MOSFET estudiados en la sección anterior. Estos tienen una estructura en la cual
los terminales de drenador, surtidor y compuerta están ubicados en la superficie superior del
dispositivo. Sin embargo esta estructura no es conveniente para la fabricación de dispositivos
discretos debido a la gran longitud de canal que deben tener (distancia entre drenador y
surtidor) para mantener el aislamiento.
Los transistores MOSFET de potencia se fabrican manteniendo una estructura vertical,
ver
como la que se observa en la figura 4.1, en la cual el terminal de surtidor y drenador se
encuentran en lados opuestos. Existen varias estructuras verticales utilizadas para la
fabricación de transistores MOSFET de potencia: V-MOSFET, U-MOSFET,
MOSFET, D-MOSFET
D
(figura
4.1) y S-MOSFET.
5. EL TRANSISTOR IGBT
El transistor IGBT (Insulated
Insulated Gate Bipolar Transistor) o transistor bipolar de compuerta
aislada tiene
iene una estructura interna similar a la de un MOSFET de potencia,
potencia pero del lado del
drenador (colector) tiene una juntura p-n,, la cual inyecta portadores minoritarios en el canal
cuando el IGBT se encuentra en estado de conducción y de esta manera se reduce
considerablemente la disipación de potencia. Debido a esta estructura, el IGBT exhibe una
mezcla de propiedades
opiedades del MOSFET y el transistor bipolar. Estas son:
Con el MOSFET:
• Compuerta controlada por tensión.
• La capacidad de entrada debe ser cargada y descargada durante el encendido y el
apagado del dispositivo.
• Peligro de avería o daños debido a cargas electroestáticas.
Con el Bipolar:
• Tensión de saturación poco dependiente de la corriente de colector.
colector
• La resistencia en estado de conducción no se incrementa con la temperatura, por
po lo
tanto tiene bajas pérdidas en el estado de conducción.
• Luego del apagado
apagado los portadores minoritarios necesitan un tiempo para la
recombinación, el cual resulta en una corriente inversa.
• No tiene diodo parásito.
Figura 5.1.5.1 Estructura interna de un transistor IGBT asimétrico.
asimétrico
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Debido a la capa adicional tipo p, el IGBT tiene en la zona entre el colector y el emisor una
estructura de cuatro capas, formando un tiristor parásito (figura 5.1).. Este tiristor puede
dispararse a corrientes altas de colector y en esta condición el IGBT no podría
podr bloquearse por
su compuerta, no obstante
bstante este fenómeno se elimina constructivamente.
constructivamente En la figura 5.2 se
observan los símbolos utilizados para la representación de un transistor IGBT canal N (no se
fabrican de canal P).
Figura 5.2.- Simbología para un transistor IGBT canal N.
5.1 ESTADO DE CONDUCCIÓN
Si se aplica una tensión positiva al colector con respecto al emisor,
emisor cuando VGE supera la
tensión de umbral, se origina una redistribución de cargas en la región central formándose un
canal dentro
ro de dicha región.
región Este canal permite que la región de deriva n se una con la región
+
de difusión de emisor n (figura 5.1) lo que provoca una corriente de electrones del emisor al
colector. La juntura J1 queda polarizada en forma directa y por lo tanto los huecos de la capa
+
de inyección p ingresan a la región de deriva n recombinándose
ndose con los electrones de esa
región. Los huecos remanentes tan pronto ingresan en la región central p, comienzan a atraer a
los electrones del emisor recombinándose rápidamente.
Podríamos establecer un circuito equivalente formado por un transistor MOSFET de canal N
en configuración Darlington con un transistor PNP. La región central p constituirá el terminal
termin de
colector y drenador de cada uno de los transistores, la región de deriva n representará la base
+
del transistor PNP, mientras que la región p de la capa de inyección constituirá el emisor del
transistor PNP.
Figura 5.3.- Circuito equivalente de un transistor IGBT.
