transistores de efecto de campo

TRANSISTORESDE EFECTO DE CAMPO

El transistor de efecto de campo I es un dispositivo serniconductor cuyofuncionamiento está basado en el control de la corriente mediante un campoeléctrico. Hay dos tipos de transistores de efecto de campo: el transistor deefecto de campo de unión (en abreviatura JFET, o sencillamente FET, delanagrama anglosajón junction field-effect transistor) y el transistor de efectode campo de puerta aislada (IGFET, del anagrama anglosajón insulated-gate-field-effect transistor), habitualmente denominado transistor metal-oxido-semi-conductor (MOST o MOSFET, del anagrama anglosajón correspondiente).

En este capítulo examinamos los principios físicos en que se basan estosdispositivos. así como las diferencias entre sus características. También damosalgunos circuitos representativos con transistores FET.

Los FET tienen varias ventajas frente a los transistores convencionales:.

1. Su funcionamiento depende únicamente del flujo de portadores mayo-ritarios, Es, por tanto, un dispositivo unipolar (un solo tipo de portadores). Eltubo de vacío es otro ejemplo de dispositivo unipolar. El transistor conven-cional es un dispositivo bipolar.

2. Es relativamente inmune a la radiación,

3. Tiene una resistencia de entrada alta, típicamente muchos megohmios.

4. Tiene menos ruido que un tubo o un transistor bipolar.

5. No presenta tensión umbral para corriente de drenador cero y. por.tanto, constituye un excelente muestreador de señales 2.

6. Es estable ténnicamente (Sec, 14-4).

.La principal' desventaja del FET es que su producto ganancia-anchura debanda es relativamente pequeño respecto al que puede obtenerse con el tran-sistor convencional.

TRANSISTORES DE EFECTO DE' CAMPO I 437

14-1 Transistor de efecto de campo de unión

En la figura 14-1 se muestra la estructura de uri transistor de efecto decampo de canal n. Se forman dos contactos. óhmicos en los extremos de unabarra semiconductora tipo n (si se utiliza silicio tipo p, el dispositivo se deno-mina FET de canal p). Si se conecta una fuente de tensión entre los extremos,circula una corriente a 10 largo de la barra. Esta corriente está constituida porlos portadores mayoritarios, electrones en este caso. Se ha hecho común lasiguiente notación.

Fuente, La fuente S es el terminal por el cual los portadores mayorita-rios entran a la barra. La corriente convencional que entra por S a la barrase designa Is.

Drenadnr, El drenador D es el terminal por el cual los portadores ma-yoritarios salen de la barra. La corriente convencional que entra por D a labarra se designa ID' La tensión drenador-fuente se denomina VDS' Y es posi-tiva si D es positivo respecto a S.

Puerta. A ambos lados de la barra tipo n, de la figura 14-1, se formanpor aleación, difusión o cualquier otro procedimiento de fabricación de unio-

Regiónde deplexión

DDrenador

Fig. 14-1. Estructura básica de: U!1 transistor de efef:to de campo decanal n. S. muestran las polaridades normales de las tensiones de ali-mentación .dren.dor.fuente y puerta.fuente. Para un FET de canll pdebedan cambiarse las tensiones.

, -._. ~~......... • \.IK'-IJIIO::' fL.fCTRONICOS

nes pon, regiones fuertemente impurificadas Con impurezas aceptadorps (p+).Estas. regiones de, !mpurezas se denominan puertas G. Entre puerta y fuentese aplica una tensión Ves, que polarice inversamente la unión pon. La corrienteconvencIOnal que entra por G a la barra se designa le.

Canal. La región tipo n de la figura 14-1 entre las dos regiones de puertaes el canal a través del cual circulan los portadores mayoritarios desde la fuen-te ,al drenador. '

¡li1,

Funcionamiento del FET. Es preciso recordar que a ambos lados de laregión de transición de una unión pon con polarización inversa existen regio-nes de carga de espacio (Sec, 6-9). Los portadores de corriente se han difun-dido a través de la unión. dejando iones positivos no neutralizados en el lado ne iones negativos en el lado p. Las líneas del campo eléctrico que aparece, queparten de los ion es positivos y terminan en los negativos, son precisamente la

. causa de la caída de tensión en la unión. Conforme aumenta la polarizacióninversa de la unión, aumenta el espesor de la región de cargas no neutraliza-das i~móviles. La conductividad de esta región es teóricamente cero; ya que

'no existen portadores de corriente. Por tanto, la anchura efectiva del 'canal(Fig. 14-1) disminuirá progresivamente conforme aumenta la polarización in-

've,rsa. En consecuencia, para una tensión drenador-fuente fija, la corriente de' drenador dependerá de la tensión inversa aplicada a la puerta. Para describireste dispositivo se utiliza el término efecto de campo, porque el control de laCorriente es debido al efecto del aumento de campo asociado con la regiónde cargas no neutralizadas, conforme aumenta la polarización inversa.

