electronica i - frro.utn.edu.ar · pdf filetransistor, se ejerce (como veremos al ... la...

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA

NACIONAL

FACULTAD REGIONAL ROSARIO

EEELLLEEECCCTTTRRROOONNNIIICCCAAA III

TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO

Año 2002

UTN – FRRO LECTRONICA I

Año 2002 TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO - PAG.

1

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



2

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.

1.2- 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 = 108 a 1012) comparada con la de un transistor bipolar (Zi = 102 a 106).

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 (IG) que circula por la

compuerta equivale a una corriente de fuga, siendo su magnitud del orden de los nanoamperes.



3

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 (IG), es despreciable debido a que se trata de una corriente

inversa de fuga, por lo tanto tiene un valor sumamente bajo.

1.4- 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 VGS entre G y

S,haciendo VDS = 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 (IG) despreciable.

Mientras la diferencia de potencial aplicada VGS 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 VGS determinado que se denomina “tensión de

estrangulamiento”, en inglés tensión “pinch off”, y que la simbolizaremos V(P)GS.

A continuación, hacemos VGS = 0 y aplicamos una VDS entre D y S com se ve en la figura 3b.

Se produce entonces la circulación de una corriente ID a través del canal, que depende de la

VDS 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 VDS aumenta, las regiones agotadas se hacen cada vez más



4

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 VDS 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

VDS , VDSsat, 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 ID , debido al efecto del campo eléctrico generado por la tensión VDS 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 VDS = cte. y provocar el estrechamiento del canal variando VGS

(control por compuerta).

Conclusiones:

• Observamos que al variar la tensión VDS, aumenta o disminuye el ancho del canal, con lo que

también aumenta o disminuye la corriente de drenador ID debido al cambio de la resistencia

efectiva del canal. Entonces al contrario de lo que ocurre en los transistores bipolares, si

consideramos a la ID 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 ID , en función de la tensión VDS, tomando a la tensión VGS como

parámetro; es decir:

ID = f(VDS) para VGS = cte.



5

Como resultado obtendremos una familia de curvas de la corriente ID (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 VGS 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 VGG al valor deseado observando al voltímetro V1.

Variando VDD controlamos el valor de ID (midiendo VDD con el voltímetro V2 y la ID con el

amperímetro A1).

Procedimiento:

Ajustamos VGG y VDD de forma tal que VGS = VDS = 0, en este caso no circulará corriente (ID) por

el canal entre S y D.

Aumentamos ligeramente VDD, esto origina la circulación de una corriente ID 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 VDS , 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 VDS alcanza el valor VDS0, las variaciones de ID a partir de ID0 dejan de ser

proporcionales a las variaciones de VDS y la ID se hace prácticamente constante.

En ese momento se alcanza el estrangulamiento del canal y a ello se debe la “estabilización” de

la corriente ID.

En estas condiciones un incremento de la VDS no produce un aumento apreciable de la

corriente ID.

Pero si se sigue aumentando la tensión VDS hasta el valor VDS(B) , se alcanza la región de

ruptura, donde la corriente ID crece en forma incontrolada provocando la destrucción del JFET

por efectos térmicos.

Ajustando el valor de VGS a un nuevo valor VGS1 < VGS0 y repitiendo el proceso anterior, se

encuentra un nuevo valor de ID1 < ID0, a partir del cual la corriente del drenador se estabilizará

nuevamente.



6

Este nuevo valor de corriente de drenador, ID1, será menor que el anterior (ID0) ya que ahora

cooperan VGS1 y VDS1 al estrechamiento del canal.

Si seguimos dando nuevos valores a VGS, tales que VGS4 < VGS3 < VGS2 < VGS1, obtendremos

los correspondientes valores de ID a partir de los que se produce nuevamente la estabilización

de la corriente del drenador.

Se alcanzará un valor de VGS, VGS4 = V(P)GS para el que , aunque VDS aumente hasta valores

próximos a la tensión de ruptura, ID 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 VGS, sin alcanzar la VGS máxima, darán resultados análogos, ya que no se

hace más que reforzar la condición de estrangulamiento o corte del canal.

Conclusiones:

• Haciendo VGS cada vez mayor en valores negativos, se reduce el valor de la ID en el punto de

estrangulamiento o de “pinch off”. Si VGS se hace suficientemente grande (en valores

negativos) el pinch off tiene lugar casi con ID = 0.

