UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL

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1 UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL ROSARIO E CAMPO

2 INTRODUCCION Los diferentes tipos de transistores que existen pueden agruparse en dos grandes grupos o familias: a) Transistores bipolares y b) Transistores unipolares. Los transistores bipolares (Bipolar Junction Transistor), reciben la denominación bipolar debido a que basan su funcionamiento en dos tipos de portadores de carga: electrones (-) y huecos (o lagunas) cuya carga es (+), mientras que los transistores unipolares (Unipolar Junction Transistor) se denominan así porque para su funcionamiento utilizan un sólo tipo de portadores de carga: electrones ó huecos (o lagunas). Un tipo de transistor perteneciente al grupo de los unipolares, es el denominado transistor de efecto de campo (Field Effect Transistor). Dicho transistor, es particularmente adecuado para ser utilizado en circuitos integrados debido a su reducido tamaño. El término efecto de campo se debe, a que el control de la corriente a través de dicho transistor, se ejerce (como veremos al analizar su funcionamiento) mediante un campo eléctrico exterior, por lo que el control de los mismos es por tensión y no por corriente como ocurre en los transistores bipolares. Los F.E.T. pueden ser de dos tipos: 1. J.F.E.T. (Junction Field effect Transistor): Transistor uniunión de efecto de campo. 2. M.O.S.F.E.T. (Metal Oxide Semiconductor Transistor): Transistor metal óxido semiconductor de efecto de campo. 1.-TRANSISTOR UNIUNION DE EFECTO DE CAMPO (JFET) 1.1-Características Vulgarmente se los llama simplemente FET, pudiendo ser de dos tipos: 1. JFET de canal N 2. JFET de canal P 1

3 Ambos tipos presentan tres electrodos o terminales: Puerta (Gate), Surtidor o fuente(source) y Drenador (Drain). Fuente o surtidor (S): terminal por donde entran los portadores provenientes de la fuente externa de polarización. Drenador (D): terminal por donde salen los portadores procedentes de la fuente y que atraviesan el canal. Puerta (G): terminal constituido por regiones altamente impurificadas (zona de dopado) a ambos lados del canal y que controla la cantidad de portadores que atraviesan dicho canal. Los JFET de canal N están constituidos por una barra de material semiconductor tipo N, denominada canal, con dos regiones de material semiconductor tipo P; mientras que en los JFET de canal P, la barra o canal es de material semiconductor tipo P, rodeada por dos regiones de material N como puede apreciarse en la figura 1. En un JFET de canal N, la corriente se debe a electrones, mientras que en un JFET de canal P, se debe a huecos o lagunas Diferencias con el transistor bipolar Constructivamente, el JFET, sólo tiene una unión P-N en vez de dos, como ocurre con el BJT. Al comparar al JFET con el BJT se aprecia que el drenador o drenaje (D) es análogo al colector, en tanto que la fuente o surtidor (S) es análoga al emisor, por último la puerta o compuerta (G), es análoga a la base. La fuente y el drenaje de un JFET se pueden intercambiar sin afectar el funcionamiento del mismo. La diferencia fundamental que existe entre el transistor bipolar y el JFET en cuanto al control, radica en que en el primero, el control de la corriente entre colector y emisor se hace por medio de la base, es decir se trata de un control por corriente, mientras que en el JFET el pasaje de la corriente del drenador al surtidor es controlado por el gate y es un control por tensión. Otra diferencia notable entre ambos esta dada en las impedancias de entrada, siendo mucho mayor la del JFET (Zi = 10 8 a ) comparada con la de un transistor bipolar (Zi = 10 2 a 10 6 ). La elevada impedancia de entrada del JFET constituye su principal ventaja, y se debe a que la unión P-N se encuentra polarizada en forma inversa. La corriente (I G ) que circula por la compuerta equivale a una corriente de fuga, siendo su magnitud del orden de los nanoamperes. 2