.i , 1

Característicall' estálica8 del FET. En la figura 14-2 se indican el cir-cuito, los símbolos y las convenciones de polaridad, de un FET. El sentido dela flecha en la puerta del FET de unión de la figura 14-2 indica el sentido enel que circulada la corriente de puerta si se polarizase directamente dichaunión. Las caracterí~ticas de drenador en la conexión de fuente común, ques~ muestran en la figura 14-3 para un FET típico de canal n, dan ID en fun-ción de V,os, co~ Ves como parámetro. Para ver cualitativamente por qué lascaracterísticas tienen la forma mostrada, consideremos. por ejemplo, el caso

D r enad or D <r----.r.---,In t Fig. 14-2. 51mbolo de circuill) de un

FET de canll n. (Pan un FET de CI-nll p la. flecha en l. unión d. puerta,Ipuntl en sentido opuesto.) Par. unFET d. clnll n, lo y VDS' son poslti-"ts y Ves •• negatIva.' P.rl un FETd. ,clnll p, ID Y VDS son n~ltivu yVes es positiva. '

tI.Fuenre s

, TRANSISTORES' DE EfECTO DE CAMPO I 4S9

.~(:;

"C

'"c:(1)•..

"C

(1)"C

+0.5 I~~

IVes =Ov '----

f- V 0,5

fú.V -1,0¡......-1---

'? 1,5

-i,o

~

.....- - 2,d-3,0

~ -3.5;;" 40

12

10

-<E 8

6

4

sc:C1)';:...oU

2

O 5 10 15 20 25

Tensión drenador-fuenre Vns,:V

Fig. 14-3. Características de drenador de un FET de ea-nal n en fuente común. (Gentileza de Texas Instr'uments,Ine.)

30

para el cual Ves =O. Si ID = O, el canal entre las uniones de puerta está com-pletamente abierto. Si se aplica una tensión VDS pequeña, la barra tipo n secomporta como una resistencia semiconductora normal, y la corriente ID cre-ce !inealmente con VDS' Conforme la corriente aumenta, 'la caída óhmica detensión entre la fuente y el canal polariza inversamente la unión, y ia parteconductora del canal comienza a estrecharse. Como la caída óhmica es a lolargo del mismo canal, el estrechamiento no es uniforme, sino que es másgrande conforme la distancia a la fuente es mayor, como se indica en la figu-ra 14-1. Por fin, se llega a una tensión VDS para la cual el canal se contraetotalmente. Esta es la tensión (definida con poca nitidez en la figura 14-3)a partir de la cual la corriente ID empieza a aproximarse a un valor constante.En principio, naturalmente, no es posible que el canal se cierre completamente,reduciéndose la corriente ID a cero. Porque si esto ocurriese, la caída óhmicanecesaria para polarizar en inverso desaparecería >. Obsérvese que cada curvacaracterística presenta una región óhrnica para valores pequeños de Vos, enla cual loes proporcional a Vos. También aparece en cada una de ellas unaregión de corriente constante (saturación) para valores grandes de VDS, en lacual lo apenas depende de VOS,

• N. del T. Existen otras teorías que explican de modo diferente los fenómenos queocurren en este dispositivo. Hoy en día (1970), el FET sigue .siendo objeto de investt-gación.

440 I DISPOSITIVOS Y CIRCUITOS ELECTRONICOS

. Si se aplica, una te~sión de puerta Ves de tal sentido que polarice máslnvers~mente aun la unión, la contracción ocurrirá para valores de IVI máspequen?s, y la corriente de drenador máxima será inferior. Esto se ~bservaen la :Igu.ra 14~J. También se ve en dicha figura la característica Ves= +0,5 V(polarización directa) del FET de silicio. Según la tabla 9-2, la corriente depuerta será real~ente muy pequeña, porque eSJa tensión de puerta es delorden de la tensión umbral V,. para la unión de silicio. Es evidente la simili-tud entre l~ características del FET y las de un pentodo de vacío.

La tensión máxi.ma que puede aplicarse entre dos terminales cualesquieradel FET es la tensión más pequeña para la cual aparece la ruptura por ava-lancha (Sec. 6-12) de la unión de puerta. Se ve en la figura 14-Jque la avalan-cha ocurre a un valor más bajo de IVDsl cuando se polariza inversa mente lapuerta que cuando Ves =0. Esto es lógico, ya que la tensión inversa de puertase suma .a la tensión de drenador, aumentando, por tanto, la tensión efectivaen la unión de puerta.

