El transistor de efecto
campo ( Transistor o FET, en inglés) es en
realidad una familia de transistores que se basan en el campo eléctrico para controlar la conductividad de un "canal" en un material semiconductor. Los FET pueden
plantearse como resistencias controladas por diferencia de potencial.
Los transistores de efecto de campo o FET
más conocidos son los JFET (Junction Field Effect Transistor), MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) y MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor
FET).
Tienen tres terminales, denominadas puerta
(gate), drenador (drain) y fuente (source). La puerta es
la terminal equivalente a la base del BJT. El transistor de efecto de campo se
comporta como un interruptor controlado por tensión, donde el voltaje aplicado
a la puerta permite hacer que fluya o no corriente entre drenador y fuente.
El funcionamiento del transistor de efecto
de campo es distinto al del BJT. En los MOSFET, la puerta no absorbe corriente
en absoluto, frente a los BJT, donde la corriente que atraviesa la base, pese a ser pequeña en
comparación con la que circula por las otras terminales, no siempre puede ser
despreciada. Los MOSFET, además, presentan un comportamiento capacitivo muy
acusado que hay que tener en cuenta para el análisis y diseño de circuitos.
Así como los transistores bipolares se dividen en NPN y PNP, los de efecto de campo o FET son también de dos
tipos: canal n y canal p, dependiendo de si la aplicación de una tensión
positiva en la puerta pone al transistor en estado de conducción o no
conducción, respectivamente. Los transistores de efecto de campo MOS son usados
extensísimamente en electrónica digital, y son el componente fundamental de los
circuitos integrados o chips digitales.
Desde 1953 se propuso su fabricación por Van Nostrand (5 años después de los BJT). Aunque su fabricación no fue posible hasta mediados de los años 80's.
TIPOS DE TRANSISTORES DE EFECTO CAMPO.(FET)
El canal de un FET es dopado
para producir tanto un semiconductor tipo N o uno tipo P. El drenador y
la fuente deben estar dopados de manera contraria al canal en el caso
de FETs de modo mejorado, o dopados de manera similar al canal en el
caso de FETs en modo agotamiento. Los transistores de efecto de campo
también son distinguidos por el método de aislamiento entre el canal y
la puerta.
Podemos clasificar los transistores de efecto campo según el método de aislamiento entre el canal y la puerta:
- El MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) usa un aislante (normalmente SiO2).
- El JFET (Junction Field-Effect Transistor) usa una unión p-n
- El MESFET (Metal-Semiconductor Field Effect Transistor) substituye la unión PN del JFET con una barrera Schottky.
- En el HEMT (High Electron Mobility Transistor), también denominado HFET (heterostructure FET), la banda de material dopada con "huecos" forma el aislante entre la puerta y el cuerpo del transistor.
- Los MODFET (Modulation-Doped Field Effect Transistor)
- Los IGBT (Insulated-gate bipolar transistor) es un dispositivo para control de potencia. Son comunmente usados cuando el rango de voltaje drenaje-fuente está entre los 200 a 3000V. Aun así los Power MOSFET todavía son los dispositivos más utilizados en el rango de tensiones drenaje-fuente de 1 a 200V.
- Los FREDFET es un FET especializado diseñado para otorgar una recuperación ultra rápida del transistor.
- Los DNAFET es un tipo especializado de FET que actúa como biosensor, usando una puerta fabricada de moléculas de ADN de una cadena para detectar cadenas de ADN iguales
. La característica de los TFT que los distingue, es que hacen uso del silicio amorfo o del silicio policristalino
CARACTERISTICAS.
- Tiene una resistencia de entrada extremadamente alta (casi 100MΩ).
- No tiene un voltaje de unión cuando se utiliza como conmutador (interruptor).
- Hasta cierto punto es inmune a la radiación.
- Es menos ruidoso.
- Puede operarse para proporcionar una mayor estabilidad térmica.
TRANSISTORES MOSFET.
MOSFET - MOS-FET
MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
MOSFET significa "FET de Metal Oxido Semiconductor" o FET de
compuerta aislada
Es un tipo especial de transistor FET que tiene una versión NPN y otra
PNP. El NPN es llamado MOSFET de canal N y el PNP es llamado MOSFET de canal P.