• El JFET estará cortado cuando la polarización inversa VGS sea suficiente para que ID = 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 VDS 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 VGS 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:



7

ID = f(VGS ) con VDS = cte. donde VDS > VDSsat

Esta característica puede aproximarse a la parábola:

ID = IDSS . [1 - (VGS / V(P)GS)]2

para valores de VGS comprendidos entre cero y V(P)GS.

Por lo tanto, conociendo la corriente IDSS (correspondiente al parámetro VDS) y la tensión V(P)GS

se puede predecir con facilidad el valor de la ID correspondiente a una tensión VGS

determinada.

Debido a la ligera pendiente que presentan las curvas de drenador a partir del codo, lo que

representa no es totalmente independiente de VDS en dicha región, existirá una característica

de transferencia para cada valor particular de VDS.

Generalmente,en los catálogos de información técnica de los FET se ofrece una sola curva

para un valor determinado de VDS

1.6-Transconductancia o conductancia mutua

Un parámetro también importante del JFET es la llamada transconductancia o conductancia

mutua (gm), 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 gm, es un

medida del cambio en la corriente de drenaje para un cambio en la tensión compuerta-fuente,

Es usual encontrar el parámetro gm 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 gm

no es constante (ver figura 6), siendo en este caso gm1 > gm2 .

gm = (did / dVgs) VDS = cte. ≅ (∆ID /∆VGS)VDS = cte.

recordando que ID = IDSS . [1 - (VGS / V(P)GS)]2 , entonces:

gm = dIDS / dVGS = -2 . (IDSS / V(P)GS ) . [1 - (VGS / V(P)GS)]2



8

Se define: gm0 = -2 . (IDSS / V(P)GS ), transconductancia para VGS = 0 , luego:

gm = gm0 . [1 - (VGS / V(P)GS)]

Como IDSS y V(P)GS son de signo opuesto, gm0 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 µS.

1.7-Dependencia del JFET con la temperatura

El JFET se ve afectado de la siguiente forma por la temperatura:

ID = f (1/T) ⇒ si la Temperatura aumenta, la ID disminuye

La ID 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; gm tiene la misma

variación con la temperatura, esto es, si T aumenta implica que gm 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

VDD y VGG 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.



9

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 RG vale cero, luego:

VS = ID . RS

VGS = VG- VS = 0 - VS = - VS = -ID . Rs

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 ID

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 RS , así en la figura 8 b), tenemos

que: RS1 < RS2 < RS3 , cada valor de RS 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 VGS correspondiente a la ID requerida por las condiciones de

diseño. Posteriormente se busca RS de la forma:

RS = - VGS / ID

Cuando se trata de situar el punto estático en las proximidades del punto medio de la curva, es

válida la ecuación:

RS = - V(P)GS / IDSS

Polarización por divisor de tensión



10

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:

VGS = VG - VS = VR2 - VRS

o también

VGS = [VDD / (R1 + R2)] . R2 - ID . RS

lo que ofrece una recta de polarización como la de la figura 10, pudiéndose trazar mediante la

determinación de los puntos:

• A de coordenadas (VGS = VR2 ; ID = 0)

• B de coordenadas (VGS = 0 ; ID = VR2 / RS).

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.



11

• Impedancia de entrada

Debido a que la entrada de señal al JFET es aplicada a una unión inversamente polarizada,su

impedancia de entrada (ZIT) es muy elevada, y la de entrada al circuito será:

ZI = R1 // R2 // ZIT

y como generalmente,

R1 // R2 << ZIT

se toma:

ZI = R1 // R2

Ello obliga a que tanto R1 como R2 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 R1 y P, sin embargo, la impedancia de entrada queda modificada de la siguiente forma:

ZI = (R1 // P) + R2

donde R2 puede tomar valores de algunos MΩ, con lo que la impedancia queda elevada de

forma considerable y se puede hacer casi independiente de R1 y P.

• Impedancia de salida

Esta característica viene dada por:

Zo = RD // ZoT

como la impedancia de salida del propio JFET (ZoT), cuando éste trabaja en la región activa, es

elevada, usualmente mayor de 100 K, se suele tomar:

Zo = RD



12

• Ganancia de tensión

La tensión de salida vendrá determinada por:

vo = - id . RD

ya que,

gm = id / vgs ≅ id / vi

entonces,

id = gm . vi

luego:

vo = - gm . vi . RD

la ganancia será:

Av = vo / vi = - gm . vi . RD / vi = - gm . RD

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 vi es del orden de algún voltio, mientras que ld es de

mA y, por tanto, vo representa solamente algunos voltios. A la misma conclusión se llega

analizando las unidades de gm y RD.