Según la figura 14-2, el FE::- de canal n requiere una polarización de puer-t~ ~ula o negativa y una tensión de drenador positiva, y es en consecuenciasimilar a la de un tubo de vacío. El FET de canal p, que requiere polaridadesop~e.stas .de las tensiones, se comporta como un tubo de vacío cuyo cátodoemitiese ~~nes positivos en lugar de electrones. Cualquier extremo del canalpuede ~hhzarse como fuente. Se pueden recordar las polaridades de las ali-men~aclOnes utilizando el tipo de canal, pon, para designar la polaridad delterminal de fuente de la alimentación de drenador. El transistor de efecto decampo fue un ~ispositi~~ de laboratorio desde 1952 a 1962. La razón por lacual no se fabricó y utilizó a gran escala este dispositivo, fue que sólo recien-tement~ ha alcanzado ~a tecnología de semiconductores el grado de desarrollonecesano para construir una capa delgada ligeramente impurificada entre doscapas de tipo opuesto impurificadas más fuertemente.

. E8ln1ctura ~ráctiea d~~ FET. La estructura mostrada en la figura 14-1no es real, debido a la dificultad que tiene el difundir impurezas en amboslados de una oblea de semiconductor. La figura 14-4 muestra un FET de uniónen el que la difusión se ha hecho por un solo lado. El substrato es de un

CanalFlg. 1...... FET de unl6n prjctlco.

pCSUbstrato)

material típo-p, sobre el cual se ha crecido epitaxialmente el canal tipo-a (sec-ción 15-2). Después se difunde en el canal tipo-n la puerta tipo-p. El substrato,que puede funcionar como una segunda puerta es de un material de resistívi-dad relativamente baja. También la puerta difundida es de un material deresistividad muy baja, por lo que la región de transición penetra más eficaz-mente en el canal tipo-n.

14-2 Tensi6n de contracci6n V,.

Utilizando el modelo físico descrito en la, sección anterior, vamos a calcu-lar una expresión de la tensión inversa de puerta V,. que elimina toda la cargalibre del canal. Este análisis fue realizado por primera vez por Shockley 1, uti-lizando la estructura de la figura 14-1. En este dispositivo, UJ1a capa de semi-conductor tipo-a está entre medias de otras dos típo-p, formando dos unio-nes p-n.

Supongamos que la región tipo-p se impurifica con NA átomos aceptadorespor metro cúbico, la región tipo-n se impurifica con ND átomos oonadcrespor metro cúbico, y que la unión formada es abrupta. La suposición de uniónabrupta es la misma que hicimos en la sección 6-9 (Fig. 6-12), Y se elige porsencillez. Más aún, si NA»NDr vemos de la' ecuación (6-44) que W,«W", yutilizando la ecuación (6-47), resulta que la anchura de la zona de carga deespacio, W,,(x)= W(x) a una distancia' x de la fuente (Fig. 14-1), es igual a:

. . { :u }lW(x)=a-b(x)= - [Vo- V(x)] .

eND

(14-1)

siendoE= constante dieléctrica del material del canal;e=magnitud de la carga del electrón;

Vo=potencial de contacto de la unión en x (Fig. 6-1 d);V(x)=potencial aplicado a la región de carga de espacio en x; es un nú-

mero negativo para polarización inversa;a-b(x)=penetración W(x) de la región de transición en el canal, a una dis-

tancia x de la fuente (Fig. 1,4-1).

Si la corriente de drenador es cero, b(x) y Vez) son indepeadientes de %

y b{x)=o. Si en la ecuación (14-1) hacemos b(z)=b=O y despejamos V, su-poniendo que ¡Vol« ¡VI, obtenemos la tensión de contracciÓD V" es decir,

_ la tensión i~versa que elimina toda la carga libre del canal,

¡V,I = ~ND fi-:u(14-2)

" • 1'''

«2 / DISPOSITIVOS Y CIRCUITOS ELECTRONICOS

Si sustituimos Ves por V, y a - b por x en la ecuación (6-46), resulta, utilizan-. do la ecuación (14-2),

(14-3 )

La tensión Ves en la ecuacion (14-3) representa la polarización inversa dela unión de puerta, y es independiente de la distancia a lo largo del canalsi ID=O.

Ejemplo, Para un FET de silicio de canal n, con Q= 3 x 10-4 cm y ND= l()ls elec-trones/cm ', calcular: a) la tensión de contracción y b) la semianchura del canal paraVcs=Vp/2 e ID=O.

So·LUCIÓN. a) Según la tabla 5-1, la constante dieléctrica relativa del silicio es 12,y, por tanto, E = 12Eo' Utilizando el valor de e y Ea de los apéndices A y B, resulta, dela ecuación (14-2), expresada en unidades mks,

1,60X 10-19 x 1021 X (3 X 10-6)2Vp= . 6,8 V

2 x 12 x (36rr x lCP)-1

bJ Despejando b de la ecuación (14-3), y sustituyendo Ves -= Vp/2, se obtiene

b •• a[ 1- (~: rJ=(3XIO ..41[1- (~ rJ =0.87xl0-~ cm

Por tanto, la anchura del canal se ha reducido a aproximadamente un tercio de suvalor para. Ves -= O.