Una delgada capa de material aislante formada de dióxido de silicio (SiO2)
(también llamada "sílice" o "sílica") es colocada del lado
del semiconductor y una capa de metal es colocada del lado de la compuerta
(GATE) (ver la figura)
En el MOSFET de canal N la parte "N" está conectado a la fuente (source) y
al drenaje (drain)
En el MOSFET de canal P la parte "P" está conectado a la fuente (source) y al drenaje (drain)
En el MOSFET de canal P la parte "P" está conectado a la fuente (source) y al drenaje (drain)
En los transistores bipolares la corriente que circula por el colector
es controlada por la corriente que circula por la base. Sin embargo en el caso
de los transistores
FET, la corriente de salida es controlada por una
tensión de entrada (un campo eléctrico). En este caso no existe corriente de
entrada.
Los transistores
MOSFET se pueden dañar con facilidad y hay que
manipularlos con cuidado. Debido a que la capa de óxido es muy delgada, se
puede destruir con facilidad si hay alta tensión.
Principio de operación de un MOSFET
Tanto en el MOSFET de canal N o el de canal P, cuando no se aplica tensión en la compuerta no hay flujo de corriente
entre en drenaje (Drain) y la fuente (Source)
Para que circule corriente en un MOSFET de canal N una tensión positiva se debe aplicar en la
compuerta. Así los electrones del canal N de la fuente (source) y el drenaje
(Drain) son atraídos a la compuerta (Gate) y pasan por el canal P entre ellos.
El movimiento de estos electrones, crea las condiciones para que
aparezca un puente para los electrones entre el drenaje y la fuente. La
amplitud o anchura de este puente (y la cantidad de corriente) depende o es
controlada por la tensión aplicada a la compuerta.
En el caso del MOSFET de canal P, se da una situación similar. Cuando se aplica una tensión negativa en
la compuerta, los huecos (ausencia de electrones) del canal P del drenaje y de
la fuente son atraídos hacia la compuerta y pasan a través del canal N que hay
entre ellos, creando un puente entre drenaje y fuente. La amplitud o anchura
del puente (y la cantidad de corriente) depende de la tensión aplicada a la
compuerta.
Debido a la delgada capa de óxido que hay entre la compuerta y el
semiconductor, no hay corriente por la compuerta. La corriente que circula
entre drenaje y fuente es controlada por la tensión aplicada a la compuerta.
Nota: El sentido
de la corriente mostrada en los diagramas el es convencional, no la del flujo
de electrones.
Manipulación del MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)
MOSFET significa "FET de Metal Oxido
Semiconductor" o FET de compuerta aislada. El aislamiento entre la
compuerta y el canal es el dióxido de silicio (SiO2). Ver el
siguiente diagrama.
Esta capa aislante (área gris) es tan delgada que se si produjera un campo eléctrico fuerte, podría destruirse, es por eso que la manipulación del MOSFET es tan importante
Debido a la alta resistencia de la capa de dióxido de silicio, la carga
en el capacitor no se dispersa rápidamente , sino que se acumula. Esta
acumulación de carga puede producir un campo eléctrico destructivo.
El mayor peligro para un MOSFET son las cargas estáticas durante la
manipulación del mismo en un día seco. También causan peligro los cautines para
soldar, que por lo general no están aislados de la línea de corriente alterna
(C.A.).
Para evitar que el MOSFET se dañe de manera accidental, algunos
fabricantes incluyen un diodo zener conectado entre la compuerta (G) y la
fuente (S) con el ánodo hacia la compuerta y el cátodo hacia la fuente.
Este zener esta diseñado para que conduzca a 50 voltios por lo que VGS
(tensión compuerta - fuente) siempre se mantendrá por debajo o igual al valor
de esta tensión, y por ende por debajo del valor de tensión destructivo. Ver la
figura.
Otra manera de asegurarse de que el MOSFET no se dañe es almacenarlo y
transportarlo con ayuda de esponjas conductoras, que cortocircuitan los
terminales del MOSFET y así no exista tensión entre ellos.
Si no fuese posible conocer si el MOSFET tiene la protección antes
mencionada, la persona que manipulará el elemento debe de asegurarse que su
cuerpo no esté cargado de estática. Existen unas pulseras especiales conectadas
a un punto de tierra, pensadas para mantener descargado el cuerpo del usuario.
C-MOSFET (Complementary MOS FET)
Principio de operación.
C-MOS FET es la abreviación de Complementary Metal
Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
ó Complementary MOS FET ó MOSFET complementario.