4 1.3- Polarización En los JFET la polaridad del potencial de puerta debe ser tal, que mantenga la unión P-N de entrada polarizada en forma inversa como puede apreciarse en la figura 2. La corriente de la compuerta (I G ), es despreciable debido a que se trata de una corriente inversa de fuga, por lo tanto tiene un valor sumamente bajo Funcionamiento El análisis del funcionamiento de este tipo de transistores, lo haremos a partir un JFET de canal N, sin embargo el funcionamiento de un JFET de canal P puede hacerse siguiendo la misma metodología. Su principio de funcionamiento se basa fundamentalmente en los efectos producidos por la región agotada que se crea en las proximidades de toda unión P-N cuando esta se polariza inversamente. Supongamos en primera instancia que aplicamos una diferencia de potencial V GS entre G y S,haciendo V DS = 0; como se observa en la figura 3a. La unión P-N queda polarizada en forma inversa, originándose una circulación de una corriente de fuga (I G ) despreciable. Mientras la diferencia de potencial aplicada V GS sea pequeña, las regiones agotadas serán de pequeño espesor, luego y a medida que esta tensión aumenta, también aumenta el espesor de dichas regiones. Este proceso continúa así hasta que se produce la unión de ambas regiones; se dice entonces que el canal se ha cortado o estrangulado. Esto ocurre para un valor de V GS determinado que se denomina tensión de estrangulamiento, en inglés tensión pinch off, y que la simbolizaremos V (P)GS. A continuación, hacemos V GS = 0 y aplicamos una V DS entre D y S com se ve en la figura 3b. Se produce entonces la circulación de una corriente I D a través del canal, que depende de la V DS aplicada, de la resistencia intrínseca del canal y de su geometría. La unión P-N también se polariza en forma inversa, pero ahora las regiones agotadas presentan la forma de cuña debido a que en su parte superior la unión está más inversamente polarizada que en la parte inferior, debido a que allí el gradiente del potencial es mayor, es decir la tensión va cayendo a lo largo del canal en forma progresiva (debido a la resistencia propia del canal). A medida que V DS aumenta, las regiones agotadas se hacen cada vez más 3

5 grandes, haciendo que las junturas tiendan a tocarse cerca del D. Esto hace que el canal se vaya estrechando, restringiendo así el paso de portadores (en este caso electrones pues se trata de un JFET de canal N). Cuando V DS alcanza un determinado valor, se produce el estrangulamiento del canal, cerrándolo casi por completo y provocando la disminución de la corriente. Esto ocurre para una V DS, V DSsat, sensiblemente igual a la de estrangulamiento. Dicha coincidencia no debe sorprender ya que en ambos casos se ha aplicado una polarización inversa a la unión, aunque en cada uno se haya producido una geometría distinta de las regiones agotadas. Sin embargo en este caso y a pesar de la casi total obstrucción del canal, sigue circulando la corriente I D, debido al efecto del campo eléctrico generado por la tensión V DS aplicada, capaz de inyectar electrones en las zonas de vaciamiento y recogerlos en el drenador. Generalmente los dos procesos analizados anteriormente, se presentan de forma simultánea, sin embargo, es usual mantener V DS = cte. y provocar el estrechamiento del canal variando V GS (control por compuerta). Conclusiones: Observamos que al variar la tensión V DS, aumenta o disminuye el ancho del canal, con lo que también aumenta o disminuye la corriente de drenador I D debido al cambio de la resistencia efectiva del canal. Entonces al contrario de lo que ocurre en los transistores bipolares, si consideramos a la I D como corriente de salida, ésta es controlada por cambios de tensión en vez de por cambios de corriente. Como se desprende del análisis realizado, los JFET deben su nombre al efecto de control, sobre la corriente de salida, que ejerce el campo eléctrico creado en las proximidades de la unión P-N inversamente polarizada. 1.4-Característica de drenador o de salida de un JFET Consideremos ahora el circuito de la figura 4, por medio del cual vamos a analizar como varía la corriente de drenador I D, en función de la tensión V DS, tomando a la tensión V GS como parámetro; es decir: I D = f(v DS ) para V GS = cte. 4