A diferencia del circuito Darlington convencional, el transistor MOSFET de mando es el que
soporta la mayor parte de la corriente total. Esta división desigual en el flujo de la corriente es
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deseable ya que evita el posible encendido del
de tiristor parásito. En esta situación, la caída de
tensión en el estado de conducción, según el circuito equivalente de la figura 5.3,
5.3 se puede
expresar como:
∙ La caída de tensión a través de la unión J1, polarizada en forma directa,
directa tiene un valor
constante que puede ir de los 0,7 a 1 V. La caída a través de la región de deriva es
prácticamente constante,, siendo mucho menor en el IGBT que en el MOSFET,
MOSFET lo que hace que
la tensión en conducción del IGBT sea mucho menor. Por otro lado, la caída de tensión en el
canal se debe a la resistencia óhmica de éste.
5.2 ESTADO DE BLOQUEO
Cuando se aplica una tensión negativa al colector con respecto al emisor, la juntura J1 se
polarizará inversamente por lo que el dispositivo se encuentra bloqueado. La tensión
compuerta-emisor (VGE) controla el estado del dispositivo. Si se aplica una tensión positiva al
colector respecto al emisor cuando VGE es menor que la tensión de umbral (VGEth), el dispositivo
estará en estado de bloqueo. La unión J1 está directamente polarizada y la tensión colectorcolector
emisor (VCE) aplicada cae a través de la juntura J2 fluyendo sólo una pequeña corriente de fuga.
Este funcionamiento en bloqueo es prácticamente idéntico al del MOSFET.
La zona libre de cargas de la juntura J2 se extiende principalmente sobre la región de deriva
n , ya que la región central tipo p se encuentra dopada mucho más fuerte que la región de
deriva. Si el espesor de la región de deriva es lo suficientemente grande como para
p
que la zona
+
+
libre de cargas no alcance a la capa de inyección p , no es necesaria la capa amortiguadora n .
Este tipo de IGBT se conocen como simétricos y pueden bloquear tensiones inversas tan altas
como las directas, ésta capacidad de bloqueo es una característica deseable sobre todo en
aplicaciones de corriente alterna.
Sin embargo, es posible reducir el espesor necesario de la región de deriva
aproximadamente a la mitad si se usa una estructura asimétrica similar a la que se emplea en
diodos de potencia. Con esta geometría, la zona libre de cargas se puede extender en todas
las direcciones a través de la región de deriva con tensiones significativamente menores al
+
límite de ruptura. El contacto entre la zona libre de cargas y la capa p se evita insertando la
+
capa amortiguadora n . Este tipo de estructura se conoce como asimétrica..
Si la longitud de la región de deriva es más corta, las pérdidas en conducción son más bajas
pero la presencia de esta capa amortiguadora trae como consecuencia
consecuencia que la capacidad de
bloqueo inversa sea baja (unas pocas decenas de voltios)
voltio ) y, por consiguiente, esta capa
aparece sólo para aplicaciones muy concretas.
En la figura 5.4 se observa el circuito básico de aplicación, la característica tensión-corriente
de salida y la característica de transferencia,
transferencia es decir corriente de colector versus voltaje de
compuerta.
Las especificaciones de un solo IGBT pueden
puede llegar hasta 1200V, 400A
A con una frecuencia
de conmutación de hasta 20kHz.
20kHz Los IGBT tienen aplicaciones crecientes en potencias
intermedias, como por ejemplo
ejem
propulsores para motores de C.C y C.A,
A, fuentes de corrientes,
relevadores de estado sólido y contactores. A medida que los limites superiores en las
especificaciones de los IGBT aumentan (hasta 6500V y 2400A), están comenzando a
reemplazar a los transistores bipolares y MOSFET principalmente en las aplicaciones donde
funcionan esencialmente como interruptores.
En la figura 5.5 se observa la fotografía de un modulo IGBT de 1200A,
1
, 3300V
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Figura 5.4.- Circuito de polarización típico y características de entrada y salida de un transistor IGBT.
Figura 5.5.- Modulo IGBT de 3300V y 1200A.
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