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Electrónica básica

Transistores FET, MOSFET e IGBT

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6. Transistores FET (Field Effect Transistor) ............................................. 3 6.1.

Introducción ........................................................................................................................................ 3

6.2.

Transistores tipo JFET ....................................................................................................................... 3

6.2.1. Polarización y funcionamiento de los JFET.................................................................................. 3 6.3. Amplificadores de baja señal con transistor de efecto de campo ................................................ 4 6.3.1. Características de entrada y de salida de los FET de unión ........................................................ 5 6.3.2. Esquema de polarización de los JFET. ........................................................................................ 6 6.3.3. Configuraciones básicas de amplificadores con JFET................................................................. 7 6.3.4. Análisis de amplificadores de baja señal con JFET ..................................................................... 7 6.3.5. Circuitos prácticos de amplificadores de baja señal con JFET .................................................... 8 6.4. Transistores MOSFET ...................................................................................................................... 10 6.4.1. Estructura básica y funcionamiento de los MOSFET ................................................................. 10 6.4.2. CARACTERISTICAS DE LOS MOSFET.................................................................................... 10 6.5. Transistores IGBT (Transistor Bipolar de Puerta Aislada)........................................................... 12 6.5.1. Estructura básica del IGBT. ......................................................................................................... 12 6.5.2. Funcionamiento físico del IGBT. .................................................................................................. 12 6.5.3. Características tensión-corriente del IGBT. ................................................................................. 12 6.6. Bibliografía ........................................................................................................................................ 14

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6. Transistores FET (Field Effect Transistor) 6.1. Introducción Los principios básicos de los FET fueron enunciados por el científico alemán Julius Edgar Lilienfeld en una patente del año 1926, pero en esa época no se logró fabricar el dispositivo como tal y que funcionara efectivamente. En 1952, William Shockley, uno de los inventores del transistor bipolar, desarrolló la teoría de los transistores de efecto de campo de unión y en 1955 se fabricó el primero de estos dispositivos en los laboratorios Bell; solo hasta los años 60 se fabricaron en serie. Los MOSFET se desarrollaron también en 1960 por los científicos Khan y Atatta de Hitachi en Japón. Uno de los aspectos más importantes de esta tecnología es haber permitido el gran desarrollo de los circuitos integrados ya que la mayoría de ellos se fabrican con transistores tipo MOS, debido al poco espacio que ocupan y al bajo consumo de corriente. En general, e independientemente de su tecnología de fabricación, los FET QFET y MOSFET) tienen tres terminales que reciben los nombres de fuente, drenador o sumidero y compuerta, derivados de los nombres originales en inglés source (S), drain (D) y gate (G). Por esto, los terminales se marcan en los diagramas como S, D y G. Los encapsulados más utilizados para los FET son los mismos que los de los transistores bipolares, por lo que estos se diferencian entre sí solamente por su referencia, la cual está marcada en su cuerpo.

6.2. Transistores tipo JFET En general, e independientemente de su tecnología de fabricación, los FET (JFET y MOSFET) tienen tres terminales que reciben los nombres de fuente, drenador o sumidero y compuerta, derivados de los nombres originales en inglés source (S), drain (D) y gate (G). Por esto, los terminales se marcan en los diagramas como S, D y G. Los encapsulados más utilizados para los FET son los mismos que los de los transistores bipolares, por lo que estos se diferencian entre sí solamente por su referencia, la cual está marcada en su cuerpo. Se fabrican con un material semiconductor de base N o P llamado sustrato dentro del cual se forma una región de material con polaridad opuesta en forma de U llamada canal, ligeramente dopada. El sustrato actúa como compuerta (gate o G), uno de los extremos del canal como fuente (source o S) y el otro como drenador (drain o D). Por tanto, entre la compuerta y el canal se forma una juntura o unión PN. De acuerdo al material del canal hay JFET de canal N y de canal P. En los de canal P. los portadores mayoritarios que circulan por el canal son huecos y en los de canal N los portadores que circulan por el canal son electrones. En la figura se muestran los símbolos utilizados en los diagramas para los diferentes tipos de JFET y su estructura interna simplificada.

6.2.1.

Polarización y funcionamiento de los JFET

Para operar correctamente, los JFET necesitan ser polarizados mediante dos tensiones externas, como se indica en la figura. La tensión VDD dirige el paso de los portadores de corriente por el canal y la tensión VGS regula su cantidad. Esta última debe polarizar inversamente la unión PN entre el canal y el sustrato. Por tanto, en un JFET de canal N la fuente debe ser positiva con respecto a la compuerta y negativa con respecto al drenador.

