Conceptos de electrónica

TRANSISTOR FET

TRANSISTOR FET (Introducción).

Los transistores más conocidos son los llamados bipolares (NPN y PNP), llamados así porque la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en gran número de aplicaciones pero tienen ciertos inconvenientes, entre los que se encuentra su impedancia de entrada bastante baja. 

Existen unos dispositivos que eliminan este inconveniente en particular y que pertenece a la familia de dispositivos en los que existe un solo tipo de portador de cargas, y por tanto, son unipolares. Se llama transistor de efecto campo.

2) Explicación de la combinación de portadores.

            Puesto que hay una tensión positiva entre el drenador y el surtidor, los electrones fluirán desde el surtidor al drenador (o viceversa según la configuración del mismo), aunque hay que notar que también fluye una corriente despreciable entre el surtidor (o drenador) y la puerta, ya que el diodo formado por la unión canal – puerta, esta polarizado inversamente.

            En el caso de un diodo polarizado en sentido inverso, donde inicialmente los huecos fluyen hacia la terminal negativa de la batería y los electrones del material N, fluyen hacia el terminal positivo de la misma.

            Lo anteriormente dicho se puede aplicar al transistor FET, en donde, cuando se aumenta VDS aumenta una región con empobrecimiento de cargas libres

Cuando seleccionamos un transistor tendremos que conocer el tipo de encapsulado, así como el esquema de identificación de los terminales. También tendremos que conocer una serie de valores máximos de tensiones, corrientes y potencias que no debemos sobrepasar para no destruir el dispositivo. El parámetro de la potencia disipada por el transistor 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.

3) Explicación de sus elementos o terminales.

Un transistor de efecto campo (FET) típico está formado por una barrita de material p ó n, llamada canal, rodeada en parte de su longitud por un collar del otro tipo de material que forma con el canal una unión p-n.
En los extremos del canal se hacen sendas conexiones óhmicas llamadas respectivamente sumidero (d-drain) y fuente (s-source), más una conexión llamada puerta (g-gate) en el collar.

La figura muestra  el croquis de un FET con canal N

 Símbolos gráficos para un FET de canal N

Símbolos gráficos para un FET de canal P

Fundamento de transistores de efecto de campo:

Los transistores son tres zonas semiconductoras juntas dopadas alternativamente con purezas donadoras o aceptadoras de electrones.
Su estructura y representación se muestran en la tabla.

Modelo de transistor FET canal n
Modelo de transistor FET canal p

Las uniones Puerta-Drenador y la Surtidor-Puerta están polarizadas en inversa de tal forma que no existe otra corriente que la inversa de saturación de la unión PN.
La zona n (en el FET canal n) es pequeña y la amplitud de la zona de deplexión afecta a la longitud efectiva del canal. La longitud de la zona de deplexión y depende de la tensión inversa (tensión de puerta).

Zonas de funcionamiento del transistor de efecto de campo (FET):

• ZONA ÓHMICA o LINEAL: En esta zona el transistor se comporta como una resistencia variable dependiente del valor de VGS. Un parámetro que aporta el fabricante es la resistencia que presenta el dispositivo para VDS=0 (rds on), y distintos valores de VGS.
• ZONA DE SATURACIÓN: En esta zona es donde el transistor amplifica y se comporta como una fuente de corriente gobernada por VGS

3. ZONA DE CORTE: La intensidad de drenador es nula (ID=0).

A diferencia del transistor BJT, los terminales drenador y surtidor del FET pueden intercambiar sus papeles sin que se altere apreciablemente la característica V-I (se trata de un dispositivo simétrico).

La operación de un FET de CANAL P es complementaria a la de un FET de CANAL N, lo que sigmifica que todos los voltajes y corrientes son de sentido contrario.

Entre las principales aplicaciones de este dispositivo podemos destacar:

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, sistemas de control de dirección
Resistor variable por voltaje	Se controla por voltaje	Amplificadores operacionales, órganos electrónicos, controlas de tono
Amplificador de baja frecuencia	Capacidad pequeña de acoplamiento	Audífonos para sordera, transductores inductivos
Oscilador	Mínima variación de frecuencia	Generadores de frecuencia patrón, receptores
Circuito MOS digital	Pequeño tamaño	Integración en gran escala, computadores, memorias

Siempre nos va a interesar estar en la región de saturación, para que la única variable que me controle la cantidad de corriente que pase por el drenador sea la tensión de puerta.

Ecuación de Shockley:

ID=IDSS(1-VGS/Vp)2

Donde:

• Vp es la tensión de puerta que produce el corte en el transistor FET.
• IDSS es la corriente máxima de drenador que circula por el transistor, al aumentar VDS, cuando la polarización de la puerta es VSG= 0 vol

PARAMETROS DEL FET

La corriente de sumidero Id es función tanto de la tensión de sumidero Vds como de la puerta Vgs. Como la unión está polarizada inversamente, suponemos que la corriente de puerta es nula, con lo que podemos escribir:
Ig = 0   e      Id = ƒ(Vds, Vgs)
En la zona de estricción (saturación) en que las características son casi rectas (en el gráfico, son horizontales, pero en realidad tienen una pendiente positiva) podemos escribir la respuesta del transistor para pequeños incrementos de Vds y Vgs en esta forma


El parámetro rd se llama resistencia diferencial del sumidero del FET, y es la inversa de la pendiente de la curva. Que como en el gráfico, dicha pendiente es cero (en la realidad, como he dicho antes existe algo de pendiente), entonces la rd es infinita (muy grande).
El parámetro gm se le denomina conductancia mutua o transconductancia, y es igual a la separación vertical entre las características que corresponden a diferencias de valor de Vgs de 1 voltio.