6 Como resultado obtendremos una familia de curvas de la corriente I D (figura 5) que se conoce como característica de drenador o de salida del JFET; todo esto nos servirá para obtener importantes conclusiones acerca del funcionamiento de los mismos. Con la tensión V GS polarizamos en forma inversa a la puerta del JFET (condición de funcionamiento) y variamos dicha tensión por medio del potenciómetro P, realizando el ajuste de V GG al valor deseado observando al voltímetro V1. Variando V DD controlamos el valor de I D (midiendo V DD con el voltímetro V2 y la I D con el amperímetro A1). Procedimiento: Ajustamos V GG y V DD de forma tal que V GS = V DS = 0, en este caso no circulará corriente (I D ) por el canal entre S y D. Aumentamos ligeramente V DD, esto origina la circulación de una corriente I D proporcional a ella. En estas condiciones, el canal se comporta como una resistencia común, por lo que la corriente crece linealmente con la tensión aplicada. A medida que se sigue aumentando la tensión V DS, la sección transversal promedio del canal se va reduciendo a causa del incremento de polarización inversa de las junturas de la compuerta, lo que provoca la modificación de las pendientes de la característica. Cuando V DS alcanza el valor V DS0, las variaciones de I D a partir de I D0 dejan de ser proporcionales a las variaciones de V DS y la I D se hace prácticamente constante. En ese momento se alcanza el estrangulamiento del canal y a ello se debe la estabilización de la corriente I D. En estas condiciones un incremento de la V DS no produce un aumento apreciable de la corriente I D. Pero si se sigue aumentando la tensión V DS hasta el valor V DS(B), se alcanza la región de ruptura, donde la corriente I D crece en forma incontrolada provocando la destrucción del JFET por efectos térmicos. Ajustando el valor de V GS a un nuevo valor V GS1 < V GS0 y repitiendo el proceso anterior, se encuentra un nuevo valor de I D1 < I D0, a partir del cual la corriente del drenador se estabilizará nuevamente. 5

7 Este nuevo valor de corriente de drenador, I D1, será menor que el anterior (I D0 ) ya que ahora cooperan V GS1 y V DS1 al estrechamiento del canal. Si seguimos dando nuevos valores a V GS, tales que V GS4 < V GS3 < V GS2 < V GS1, obtendremos los correspondientes valores de I D a partir de los que se produce nuevamente la estabilización de la corriente del drenador. Se alcanzará un valor de V GS, V GS4 = V (P)GS para el que, aunque V DS aumente hasta valores próximos a la tensión de ruptura, I D permanecerá en valores mínimamente apreciables, debido a que el canal se cierra casi por completo, al haberse alcanzado la tensión V (P)GS, llamada tensión de estrangulamiento o de pinch off. Nuevos valores de V GS, sin alcanzar la V GS máxima, darán resultados análogos, ya que no se hace más que reforzar la condición de estrangulamiento o corte del canal. Conclusiones: Haciendo V GS cada vez mayor en valores negativos, se reduce el valor de la I D en el punto de estrangulamiento o de pinch off. Si V GS se hace suficientemente grande (en valores negativos) el pinch off tiene lugar casi con I D = 0. El JFET estará cortado cuando la polarización inversa VGS sea suficiente para que I D = 0. Al igual que en los transistores bipolares se pueden distinguir tres regiones o zonas de trabajo: saturación: o zona óhmica, que está determinada por los valores de V DS comprendidos entre el origen y el correspondiente al codo de la característica de salida o de drenador. activa o lineal: es la porción horizontal de la característica. En esta zona se comporta como un dispositivo de corriente cte. corte: determinada por valores de V GS menores o iguales a V (P)GS. En esta zona, el JFET se comporta como un dispositivo de tensión cte., similar a un diodo Zener. 1.5-Curva de transconductancia o característica de transferencia del JFET Esta curva (figura 6) no es más que otra forma distinta de representar la misma información anterior. La característica de transferencia se define como: 6