14-3 Características tensión-corriente del FET

Supongamos, primeramente, que se aplica una tensión pequeña VDS entredrenador y fuente. La corriente de drenador resultante ID será pequeña yapenas afectará al perfil del canal. En este supuesto, podemos considerar quela sección transversal efectiva del canal A es constante a lo largo de todo él.Por tanto. A ,-' 2bU'. donde 2b es la anchura del canal correspondiente a co-rriente de drenador nula, y está dada por la ecuación (14-3) para una ciertatensión VC\, Y U' es la dimensión del canal perpendicular a la dirección b, comoSe indica en la figura 14-1.

Puesto que no circula corriente por la región de transición, utilizando laley de Ohm [Ec. (5-1)], obtenemos la corriente de drenador

. VD~ID =:.AeNDiL"S '" 2bweNDiLu _.~-. L (14-4)

donde L es la longitud del canal.

TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO / 443

Sustituyendo b de la ecuación (\4-3) en la (14-4), resulta

2aU'eN viL" [ (VI;.~ )' i]l/)~· _ .•.. __ ._-- 1- o VDSL Vp

( 14-5)

Resistencia rJON). La ecuación (14-5) describe las características tensión-corrien te de la figura 14-3 para V D.S muy pequeñas, y manifiesta cómo en estecaso el FET SI! comporta como una resistencia óhmica, cuyo valor dependede Vcs. La relación Vvs/ lo en el origen se denomina resistencia de drenadorrJON). Según la ecuación (14-5), para un FET, con Vc;s=O,

LrJoN)·, --_. __ ..-

2aU'eNlJiLu(\4-6)

Para los valores dados en el ejemplo y con L/w= 1," resulta rJON) = 3,3 K.Para las dimensiones y concentraciones utilizadas en los FET y MOSFET(Sec. 14-5) comerciales, los valores medidos de rJON) oscilan entre unos 100 ny 100 K. Este parárnetro es importante cuando el FET sé utiliza en conmuta-ción, ya que se excita fuertemente por la señal. El transistor bipolar tiene laventaja sobre el FET de que Res es habitualmente de sólo unos pocos ohmios.que es mucho más pequeña que rJON). Sin embargo, para aplicaciones demuestreo 2. el transistor bipolar tiene la desventaja de que presenta una ten-sión umbral (Sec, 9-14). mientras que las características del FET pasan por elorigen, Iv'~-O Y VDS=O.

Región dI' contracción. Consideremos ahora la situación en la que apa-rece un campo eléctrico e; a lo largo del eje x, Si circula una corriente dedrenador ID apreciable. el extremo de la puerta próximo al drenador estará po-:larizado más inversamente que el extremo próximo a la fuente y. por' tanto. 10scontornos de las regiones de transición no son paralelos él la región centraldel canal,' sino que convergen como se muestra en la figura 14-1. Si la con-vergencia de la región de transición es gradual. es válido I el análisis unidi-rnensional anterior en una' región estrecha del canal de espesor 6x y a unadistancia x de la fuente. Supuesto el canal "gradual", por inspección de lafigura 14-1 puede escribirse que la corriente 'es igual a

lD= 2b(x)weN"JLr,S .r (14-7)

f.,

Conforme V D.~ aumenta, S. e ID aumentan, mientras que b(x) disminuye,ya que se estrecha el canal, y, por tanto, la densidad de corriente / = 1D/2b(x)waumenta. Ahora vemos que no puede tener lugar una contracción completa(b = O), porque en este supuesto J sena infinita, lo cual es físicamente impo:sible. S~ J pudiese aumentar sin límite, según la ecuación (14-7), también loharía Sz' suponiendo que iLn permanece constante. Sin embargo, se ha demos-~~.

444 / DISPOSITIVOS Y CIRCUITOS ELECTRONICOS

Flg. 14-5. Des.,.,.. de la con-tracción, conforme VDS aumen-ti, L' aumenta, pero o e ID per-manecen prácticamente constan-tes. (GI y G2 est'" coM<1adosentre 11.)

s

trado experimentalmente l.., que la movilidad depende del campo eléctrico yque permanece constante solamente si S .•<}(}l V/cm para el silicio tipo-u.Para campos moderados, de 1<P a 1()4 V/cm, la movilidad es, de forma apro-ximada, inversamente proporcional a la raíz cuadrada del campo aplicado.Para campos aún mayores, tales como los que aparecen en la contracción, fL"

_ es inversa mente proporcional a S x- En esta región, la velocidad de arrastre de'. los electrones (V.•=fL"S .•) permanece constante, dejándose de cumplir la ley

,:: de Ohm. Se ve en la ecuación (14-7) que tanto ID como b permanecen cons-'. :" tantes, lo que explica la región de corriente constante de la característica Vol

·,de la figura 14-3.¿Qué sucede 4 si se aumenta más aún VDS' manteniendo constante Ves?

, Como hemos dicho, la anchura mínima del canal bm1n = li tiene un valor pe-queño constante, pero distinto de cero. Este ancho mínimo se presenta en elextremo de la barra próximo al drenador. Si VDS aumenta, el incremento depotencial causa un aumento de S.• en una sección adyacente del canal hacia lafuente. Según la figura 14-5, la región limitada por velocidad, L', aumentacon VDS" permaneciendo' /) constante.