4) 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.

La construcción básica del JFET de canal-n se muestra en la figura siguiente Observe que la mayor parte de la estructura es el material tipo n que forma el canal entre las capas difundidas en material tipo p. El extremo superior del canal tipo n se conecta mediante contacto óhmico a la terminal denominada como drenaje (drain) (D), mientras que el extremo inferior del mismo material se conecta por medio de contacto óhmico a la terminal llamada la fuente (source) (S). Los dos materiales tipo p se encuentran conectados juntos y al mismo tiempo hacia la terminal de compuerta (gate) (Q). Por tanto, esencialmente el drenaje y la fuente se conectan en esencia a los extremos del canal tipo n y la compuerta, a las dos capas del material tipo p. En ausencia de cualquiera de los potenciales aplicados, el JFET tiene dos uniones p-n bajo condiciones sin polarización. El resultado es una región de agotamiento en cada unión, como se ilustra en la figura siguiente, que se parece a la misma región de un diodo bajo condiciones sin polarización. Recuérdese también que una región de agotamiento es aquella región carente de portadores libres y por lo tanto incapaz de permitir la conducción a través de la región.

Transistor de unión de efecto de campo (JFET).

Muy pocas veces las analogías son perfectas y en ocasiones pueden ser engañosas, pero la analogía hidráulica de la figura siguiente proporciona un sentido al control del JFET en la terminal de compuerta y a la conveniencia de la terminología aplicada a las terminales del dispositivo. La fuente de la presión del agua puede semejarse al voltaje aplicado del drenaje a la fuente, el cual establecerá un flujo de agua (electrones) desde el grifo o llave (fuente). La "compuerta", por medio de una señal aplicada (potencial), controla el flujo del agua (carga) hacia el "drenaje". Las terminales del drenaje y la fuente están en los extremos opuestos del canal-n, como se ilustra en la figura anterior, debido a que la terminología se define para el flujo de electrones.

Analogía hidráulica para el mecanismo de control del JFET.

VGS = 0 V, Vds cualquier valor positivo

En la figura siguiente se ha aplicado un voltaje positivo VDS y a través del canal y la compuerta se ha conectado en forma directa a la fuente para establecer la condición VGS = 0 V. El resultado es que las terminales de compuerta y fuente se hallan al mismo potencial y hay una región de agotamiento en el extremo inferior de cada material p, semejante a la distribución de las condiciones sin polarización de la figura del transistor FET. En el instante que el voltaje vDD ( = VDS) se aplica, los electrones serán atraídos hacia la terminal de drenaje, estableciendo la corriente convencional ID con la dirección definida de la figura siguiente la trayectoria del flujo de carga revela con claridad que las comentes de fuente y drenaje son equivalentes (ID = Is). Bajo las condiciones que aparecen en la figura siguiente, el flujo de carga es relativamente permitido y limitado únicamente por la resistencia del canal-n entre el drenaje y la fuente.

JFET en la región VGS = 0 V y VDS > 0 V.

Es importante observar que la región de agotamiento es más ancha cerca del extremo superior de ambos materiales tipo p. La razón para el cambio en la anchura de la región se puede describir mejor con la ayuda de la figura siguiente. Suponiendo una resistencia uniforme en el canal-n, la resistencia del canal puede dividirse en las partes que aparecen en la figura siguiente. La corriente ID establecerá los niveles de voltaje a través del canal, como se indica en la misma figura. El resultado es que la región superior del material tipo p estará inversamente polarizada alrededor de los 1.5 V, con la región inferior inversamente polarizada sólo en los 0.5 V. Recuérdese, la explicación de la operación del diodo, que cuanto mayor sea la polarización inversa aplicada, mayor será la anchura de la región de agotamiento, de aquí la distribución de la región de agotamiento que se muestra en la figura siguiente. El hecho de que la unión p-n esté inversamente polarizada en la longitud del canal da por resultado una corriente de compuerta de cero amperes, como se ilustra en la misma figura. El hecho que iG = O A es una importante característica del JFET.

Variación de los potenciales de polarización inversa a través de la unión p-n de un JFET de canal n.

5) Explicación de su encapsulado e identificación de sus terminales.

La fabricación de varios de estos dispositivos conectados en diversas configuraciones en una misma oblea de silicio, permitió crear los circuitos integrados o chips, base de todos los aparatos electrónicos modernos.
Conectados de manera apropiada, permite amplificar señales muy débiles, convertir energía, encender o apagar sistemas de elevada potencia, crear osciladores desde frecuencias bajas hasta frecuencias de radio, etc.

Según sea el orden de los materiales que forman las junturas, existen los transistores tipo NPN ó PNP, los cuales, en disposiciones circuitales apropiadas permiten crear una enorme cantidad de circuitos para diversos fines, ya que se complementan pues funcionan con sentidos opuestos de circulación de corriente.
En la actualidad, existen una gran variedad de transistores, de efecto de campo o FET (el electrodo de control actúa por medio de campo eléctrico), los tipo unijuntura, los MOS o de óxido metálico (variante de los FET), y otras variaciones como los VMOS (usados para controlar grandes potencias y tensiones), etc.

Existe una innumerable cantidad de diseños, especializados para alta potencia, bajo ruido eléctrico, alta frecuencia, alta ganancia de corriente, alta tensión, aplicaciones de conmutación, etc.

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