8 I D = f(v GS ) con V DS = cte. donde V DS > V DSsat Esta característica puede aproximarse a la parábola: I D = I DSS. [1 - (V GS / V (P)GS )] 2 para valores de V GS comprendidos entre cero y V (P)GS. Por lo tanto, conociendo la corriente I DSS (correspondiente al parámetro V DS ) y la tensión V (P)GS se puede predecir con facilidad el valor de la I D correspondiente a una tensión V GS determinada. Debido a la ligera pendiente que presentan las curvas de drenador a partir del codo, lo que representa no es totalmente independiente de V DS en dicha región, existirá una característica de transferencia para cada valor particular de V DS. Generalmente,en los catálogos de información técnica de los FET se ofrece una sola curva para un valor determinado de V DS 1.6-Transconductancia o conductancia mutua Un parámetro también importante del JFET es la llamada transconductancia o conductancia mutua (g m ), que nos muestra una medida de la amplificación posible del JFET. Este parámetro es similar a la ganancia de corriente (hfe) para un BJT; el valor de g m, es un medida del cambio en la corriente de drenaje para un cambio en la tensión compuerta-fuente, Es usual encontrar el parámetro g m en las hojas de datos expresado como yfs.dicho parámetro representa la tangente a la curva en un punto determinado y, como tal curva, en cada uno de sus puntos ofrecerá una tangente distinta o pendiente diferente, lo que implica que g m no es constante (ver figura 6), siendo en este caso g m1 > g m2. g m = (di d / dv gs ) VDS = cte. ( I D / V GS ) VDS = cte. recordando que I D = I DSS. [1 - (V GS / V (P)GS )] 2, entonces: g m = di DS / dv GS = -2. (I DSS / V (P)GS ). [1 - (V GS / V (P)GS )] 2 7

9 Se define: g m0 = -2. (I DSS / V (P)GS ), transconductancia para V GS = 0, luego: g m = g m0. [1 - (V GS / V (P)GS )] Como I DSS y V (P)GS son de signo opuesto, g m0 es siempre positivo. Nótese que cualquiera de las dos expresiones anteriores son la inversa de una resistencia, siendo sus unidades: A(amperio) / V(voltio) = S (siemens) o Mho (mohmio) y comunmente empleados sus submúltiplos ms y ms. 1.7-Dependencia del JFET con la temperatura El JFET se ve afectado de la siguiente forma por la temperatura: I D = f (1/T) si la Temperatura aumenta, la I D disminuye La I D depende directamente de la movilidad de los portadores. Al aumentar T, la agitación de los iones de la red cristalina del canal hace que la movilidad disminuya; g m tiene la misma variación con la temperatura, esto es, si T aumenta implica que g m disminuya. Notemos que esta corriente de portadores mayoritarios disminuye con la temperatura, contrariamente a lo que ocurre en un BJT, cuya corriente de portadores minoritarios aumenta con la temperatura. 1.8-Polarización de un JFET Una forma sencilla de polarizar un JFET es mediante el empleo de dos fuentes de alimentación V DD y V GG como vimos anteriormente, pero evidentemente no es la más práctica por el hecho de tener que usar dos fuentes y porque además las características de todo JFET ofrecen variaciones entre sus valores máximos y mínimos. Por estas razones, se procura emplear circuitos cuya polaridad sea válida para JFETs del mismo tipo, pero con diferencias en sus características. 8

10 En general, cualquier forma de polarización, deberá hacer (+) al Drenador frente al Surtidor, y (- ) a la fuente frente al mismo terminal, para un JFET de canal N; para uno de canal P deberá cumplirse lo inverso. Autopolarización por resistencia de fuente En la figura 7 podemos ver un JFET de canal N polarizado de esta manera. Como hemos despreciado la corriente de puerta, la caída de tensión en R G vale cero, luego: V S = I D. R S V GS = V G - V S = 0 - V S = - V S = -I D. R s por lo que la polarización efectiva puerta-fuente es igual a la caída de tensión en la resistencia de fuente y dicho voltaje depende de la corriente de drenador, por lo tanto una variación de I D implica una corrección de la polarización puerta-surtidor. El principal inconveniente radica en que la variación de la característica de transferencia de un JFET a otro provoca variaciones importantes del punto Q de polarización, como se muestra en la figura 8 a), donde la curva inferior corresponde a los valores mínimos y la superior a los máximos de los garantizados por el fabricante, para un mismo tipo de JFET; luego, cualquiera comprendida entre ellas será válida. La recta de polarización viene determinada por el valor de R S, así en la figura 8 b), tenemos que: R S1 < R S2 < R S3, cada valor de R S determina una recta de polarización y, por tanto, puntos estáticos de polarización Q distintos. A la hora de calcular el circuito de polarización se habrá de proceder eligiendo sobre la curva de transferencia el valor de V GS correspondiente a la ID requerida por las condiciones de diseño. Posteriormente se busca R S de la forma: R S = - V GS / I D Cuando se trata de situar el punto estático en las proximidades del punto medio de la curva, es válida la ecuación: R S = - V (P)GS / I DSS Polarización por divisor de tensión 9