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El efecto neto de la polarización es la creación, entre drenador y fuente, de una corriente de drenaje (lD), la cual circula a lo largo del canal y depende del voltaje VGS. Por tanto, el canal actúa como una resistencia variable. En el caso de un JFET de canal N, el voltaje VGS crea, en las proximidades de la unión sustratocanal, una zona de agotamiento libre de electrones. Esta región se forma por completo dentro del canal debido a que existe una fuerte concentración de huecos en el sustrato y una baja concentración de electrones en el canal. El espesor de la zona de agotamiento determina el área útil o efectiva del canal, y, por lo tanto, su capacidad de dejar pasar más o menos electrones. La región de agotamiento se extiende a lo largo de las paredes del canal, siendo más amplia en el lado del drenador que en el de la fuente. Esto es así porque, desde el punto de vista de la compuerta, el drenador está sometido a un voltaje de polarización inverso más alto (VDS+VGS) que la fuente (VGS). Al aumentar el voltaje VGS, la región de agotamiento se ensancha, y, por lo tanto, se estrecha el canal. En consecuencia, pasan menos electrones entre la fuente y el drenador, disminuyéndose así la lD. Al disminuir el voltaje VGS, la región de agotamiento se estrecha y, por tanto, se amplía el canal. En consecuencia, pasan más electrones entre la fuente y el drenador, aumentándose así la lD. De este modo, el voltaje VGS varia la resistencia del canal y controla o "modula" la corriente lG. En ambos casos, la corriente de compuerta (IG) es insignificante, lo cual implica que la resistencia de entrada de un FET es extremadamente alta. La capacidad de amplificación de un FET se mide observando el efecto del voltaje VGS sobre la ID para un determinado valor de VDS. La relación incremental entre ambas cantidades se denomina transconductancia y se designa por el símbolo gm o gfs. Esto es: ฀฀฀฀ =

∆฀฀฀฀ ∆฀฀฀฀฀฀

La transconductancia se expresa en mhos o siemens (S). Por ejemplo, si gm = 5.000 µmhos (valor típico), un cambio de 200mV en el voltaje VGS provoca un cambio de 100µA en la lD.

6.3. Amplificadores de baja señal con transistor de efecto de campo Los amplificadores examinados hasta el momento están basados en el uso de transistores bipolares o BJT (bipolar junction transistors), que son dispositivos de tres terminales controlados por corriente. En ellos, una pequeña variación en la corriente aplicada a la base (electrodo de control) produce una gran variación en la corriente que circula entre el colector y el emisor (electrodos de salida). Esta acción básica se aprovecha para producir amplificación de corriente, voltaje o potencia. Los transistores bipolares son la espina dorsal de la electrónica moderna. Sin embargo, no son siempre la mejor elección en algunas situaciones específicas, por ejemplo, cuando se requiere de una impedancia de entrada extremadamente alta o un bajo consumo de potencia. Por fortuna, existe una alternativa: los transistores de efecto de campo o FET (field effect transistors), figura. Los FET analizados son dispositivos de tres terminales controlados por voltaje. Esto significa que, en ellos, una pequeña variación en el voltaje aplicado al electrodo de control, llamado compuerta o gate (G), produce una gran variación en la corriente a través de los electrodos de salida, llamados fuente o source (S) y drenador o drain (D). Existen FET de unión o JFET (Junction Field effect Transistors) y FET de compuerta aislada o IGFET (Insulated Gate Field Efect Transistors). Estos últimos son mejor conocidos como MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistors), o simplemente transistores MOS, por sus características constructivas.

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Los transistores de efecto de campo comparten al mismo tiempo varias semejanzas y diferencias con los transistores bipolares. Por ejemplo: •

Ambos son dispositivos de tres terminales en los cuales la conducción entre los electrodos de salida depende de la disponibilidad de portadores de carga. Esta última se gobierna mediante un voltaje aplicado, directa o indirectamente, al electrodo de control.