Región antes de la eeutraeeién, Hemos demostrado que el FET se com-porta como una resistencia óhmica para VDS pequeñas y como un dispositivode corriente constante para VDS grandes. El análisis de la forma de las carac-terísticas tensión-corriente entre estos dos casos extremos es muy compli-cado. Ya hemos dicho que en esta región la movilidad es al principio indepen-diente del campo eléctrico, y que fL varía con S s: -1/2 para valores superioresde S.• (antes de la contracción). Teniendo en cuenta esta relación. se pue-de 3-, obtener una expresión de ID en función de VDS Y Ves que concuerda ,bastante bien con las curvas determinadas experimentalmente.

, .Característica de transferencia. Como amplificador, casi siempre se uti-

liza el FET en la región más allá de la contracción (también denominada re-

If .

l'..."

TRANSISTORES DE EfECTO DE CAMPO / 445 I ij¡:'"

gián de corriente constante o de saturación). La corriente de saturación: de 'drenador se designa por IDs, Y su valor con la puerta en cortocircuito con l~' 1..

,'i11"IilO

i¡"!\

fuente (Ves =0) por loss- Se puede demostrar 6 que la característica deferenéia, que relaciona IDs con V cs, puede aproximarse por la parábola

(Ves )2

IDs=IDss 1---VI'

trans-

04-8)

Esta aproximación parabélica sencilla concuerda bastante bien con las de-terminadas experimentalmente para los FET fabricados por difusión.

Corte. Consideremos un FET trabajando con un valor fijo de VDS en laregión de saturación, Conforme aumenta Ves, la unión de puerta se polarizamás inversamente, y el canal conductor se estrecha. Cuando Ves = V p. la,anchura del canal se reduce a cero, y según la ecuación (14-8), IDs= O. En undispositivo real circulará una pequeña corriente de fugas ID(OFF) incluso en laregión de corte IV esl > IV pl. Los fabricantes especifican habitualmente un va-lor máximo de IO<OFF) para un valor dado de Ves y VDS' Para un FET de sili-cio, los valores típicos de ID(OFF) son de unos pocos nanoamperios.

La corriente inversa de puerta, también denominada corriente de corte depuerta, se designa por lcss, y es la corriente que circula de puerta a fuente,con el drenador en cortocircuito con la fuente, para IV esl > IV ,.1. Típicamen-te, lcss es del orden de unos pocos nanoamperios para un dispositivo desilicio.

14-4 Modelo de pequeña señal del FET

El circuito equivalente lineal de pequeña señal del FET, puede obtenerse·de forma análoga a la que utilizamos para calcular el correspondiente modelode un tubo de vado o de un transistor. Empleamos la misma notación queen las secciones 7-9 y 9-13 para denominar las corrientes y tensiones variablesy continuas para los tubos y transistores, respectivamente. Podemos expresarimplícitamente la corriente de drenador iD como una función f de la tensiónde puerta Ves Y de la de drenador VDS,

(14-9)

'I'ranseenduetaneíe g", y resistencia de drenador rd. Procedamos comoen la sección 8-4. Si varfan las tensiones de puerta' y drenador, la variación dela corriente de drenador está dada aproximadamente por los dos primeros tér-minos del desarrollo en serie de Taylor de la ecuación (14-9), es decir,

(14-10)

~ I DIS1'OSmVm·Y-aRC1.IITOS.~RQNICOS

egún la notación de.ipequeña .señal idevla ·.Secci6n.,.s·l, ..li~/, Av~vp yIVfl.~=V4s' convirtiéodCl'Se .la- ecu&(:ión··~1+10) en

londe

(1+ll)

(14-12)

s la conductancia mutua, o transconductancia. A ;veces' también se designaor Y" O. g'l> Y se denomina transadmitancia directa (fuente común). El segun-:0 parárnetro, Td, de la ecuación (14-11) es la resistencia de drenador te dealida), y se deíine como

.a inversa de rá es la .conductancia de drenador, &l. También se designa por

'01 Y &n, Y se denomina conductanciade salida (fuente común);Los parámetros gm y T4 son totalmente análogos a los parárnetros gm y r,

lel' tubo de vacío. -Igual que para" lositubos, puede definírse para el FETun'actor de' amplificación p; como

~DO

+

s

(a) (b ).

(14-14)

:ig. 14-6. Circuitos de prueba para medlr.:(aJ gm y' (b) Td, Las tensiones eficaces VI

r V, se mIden con un yo!timlltro de e, •. d. alt. impedancia.

I TRANSIST9RES'DE -EfeCTO DE. CAMPO.. / 447

Procediendo come en la. sección 8-4, puede comprobarse que jL, Td Y gmestán relacionadas por

(14-15)

En la figura 14·6 a se da un circuito para m -dir g",. Según la ecuación (14-12)(si,IV21«VDD, y, por tanto, \/vs=const.), . . .