11 Este tipo de polarización reduce el efecto de variación del punto de polarización estática cuando varía la característica de transferencia, es decir, es más estable que el anterior y puede apreciarse en la figura 9. La tensión de polarización puerta-surtidor será: V GS = V G - V S = V R2 - V RS o también V GS = [V DD / (R 1 + R 2 )]. R 2 - I D. R S lo que ofrece una recta de polarización como la de la figura 10, pudiéndose trazar mediante la determinación de los puntos: A de coordenadas (V GS = V R2 ; ID = 0) B de coordenadas (V GS = 0 ; I D = V R2 / R S ). Como se puede apreciar, la variación de la condición de reposo para ambas curvas es mucho menor, ya que la pendiente de la recta es muy pequeña. 1.9-El JFET como amplificador Al igual que los BJT, cuando el JFET se emplea como amplificador, se puede disponer en cualquiera de las tres configuraciones determinadas por la forma de conectarlo, esto es: fuente o surtidor común (S.C.), drenador común (D.C.) y puerta común (G.C.). Sus características son similares, teniendo en cuenta las peculiaridades que los hacen distintos a las ofrecidas en disposiciones análogas por los transistores bipolares. Se puede relacionar de la siguiente forma: Fuente común con Emisor común. Drenador común con Colector común. Puerta común con Base común. A modo de ejemplo, en la figura 11 a), se muestra la configuración de fuente común (S.C.), siendo los circuitos equivalentes para el análisis en continua, y en señal los de las figuras 11 b) y c), respectivamente. El circuito equivalente para c.c. es el ya estudiado de polarización por divisor de tensión, queda para el lector el análisis para el de c.a. 10

12 Impedancia de entrada Debido a que la entrada de señal al JFET es aplicada a una unión inversamente polarizada,su impedancia de entrada (Z IT ) es muy elevada, y la de entrada al circuito será: y como generalmente, Z I = R 1 // R 2 // Z IT R 1 // R 2 << Z IT se toma: Z I = R 1 // R 2 Ello obliga a que tanto R 1 como R 2 tomen valores elevados, con la finalidad de que consiguiendo el efecto del divisor de tensión no sacrifiquen la principal ventaja del JFET, esto es, su elevada impedancia de entrada. Las resistencias de valores superiores a 10 MΩ crean problemas de estabilidad y por lo general, se buscan otras soluciones para poder utilizar resistencias de valores más bajos, sin que la impedancia de entrada se vea afectada por ello; la figura 12 ofrece una de estas soluciones. Al ser la corriente de puerta nula, dicho terminal está al mismo potencial que el punto de unión de R 1 y P, sin embargo, la impedancia de entrada queda modificada de la siguiente forma: Z I = (R 1 // P) + R 2 donde R 2 puede tomar valores de algunos MΩ, con lo que la impedancia queda elevada de forma considerable y se puede hacer casi independiente de R 1 y P. Impedancia de salida Esta característica viene dada por: Z o = R D // Z ot como la impedancia de salida del propio JFET (Z ot ), cuando éste trabaja en la región activa, es elevada, usualmente mayor de 100 K, se suele tomar: Z o = R D 11