•

En un BJT, la unión colector-base debe estar polarizada inversamente, mientras que la unión baseemisor debe estarlo directamente. En un FET, por su parte, tanto la unión drenador-compuerta como la unión compuerta-fuente, siempre se polarizan inversamente. No hay uniones polarizadas en directo. Esto significa que a través de la compuerta sólo circula una corriente muy débil, prácticamente nula (0), lo cual implica una impedancia de entrada muy alta, casi infinita. Esta alta impedancia, en muchos casos superior a 1014Ω , es la principal ventaja de los JFET sobre los transistores bipolares, lo que posibilita muchas aplicaciones inusuales.

•

Los BJT son dispositivos bipolares, lo que implica que dependen para su operación de los dos tipos de portadores de carga (electrones y huecos). Los FET son dispositivos unipolares, es decir, funcionan con un solo tipo de portadores de carga (electrones o huecos). En un transistor NPN, por ejemplo, los electrones actúan como portadores mayoritarios y los huecos como portadores minoritarios. En un FET de canal N, por su parte, la conducción se debe únicamente a los electrones, que son los portadores mayoritarios.

6.3.1.

Características de entrada y de salida de los FET de unión

Todos los FET de unión (FET), sin excepción, operan en el modo de empobrecimiento (depletion). Esto significa que a través del canal fuente-drenador circula la máxima corriente (lDmax) cuando la polarización de la compuerta {VGS) es cero. Para reducir esta corriente o cortarla completamente (llevarla a cero), la compuerta debe ser polarizada inversamente. En el caso de un JFET de canal N, por ejemplo, debe aplicarse una polarización negativa, mientras que en el de un JFET de canal P debe aplicarse una polarización positiva. Esta situación se ilustra gráficamente mediante una curva característica de transferencia, como la mostrada en la figura. En este caso particular, la ID máxima, correspondiente a VGS=0, es de 10mA, mientras que la tensión VGS de corte, correspondiente a lD=0, es de -4V. De igual forma, el comportamiento de la corriente de drenador (ID) en función del voltaje drenador-fuente (VDS) para distintos valores de la tensión de compuerta (VGS) se representa gráficamente mediante un conjunto de curvas características de salida, como las mostradas en la figura, muy similares a las de un BJT. En cada caso la corriente ID se incrementa rápidamente al principio para luego estabilizarse y permanecer prácticamente constante. Si la tensión de drenador (VDS) es muy alta, por encima de su valor máximo, el JFET entra en la zona de ruptura y se destruye físicamente. En nuestro caso, esta tensión (VDSmax) es del orden de 25V. La parte plana de cada curva característica de salida, donde la corriente ID es prácticamente constante, se denomina región de saturación y se localiza entre la tensión de ruptura (VDSmax) y una tensión mínima, llamada tensión de estrangulamiento (VP o VPO). Asimismo, la parte de la curva comprendida entre VDS=0 y VDS=VP se denomina región lineal u óhmica. En esta zona, mostrada en detalle en la figura, el dispositivo se comporta básicamente como una resistencia. El valor de ID obtenido con VGS=0 (compuerta en cortocircuito con la fuente) se designa en las hojas de datos de los JFET como lDSS y corresponde prácticamente a la máxima corriente que es capaz de transportar el dispositivo. Éste es uno de los principales parámetros de los JFET. Para el 2N5484 de Motorola, por ejemplo, el valor de IDSS fluctúa entre 1 mA y 5mA. Otra especificación importante de los JFET es la tensión puerta-fuente de corte (VGS(off)), correspondiente al mínimo voltaje de compuerta necesario para llevar Transistores FET, MOSFET e IGBT

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el dispositivo al corte, es decir reducir la ID a cero. Por regla general, esta tensión es siempre igual a la de estrangulamiento (VPO) y de polaridad opuesta. Esto es: ฀฀฀฀฀฀ (฀฀฀฀฀฀) = −฀฀฀฀฀฀

6.3.2.

Esquema de polarización de los JFET.

Los JFET, al igual que los BJT, pueden ser utilizados básicamente de dos formas: como interruptores en circuitos digitales o como amplificadores en circuitos análogos. En el primer caso, su punto de trabajo oscila entre la saturación y el corte, mientras que en el segundo debe mantenerse dentro de la región activa. Para que esto último sea posible, el dispositivo debe ser polarizado adecuadamente, teniendo en cuenta que la unión compuerta-fuente se polariza siempre en inverso. En las figuras se muestran varios esquemas de polarización posibles, aunque no todos ellos son los más adecuados, especialmente porque la ubicación del punto Q depende de la corriente IDSS y la tensión VGS(off), que son dos parámetros muy variables de un JFET a otro.