• 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 180o con

respecto a vi . Un aumento de vi provoca una mayor corriente de drenador y por lo tanto una

menor tensión drenador-surtidor, ocurriendo lo contrario para disminuciones de vi.

• 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.



13

2- Desplazamiento del punto Q, ofreciendo vo 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.

1.10-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.

1.11-Parámetros característicos del JFET

Los fabricantes, suelen ofrecer las siguientes especificaciones y características de un JFET en

su hoja de datos:

1. Idmáx : Máxima corriente permitida de drenador.

2. IGmáx : Máxima corriente permitida de compuerta.

3. VDSmáx : Máxima tensión permitida drenador-surtidor.

4. VGSOmáx : Máxima tensión permitida compuerta-surtidor con drenador abierto.

5. VDGOmáx : Máxima tensión permitida drenador-puerta con surtidor abierto.

6. IDSS : Corriente de drenador con la G en c.c. con el S y para una VDS determinada.

7. V(P)GS : Tensión de estrangulamiento G y S para una VDS y ID dadas con el canal cortado.

8. Ptot :Potencia total máxima disipable a una temperatura dada.

9. gm o yfs : transconductancia o transadmitancia.

1.12-Aplicaciones

Se los utiliza en las siguientes aplicaciones:



14

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.



15

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 1014 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.



16

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 VDS entre el drenador y el surtidor, se originará la circulación de una

corriente ID entre ambos terminales.

Si se aplica una tensión negativa VGS entre la puerta y el surtidor , se produce la salida de los

electrones de la región del canal “empobreciéndolo”. Cuando VGS alcanza el valor VP , el canal

se estrangula, provocando que cese la circulación de la corriente ID.

Por el contrario si la VGS aplicada fuese positiva, los valores positivos de esta tensión

aumentarían el tamaño del canal, dando por resultado un aumento de la corriente ID.

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 VGS., sin embargo la característica de transferencia continúa para valores

positivos de la tensión VGS.

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 VGS 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 VP y a la característica corriente de drenador-

tensión 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 VT.

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.



17

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 (VGS) ,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 VGS.

Una VGS 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 ,VT , han sido atraídos a esta región los electrones

suficientes para que se comporte como canal N conductor.

No habrá una corriente apreciable ID hasta que VGS exceda el valor VT.

Para el MOSFET de enriquecimiento, no existe un valor de IDSS 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.



18

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 T2 es el PMOSFET y T1

es el NMOSFET. Los dos drenajes están conectados entre sí por lo que la corriente fluye desde

la alimentación VSS hasta masa; la figura 20 c) muestra las conexiones del sustrato.

La operación del inversor es la siguiente: cuando V i < VT1 , el transistor T1 está en corte y, como

usualmente ocurre, VSG2 = VSS - Vi > VT2 , por lo que el transistor T2 conduce.

Estando T1 en corte, no fluye corriente en T2 aunque esté en el estado de conducción; así la

salida del inversor es Vo = VSS.

Cuando aumenta la tensión de entrada V i por encima de VT1 , T1 y T2 conducen y la tensión de

salida disminuye.

Finalmente, cuando V i aumenta lo suficiente para que T2 pase al estado de corte, es decir:

VSS - Vi < VT2 , entonces, como T1 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.



19

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 -



20



21



22



23



24



25



26



27



28



29

- INFORMACION TECNICA DE ALGUNOS JFETs Y MOSFETs -



30



31



32



33

-BIBLIOGRAFIA-

1. SEMICONDUCTORES AVANZADOS Y OP-AMP - J. P. García, A. Robles y C. Otero - Edit.

Mc Graw - Hill - 1992.

2. DISEÑO ELECTRONICO, CIRCUITOS Y SISTEMAS - Savan, Rover y Carpenter.- Edit.

Addison Wesley Iberoamericana - 1995.

3. CIRCUITOS ELECTRONICOS DISCRETOS E INTEGRADOS - D. Schiling, C. Belove, T.

Apelewicz y R. Saccardi.- Edit. Mc Graw - Hill - 1993.

A.H.J.B.

electronica i - frro.utn.edu.ar · pdf filetransistor, se ejerce (como veremos al ... la...

Documents