13 Ganancia de tensión La tensión de salida vendrá determinada por: ya que, v o = - i d. R D g m = i d / v gs i d / v i entonces, luego: la ganancia será: i d = g m. v i v o = - g m. v i. R D A v = v o / v i = - g m. v i. R D / v i = - g m. R D donde el signo menos representa la inversión de fase de la salida respecto a la entrada. Nótese que la ganancia de tensión es realmente pobre frente a la configuración análoga para transistores bipolares; ello es debido a que v i es del orden de algún voltio, mientras que l d es de ma y, por tanto, v o representa solamente algunos voltios. A la misma conclusión se llega analizando las unidades de g m y R D. Relación de fase Las gráficas 13 a) y b), muetran los efectos de la señal de entrada sobre la corriente y la tensión de salida. En ambos casos se puede observar que la tensión de salida está desfasada 180 o con respecto a v i. Un aumento de v i provoca una mayor corriente de drenador y por lo tanto una menor tensión drenador-surtidor, ocurriendo lo contrario para disminuciones de v i. Distorsión Los diferentes tipos de distorsión que se pueden presentar, son similares a las de los transistores bipolares, por dos casos: 1- Señal de entrada excesiva, lo que puede provocar que la curva de transconductancia haga presente su no linealidad y, además, que lleve al JFET a las regiones de corte y saturación. 12

14 2- Desplazamiento del punto Q, ofreciendo v o recortes en las crestas positivas o negativas, en función de que Q se desplace en sentido descendente o ascendente a lo largo de la recta de carga. Nota: Omitiremos el análisis de amplificadores en las configuraciones drenador común (DC) y puerta común (GC), ya que este es análogo a lo visto en transistores bipolares para la configuración emisor común (EC). La obtención de la recta de carga, también se obtiene de manera similar a lo expuesto en transistores bipolares El JFET en conmutación Los requisitos son los mismos que los expuestos para transistores bipolares, por lo tanto, basta recordar que en este modo de trabajo se evita la región activa si no es para lograr las transiciones de corte a saturación o viceversa, y dichas transiciones han de ser lo más rápidas posible Parámetros característicos del JFET Los fabricantes, suelen ofrecer las siguientes especificaciones y características de un JFET en su hoja de datos: 1. I dmáx : Máxima corriente permitida de drenador. 2. I Gmáx : Máxima corriente permitida de compuerta. 3. V DSmáx : Máxima tensión permitida drenador-surtidor. 4. V GSOmáx : Máxima tensión permitida compuerta-surtidor con drenador abierto. 5. V DGOmáx : Máxima tensión permitida drenador-puerta con surtidor abierto. 6. I DSS : Corriente de drenador con la G en c.c. con el S y para una V DS determinada. 7. V (P)GS : Tensión de estrangulamiento G y S para una V DS y I D dadas con el canal cortado. 8. P tot :Potencia total máxima disipable a una temperatura dada. 9. g m o y fs : transconductancia o transadmitancia Aplicaciones Se los utiliza en las siguientes aplicaciones: 13

15 1. Amplificador de tensión 2. Conmutador analógico 3. Compuerta digital 4. Resistencia variable con la tensión 5. Amplificador de VHF con baja distorsión 6. En medidores de PH 7. En electroencefalógrafos 8. En electrocardiógrafos 9. Etc. 14

16 2.-TRANSISTOR METAL-OXIDO-SEMICONDUCTOR (MOSFET) 2.1-Características Una de las características más importantes del MOSFET es su tamaño; es tan pequeño comparado con un transistor bipolar (BJT), que sólo ocupa el 20 o 30 % del área del chip que ocuparía un BJT típico. Por lo tanto, los MOSFET pueden alcanzar densidades de empaquetamiento muy elevadas en un circuito integrado, de allí que se los utilice ampliamente en ellos. Además tienen la capacidad de disipar altas potencias y conmutar grandes corrientes en menos de un nanosegundo: mucha más rapidez que la actualmente alcanzable utilizando un BJT, es por esta razón que se lo utiliza como interruptor de alta potencia y alta frecuencia. Su funcionamiento es similar al del JFET, sin embargo hay diferencias básicas de las que resulta que el MOSFET tiene una impedancia de entrada mucho más alta que la del JFET, y que es del orden de Ω. Existen dos tipos constructivos de MOSFET: 1. MOSFET de empobrecimiento 2. MOSFET de enriquecimiento a su vez estos pueden ser de canal N ó de canal P. 2.2-MOSFET de empobrecimiento En las figuras 14 y 15 se muestran la estructura interna, el símbolo, la característica de transferencia y las características de drenador de los dos tipos de mosfet de empobrecimiento El MOSFET de empobrecimiento de canal N consiste en un sustrato de material tipo P (silicio contaminado o dopado con impurezas tipo P) en el que se han difundido dos regiones de material tipo N. Estas dos regiones forman la fuente o surtidor (S) y el drenaje o drenador (D), constituyendo conexiones de baja resistencia entre los extremos del canal N y los contactos de aluminio de la fuente y el drenador. La puerta se forma cubriendo la región comprendida entre el drenador y la fuente con una capa de dióxido de silicio (SiO2), encima de la cual se deposita una placa metálica. La denominación metal- óxido -semiconductor proviene de esta formación de la puerta con metal, óxido y un semiconductor. 15