IJ Vv'Rd Vzg",='-=---=----

VI VI' VIR4(14-16)

De forma análoga, el circuito .de la figura 14-6 b permite medir rd. De la ecua-ción (l4-13), .

V2 Vz. V2RdTd=-=--=-- (14-17)

Id VI/Rd 'VI

Se obtiene una eXp¡~5JOn de gm aplicando la definición dada en la ecua-ción (14-12) a la ecuación (14-8). El resultado es

gm=gmo(1- ~:s)siendo gmo el valor de [:.m para Ves=O,'dado por

(14-18)

-2IDSS

g1tU)= VI" (14-19)

~.u~sto qu~ IDss Y Vr son designo opuestO;,g;"6 es siempre positiva. Esta rela-ión, que l~ga .gmo,IDss.y ~P' se ha~omprobado experimentalmente 7. Como gm,.

puede medirse con el Circuito de la flgura;14JG'll·para V cc=O, e IDss puede leerse

J.::€2lí

~;;.'';'. 200o~=: ·150

~ ,

0,100';,':',.':•...~.,:.

'O . 50§ ','o ..~ ,.!,'

e. .cf-<' o ' 1.0 2,0 3,0 4.0

Tensión de puerta Ves, V5,0

(~ig.)~7.,; "T:r:a!lscond!Jctancia s« .en .fun-~I.ón: de la tensión de puert~ pa~a·.lo~-FETs tipo' 2N327i y 2N3278. (Gentilezade· Falrchlld Semleenduetcr Company.)

oVos ;;-IOV..

" t=1 kHz..•.•.•.•..••. ......•

"<;\1:I

..•.•.•....•.. ~~8

,.., ,

."( '<;.. ,. .., ,

~ú' r-,.~ .."'-

'.1\: -. ". .

448 / DISPOSITIVOS Y CIRCUITOS ElECTRONICOS

1.6

V/V

Vl/

VV

./

1\ -,r-,1'.r-,['..r-,r-.....

1.6

U.10 \,4C'tCU•..O 1.2¡:;:>-¡:;cu 1.0

·Ecu'E 0.8•IOQ

u.10C't

cu•..O¡:;:>-

1.4

1.2

;:;cu 1.0,~~ü•.. 0.8

~

0.6-w O 50 100 150

Temperatura ambiente T., 'C

0.6-w O W 100 150

Temperatura ambiente TA' 'C

(a) (b)

Flg. 14-8. (a) Transconductancla normalizada g", en función de la temperatura am-biente T

Ay (b ) rftlltencia de drenador normalizada rd en función de TA (para los

FETI 2N12n y 2N3278 con VDS= -10 V, VGs=O V y f= 1 kHz). (Cortesra de Fair-

chlld Semlconductor.) .

en un miliamperímetro de corriente continua colocado en el terminal de dre-nadar del mismo circuito (con excitación de puerta nula), la ecuación (14-19)da un método para calcular V,..

En la figura 14-7 se indica la variación de g", con Ves para el FET 2N3277(con V,.~ 4,5 V) Y el 2N3278 (con V,.~ 7 V). Se ve que la relación linealpredicha por la ecuación (14-18) es válida sólo aproximadamente.

Dependencia con la temperatura. En las figuras 14-8 a y b se dan cur-vas de g", y r" en función de. la temperatura. La corriente de drenador IDstiene la misma variación con la temperatura que g".. La razón principal por lacual el coeficiente de temperatura de IDs es negativo, es que la movilidad dis-minuye con la temperatura " Puesto que esta corriente de portadores mayo-ritarios disminuye con la temperatura (para el transistor bipolar la corrientede portadores minoritarios aumenta con ella), el fenómeno del escape térmico(Sec. 10-10) no se presentará en los transistores de efecto de campo.

Modelo del FET. Obsérvese que la ecuación (14-11) es idéntica a la (8-13)del triodo, supuesto que k (cátodo) se sustituye por s (fuente), p (placa) pord (drenador), y g se identifica con puerta (en lugar de rejilla). Por tanto, elcircuito equivalente del tubo para: señales pequeñas de la figura 8-8 es válidopara el FET. Este modelo se repite en la figura 14-9, con el cambio de nota-ción adecuado. También hemos incluido en esta figura las capacidades exis-tentes entre. cada par de nudos (se asemeja al modelo en alta frecuencia del


Fig. 14-9. Modelo del FETpara señales pequeñas.

t-.-,--..---+-o Drenador D

Fuente So- ~--~-- •....--4--o S

triodo de la figura 8-19). El condensador e,s representa la capacidad de barre-ra entre puerta y fuente. y e~dentre puerta y drenador. El elemento C, repre-senta la capacidad drenador-fuente del canal. s

En la tabla 14-1 damos los órdenes de magnitud de los parárnetros delmod~lo ~ara un FET de unión difundida. Puesto que la unión de puerta sepolariza mversam~nte, las resistencias r,St puerta-fuente, y rgd, puerta-drenador,son muy grandes, y, por tanto, no las hemos incluido en el modelo de la figu-ra 14-9.