Polarización de compuerta

Polarización de un JFET mediante divisor de tensión

Polarización mediante fuente dual

Polarización automático (autopolarización) de un JFET

Polarización mediante tensión comparativo (offset)

Polarización mediante fuente de corriente constante

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6.3.3.

Configuraciones básicas de amplificadores con JFET

Al igual que con los transistores bipolares, son posibles tres configuraciones básicas de amplificadores con transistores JFET, representadas en la figura, llamadas fuente común (CS: common source), compuerta común (CG: common gate) y drenador común (CD: common drain), análogas, en su orden, a las estructuras emisor común, base común y colector común, y con propiedades similares. La configuración drenador común se denomina también seguidora de fuente (follower source) y es una de las más empleadas. Los amplificadores de compuerta común son poco empleados, excepto en tareas de muy alta frecuencia, debido a que presentan una muy baja impedancia de entrada.

La estructura completa de un amplificador de fuente común básico, incluyendo el circuito de polarización, se muestra en la figura. En este caso, al aplicar una señal pequeña en la compuerta (vi), se producen variaciones en el voltaje compuerta-surtidor (vgs), las cuales, a su vez, provocan variaciones en la corriente de drenador (id). Puesto que esta última corriente circula a través de RD, en la salida (vo) se produce un voltaje de señal amplificado, opuesto en fase con respecto al voltaje de señal de entrada, como sucedía en un amplificador de emisor común. La ganancia de voltaje (Av), sin carga, de esta configuración está dada por la siguiente fórmula.

฀฀฀฀ = −฀฀฀฀ ∗ ฀฀฀฀ 6.3.4.

Análisis de amplificadores de baja señal con JFET

Los amplificadores de baja señal con transistores JFET se analizan con los mismos métodos generales empleados para los amplificadores con transistores bipolares. Para ilustrar esta semejanza, y derivar algunas conclusiones generales relativas al comportamiento de los JFET como amplificadores, consideremos un JFET y un BJT operando con una corriente de polarización (lD o lC) de 1mA, como se muestra en la figura. En ambos casos se utiliza una resistencia de carga (RD o RC) de 5KΩ, una tensión de alimentación (VDD o VCC) de +10V y una tensión de polarización de salida (VCQ o VDQ) de +5V. El JFET está conectado en el modo fuente común y el BJT en el modo emisor común. Centraremos nuestra atención en la estimación de la ganancia de voltaje (Av) y la impedancia de salida (Zo), ignorando los detalles de la polarización.

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6.3.5.

Circuitos prácticos de amplificadores de baja señal con JFET

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Práctica Montar el circuito de la figura, realizar los ajustes de los puntos de funcionamiento y analizar las características del circuito para los diferentes ajustes.

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6.4. Transistores MOSFET Los MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Efect Transistors) o MOS, son FET en los cuales la compuerta está eléctricamente aislada del canal mediante una fina capa de dióxido de silicio (SiO2), la cual le confiere unas características muy especiales; por ejemplo, una impedancia de entrada muy alta. También hay MOSFET de canal N y de canal P. Los circuitos con MOSFET son altamente inmunes al ruido, consumen muy poca potencia y son muy flexibles. Además, se prestan a la integración en gran escala. Hay dos tipos de MOSFET: los de agotamiento, también llamados de empobrecimiento o depleción (depletion MOSFET) y los de enriquecimiento o acumulación (enhancement MOSFET). En la figura se muestran los símbolos utilizados en los diagramas para los diferentes tipos de MOSFET y su estructura interna simplificada.

6.4.1.

Estructura básica y funcionamiento de los MOSFET

En un MOSFET el canal se forma dentro del sustrato, pero, a diferencia de un JFET, este último está conectado eléctricamente a la fuente y no a la compuerta. Aunque la compuerta y el canal ya no forman una unión PN, la compuerta sigue siendo el terminal que controla la conductividad del canal. El voltaje VGS puede ser positivo o negativo y controla la concentración de portadores de corriente en el canal. Si el drenador es positivo con respecto a la fuente y el voltaje VGS es 0, fluye una corriente de drenaje a través del canal. En el caso de un MOSFET de canal N, cuando el voltaje VGS se hace negativo, los electrones del canal son atraídos por los huecos del sustrato, reduciéndose así la concentración de portadores de corriente dentro del canal. En consecuencia, aumenta la resistencia...