17 El funcionamiento del MOSFET de empobrecimiento, es similar al del JFET, como puede verse en las figuras 14 a), b) y c). Al aplicar una tensión V DS entre el drenador y el surtidor, se originará la circulación de una corriente I D entre ambos terminales. Si se aplica una tensión negativa V GS entre la puerta y el surtidor, se produce la salida de los electrones de la región del canal empobreciéndolo. Cuando V GS alcanza el valor V P, el canal se estrangula, provocando que cese la circulación de la corriente ID. Por el contrario si la V GS aplicada fuese positiva, los valores positivos de esta tensión aumentarían el tamaño del canal, dando por resultado un aumento de la corriente I D. Todo esto puede apreciarse en la característica de transferencia mostrada en la figura anterior. Nótese que el MOSFET de empobrecimiento puede operar tanto para valores positivos como negativos de la V GS., sin embargo la característica de transferencia continúa para valores positivos de la tensión V GS. Como la compuerta está aislada del canal por la capa de dióxido de silicio, la corriente de compuerta es sumamente baja (10-12 A) y V GS puede ser de cualquier polaridad. Como puede verse en las figuras anteriores, el símbolo para el MOSFET posee un cuarto terminal, el sustrato. La flecha apunta hacia adentro para uno de canal N y hacia afuera para uno de canal P. La fuente, el drenador y el sustrato forman un transistor bipolar; por lo general siempre se lo conecta a la tensión más negativa existente en el circuito. La tensión del sustrato afecta a la tensión inicial V P y a la característica corriente de drenadortensión de puerta del MOSFET. La figura 16, muestra dicha variación. La corriente drenador-fuente también varía al variar la tensión del sustrato, ya que cuando cambia la tensión fuente-sustrato, cambia la tensión umbral V T. El MOSFET de empobrecimiento de canal P, que se muestra en la figura 15, se construye igual al de canal N, salvo que ahora se invierten los materiales N y P al igual que las polaridades de las tensiones y corrientes.; su funcionamiento es análogo teniendo en cuenta las salvedades mencionadas. 2.3-MOSFET de enriquecimiento El MOSFET de enriquecimiento, que al igual que el anterior, puede ser de canal N ó de canal P, se muestra en las figuras 17y

18 La construcción comienza con un material de sustrato (de tipo P para canal N y de tipo N para canal P) sobre el cual se difunde material de tipo opuesto para formar la fuente y el drenador. El símbolo para el MOSFET de enriquecimiento, muestra una línea quebrada entre fuente y drenador para indicar que no existe un canal inicial. El MOSFET de enriquecimiento de canal N difiere constructivamente del de empobrecimiento de canal n en que no tiene capa de material N, sino que requiere de una tensión positiva entre la puerta y la fuente para establecer un canal. Este canal se forma por la acción de una tensión positiva compuerta-fuente (V GS ),que atrae electrones de la región del sustrato ubicada entre el drenador y la compuerta que estan formados por material semiconductor tipo P. Es decir que el canal no tiene existencia física como ocurre con el mosfet de empobrecimiento, sino que se forma a partir de una tensión aplicada V GS. Una V GS positiva, provoca que los electrones se acumulen en la superficie inferior de la capa de óxido, produciéndose el enriquecimiento de la región del canal. Cuando la tensión alcanza el valor umbral,v T, han sido atraídos a esta región los electrones suficientes para que se comporte como canal N conductor. No habrá una corriente apreciable I D hasta que V GS exceda el valor V T. Para el MOSFET de enriquecimiento, no existe un valor de I DSS ya que la corriente de drenaje es cero hasta que el canal se ha formado. El MOSFET de enriquecimiento de canal P tiene características similares pero opuestas a las del MOSFET de enriquecimiento de canal N. Aunque se halla más restringido en su intervalo de operación que el MOSFET de empobrecimiento, el MOSFET de enriquecimiento se emplea en circuitos integrados debido a su reducido tamaño y construcción simple. 2.4-VMOSFET (VMOS) Este tipo de MOSFET fue desarrollado para aumentar la capacidad de manejo de potencia en dispositivos de estado sólido; en ellos el canal de conducción se ha modificado para formar una V, como puede verse en la figura 19 en lugar de la línea recta convencional entre fuente y drenador. Se añade una capa de semiconductor adicional. 17