TABLA 14-1 Margen de valores de 1011parámelroll del FET

Parámetro JFET MOSFET •

0,1-20 mA/V O más¡-50 K0,1-1 pF1-10 pF> 1010 n> 1014 n

0,1-10 mA/VO.I-} M0,1-1 pF1-10 pF> lOS n> lOS n

gmrde;

CgS' C~drgsr,d

• Discurido en la sección 14·5.

14-5 FET de puerta aislada (MOST o MOSFET)

~n las secciones anteriores hemos calculado las características tensión-comente y l.~s pr?piedades para pequeña señal del transistor de efecto decampo de urnon. FIJemos ahora nuestra atención sobre el FET de puerta aisla-~a, o FE! metal-óxido-semiconductor 9, que promete ser incluso de mayorImportancia comercial que el FET de jmión,. El MOST de canal n consiste en un substrato tipo-p Iigerament~ impuri-

ficado en el cual se ~ifunden dos regiones n+, fuertemente impurificadas,como se muestra en la figura 14-10. Estas regiones n+, que actúan como fuentey .drenador, est.án distanciadas aproximadamente unas 25,4 micras. Se crece~bre la s.uperflcie de la estructura una capa delgada de di6xido de silicioaislante (SI02). y forman ventanas ,en la capa del óxido para realizar los con-tactos co,:, la fuente y el drenador: A continuación se deposita sobre el Óxido

\'--..


un? capa metálica para formar la puerta, que cubre la región entera del canal.Simultáneamente, como se muestra en la figura 14-10, se hacen los contactosmetálicos de drenador y fuente. El contacto con el metal depositado sobre elcanal es el terminal de puerta.

La superficie metálica de la puerta, junto con la capa de óxido aislantecomo dieléctrico y el canal semiconductor, forman un condensador de placasparalelas. La capa aislante de dióxido de silicio es la razón por la que estedispositivo se denomina transistor de efecto de campo de puerta aislada. Estacapa proporciona una resistencia de entrada extraordinariamente alta (1010 a1015 !1).

l\10ST de acumulación. Si se pone a tierra el substrato de la estructurade la figura 14-10, y se aplica una tensión positiva a la puerta, aparecerá uncampo eléctrico perpendicular al canal a través del óxido. Como se muestraen la figura 14-\0, este campo terminará sobre las cargas negativas "inducidas"en la superficie del semiconductor. La carga negativa de los electrones, queson portadores minoritarios en el substrato tipo-p. forma una "capa inverti-da". Conforme aumenta la tensión positiva de la puerta, aumenta la carganegativa inducida en el semiconductor. La región por debajo del óxido tieneahora portadores tipo-a, la conductividad aumenta. y circula una corrientedesde la fuente al drenador a través del canal inducido. Entonces. la corrientede drenador aumenta con la tensión positiva de puerta. y a este dispositivose le denomina MOST de acumulación.

En la figura 14-11 a se dan las características de drenador tensión-corrientede un MOST de acumulación de canal n, y en la figura 14-11 b, su curva detransferencia. La corriente 1oss para Ves ~ O es muy pequeña. del orden deunos pocos nanoamperios. Para Ves positiva, la corriente /v aumenta lenta-mente al principio, y mucho más rápidamente para valores mayores de Ves.Los fabricantes especifican algunas veces la tensión umbral puerta-fuente VesT,a la que l» alcanza un valor pequeño determinado, por ejemplo, 10 p.A. Tam-bién suelen aparecer en las hojas técnicas de datos la corriente Iv(ON). quecorresponde aproximadamente al valor máximo dado en las características dedrenador, y el valor de Ves necesario para obtener esta corriente.

Fuente Puerta( +) Drenador

Fig. 14-10. MOST de acumulacl6n.(Gentileza de Motorola SemiconductorProducts, Inc.)Canal

inducido

p(substrato)

..':'1,.t.:


ID. mA 10,mA

3 4 Ves. V

---~----i/¡

II

6 Ves= +4VID (on) = 6

43

2

loss 1

2__----3

21

-2 -1 OVos. V5 10 15

(a) (b)

FIg. 14-11. (a) Caracterlsticas de drenador y (b) curva de transferencia (paraVvs= 10 V) de un MOST de acumulación de canal n.