19 El término VMOS se deriva del hecho de que la corriente entre fuente y drenador sigue un trayecto vertical debido a la construcción. El drenaje está ahora localizado en una pieza de material semiconductor adicional. Los FETS convencionales estan limitados a corrientes del orden de miliamperes, pero los FET VMOS se encuentran disponibles para corrientes del orden de los 100 A. Esto proporciona un gran incremento de potencia respecto a los FETS convencionales. Otras ventajas adicionales de los VMOS son las siguientes: coeficiente de temperatura negativo para prevenir fallas térmicas baja corriente de fuga alta velocidad e conmutación posibilidad de ser utilizados como BJT para amplificadores lineales de alta potencia 2.5-MOSFET de simetría complementaria (CMOS) El MOSFET de simetría complementaria, denominado CMOS está fabricado como muestra la figura 20 a). Consiste en un mosfet de canal P (PMOSFET) y uno de canal N (NMOSFET), ambos del tipo de enriquecimiento. Se trata de un circuito inversor representado en la figura 20 b), donde T 2 es el PMOSFET y T 1 es el NMOSFET. Los dos drenajes están conectados entre sí por lo que la corriente fluye desde la alimentación V SS hasta masa; la figura 20 c) muestra las conexiones del sustrato. La operación del inversor es la siguiente: cuando V i < V T1, el transistor T 1 está en corte y, como usualmente ocurre, V SG2 = V SS - V i > VT2, por lo que el transistor T 2 conduce. Estando T 1 en corte, no fluye corriente en T 2 aunque esté en el estado de conducción; así la salida del inversor es V o = V SS. Cuando aumenta la tensión de entrada V i por encima de V T1, T 1 y T 2 conducen y la tensión de salida disminuye. Finalmente, cuando Vi aumenta lo suficiente para que T 2 pase al estado de corte, es decir: VSS - Vi < VT2, entonces, como T 1 está en conducción, la tensión de salida V = 0 volt. Entre el PMOSFET y el NMOFET se emplean otras conexiones cuando el CMOS ha de ser utilizado en aplicaciones diferentes. 18

20 Una de las aplicaciones más importantes de los circuitos CMOS, tal vez la más importante, es su utilización como compuertas lógicas en circuitos integrados. Esto se debe a elevada velocidad de conmutación, consumo extremadamente pequeño de potencia de c.c. y tamaño extremadamente pequeño, lo que lo hace particularmente apto para la denominada integración en muy alta escala (VLSI). NOTA: Además de los FET analizados existen otros transistores de efecto de campo tales como DMOS, MESFET, etc., que no han sido tratados en el presente trabajo. Se invita a aquellos lectores que estén interesados en profudinzar más en el tema a recurrir a la bibliografía citada al final del apunte. - GRAFICOS - 19

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34 -BIBLIOGRAFIA- 1. SEMICONDUCTORES AVANZADOS Y OP-AMP - J. P. García, A. Robles y C. Otero - Edit. Mc Graw - Hill DISEÑO ELECTRONICO, CIRCUITOS Y SISTEMAS - Savan, Rover y Carpenter.- Edit. Addison Wesley Iberoamericana CIRCUITOS ELECTRONICOS DISCRETOS E INTEGRADOS - D. Schiling, C. Belove, T. Apelewicz y R. Saccardi.- Edit. Mc Graw - Hill A.H.J.B. 33