MOST de deplexión. Se puede fabricar un segundo tipo de MOST, di-fundiendo un canal n entre la fuente y el drenador, como se muestra en lafigura 14-12 a. En este dispositivo circula una corriente de drenador loss apre-ciable. para una tensión puerta-fuente nula, Ves = O. Si la tensión de puertaes negativa. se inducen en el canal cargas positivas a través del Si02 del con-densador de puerta. Puesto que la corriente en un FET se debe a los portado-res mayoritarios (electrones para un material tipo-u), las cargas positivas in-ducidas hacen menos conductivo el canal, y la corriente de drenador dismi-nuye cuanto más negativa es Vc;s. La redistribución de carga en el canal pro-duce una deplexión efectiva de portadores mayoritarios, de donde procede elnombre de MOST de deplexián. Obsérvese en la figura 14-12 b que, debidoa la caída de tensión producida por la corriente de drenador, la región delcanal más próxima al drenador está más despoblada que en las proximidadesde la fuente. Este fenómeno es análogo al de contracción que ocurre en un

Canaldifundido

Aluminio Fuente Puertat -} SIO,O Drenador

p (substrato)p (substrato)

(a) .\

(b)

Fig. 14-12. (a) MOST de deplexión. (b) Deplexi6n del canal cuando se aplicatensión de' puerta negativa. (Gentileza de Motorola S smleendvcter Products, Inc.)

una


FET de unión en el extremo de drenador del canal (Fig. 14-1). De hecho, lascaracterísticas tensión-corriente del MOST de deplexión son similares a lasdel FET de unión.

Un MOST de deplexión puede trabajar también en el modo de acumula-ción. Basta aplicar una tensión de puerta positiva para que se induzcan cargasnegativas en el canal tipo-no En este caso, la conductividad del canal aumentay la corriente es superior a loss- En la figura 14-13 a se indican las caracterís-ticas tensión-corriente de este dispositivo, y en la figura 14-13 b, la curva detransferencia. Obsérvense las regiones de deplexíón y acumulación, correspon-dientes a VGS negativa y positiva, respectivamente. Algunas veces los fabri-cantes especifican la tensión de corte puerta-fuente V Gs(OFF), para la cual IDse reduce a un valor despreciable especificado, para la tensión VDS recomen-dada. Esta tensión de puerta corresponde a la de contracción Vp del FETde unión.

En principio, la discusión anterior también es aplicable al MOST de ca-nal p. Para este dispositivo deben cambiarse los signos de todas las corrientesy tensiones en las características V -l de las figuras 14-11 y 14-13.

Símbolos, Es posible sacar al exterior la conexión del substrato, tenien-do así un dispositivo con cuatro terminales. Sin embargo, la mayoría de losMOST son triados, conectándose internamente el substrato a la fuente. Enla figura 14-14 se dan los diferentes símbolos empleados por los fabricantes.Algunas veces se utiliza también el símbolo de la figura 14-2 del FET deunión para representar el MOST, sobreentendiéndose que G2 va conectadointeriormente a S.

Modelo de pequeña señal del MOST 10. Si las pequeñas resistencias delmaterial de fuente y drenador son despreciables, el circuito equivalente para

Deplexién - - AcumulaciónlQ(oo)- 6

5

•3

oo

V¡¡S-..-S'" ~..- Z Acumulación

___---+1O "\. Deplexión_>-,-2\ .

-3 ~ __~~~~-L __ ~ __ ~~ _ti lO 16 Vaa:V t -3 -2 -1 O 2 3 VCJ.V

Ves (OFF)(a) (b)

F!g. 14-13. (a) Caraderr.tlc •• de drenador y (b) curva de transferencia (paraVDS= 10 V) de un MOST de canal n que puede utlllurse en el modo de acumula-ción o de deplexlón. .


D D

SubstratoG. G,

(a) (b) (e)

Fig. 14-14. Tres slmbolos de circuito de un MOST de canal p.

señales pequeñas del MOST entre los terminales G (=G.), S y D es idéntico aldel FET de unión. representado en la figura 14-9. La transconductancia gm ylas capacidades interelectródicas son de valores comparables para los dos tiposde dispositivos. Sin embargo, como se muestra en la tabla 14-1, la resistenciade drenador rd del MOST es mucho más pequeña que la del FET de unión. Lamagnitud de rJ para un MOST es comparable con la resistencia de placa de untriodo, mientras que la de un FET tiene un valor parecido al de rp del pentodo,También se observa en la misma tabla que la resistencia de entrada r~., y lade realimentación rgd son mucho mayores en el MOST que en el FET.

Si no se conecta el terminal Gi del substrato a la fuente, debe generalizarseel modelo de la figura 14-9 como se indica a continuación: Entre los nudos Gzy S se coloca un diodo DI, para representar la unión pon entre el substrato yla fuente, De forma similar. se introduce un segundo diodo D2 entre G2 y D,para tener en cuenta la unión pon formada por el substrato y el drenador.

14-6 Amplificador con fuente común

Las tres configuraciones básicas del FET o del MOST son: fuente co-mún (Se), drenador común (De) y puerta común (GC). En la figura 14-15 semuestran las configuraciones para un FET de canal p. Si no se dice lo contra-rio, los circuitos discutidos en este capítulo se aplican a los FET y a los MOST.

D s

G

Entrada

Ds

SalidaEntrada

.. S s D G GD

(a) (b) (e)

Flg.14-15. Las trel conflguraclonel del FET: (a) se, (b) DC y .(c) GC.

transistores de efecto de campo

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