Este circuito es la combinación de un MOSFET de canal P y un MOSFET de
canal N.
Funcionamiento:
- Cuando la entrada tiene un nivel de tensión negativo (L), el MOSFET de
canal P conduce y el MOSFET de canal N no lo hace
- Cuando la entrada tiene un nivel de tensión positivo (H), el MOSFET de canal N conduce y el MOSFET de canal P no lo hace
- Cuando la entrada tiene un nivel de tensión positivo (H), el MOSFET de canal N conduce y el MOSFET de canal P no lo hace
Se puede ver que el
funcionamiento de ambos es siempre opuesto. Una característica importante de
este circuitos es que la corriente de salida, que se puede considerar
relativamente alta, es controlada con facilidad.
Cuando la entrada está en nivel bajo (L), la salida está conectada
directamente a la fuente de alimentación a través del MOS FET de canal P y se
tiene un nivel alto (H).
Cuando la entrada está en nivel alto (H), la salida está conectada
directamente a la tierra a través del MOS FET de canal N y se tiene un nivel
bajo (L).
El nivel de salida de la salida
es siempre el inverso que el de la entrada (hay inversión de fase).
En el circuito C-MOS FET el MOSFET de canal P y el de canal N podrían no
iniciar o dejar la conducción bajo las mismas condiciones, esto debido a que la
tensión en la compuerta, que hace que el MOSFET deje de conducir, tiene un
valor que va de 1 a 2 voltios.
Esta característica depende de cada MOSFET en particular y es común
observar que la corriente de drenaje de un MOSFET es cero (MOSFET en corte) aún
cuando la tensión en la compuerta no lo sea.
Estructura
metal-óxido-semiconductor
Una estructura metal-óxido-semiconductor
(MOS) tradicional se obtiene haciendo crecer una capa de dióxido de silicio (SiO2) sobre un sustrato de silicio, y luego depositando una
capa de metal osilicio policristalino,
siendo el segundo el más utilizado. Debido a que el dióxido de silicio es un material dieléctrico, esta estructura equivale a un condensador plano, en donde uno de
los electrodos ha sido reemplazado por un semiconductor.
Cuando se aplica un potencial a través de
la estructura MOS, se modifica la distribución de cargas en el semiconductor.
Si consideramos un semiconductor de tipo p (con una densidad de aceptores NA), p es la densidad de
huecos; p = NA en el silicio intrínseco), una tensión positiva VGB aplicada entre la compuerta y el sustrato (ver figura) crea una región de
agotamiento debido a que los huecos cargados positivamente son repelidos de la
interfaz entre el aislante de compuerta y el semiconductor. Esto deja expuesta
una zona libre de portadores, que está constituida por los iones de los átomos
aceptores cargados negativamente (ver Dopaje (semiconductores)). Si VGB es lo suficientemente alto, una alta concentración de portadores de carga
negativos formará una región de inversión localizada en una franja delgada contigua a la interfaz entre el
semiconductor y el aislante. De manera distinta al MOSFET, en donde la zona de
inversión ocasiona que los portadores de carga se establezcan rápidamente a
través del drenador y el surtidor, en un condensador MOS los electrones se
generan mucho más lentamente mediante generación térmica en los centros de
generación y recombinación de portadores que están en la región de agotamiento.
De forma convencional, la tensión de compuerta a la cual la densidad
volumétrica de electrones en la región de inversión es la misma que la densidad
volumétrica de huecos en el sustrato se llama tensión de umbral.
Esta estructura con un sustrato de tipo p
es la base de los transistores nMOSFET, los cuales requieren el dopado local de
regiones de tipo n para el drenador y el surtidor.
Estructura MOSFET y
formación del canal
Formación del canal en
un MOSFET NMOS: Superior: Una tensión de compuerta dobla las bandas de energía, y se
agotan los huecos de la superficie cercana a la compuerta (izquierda). La carga
que induce el doblamiento de bandas se equilibra con una capa de cargas
negativas de iones aceptores (derecha). Inferior: Una tensión todavía mayor
aplicada en la compuerta agota los huecos, y la banda de conducción disminuye
de forma que se logra la conducción a través del canal.
Un transistor de efecto de campo
metal-óxido-semiconductor (MOSFET) se basa en controlar la concentración de
portadores de carga mediante un condensador MOS existente entre los electrodos
del sustrato y la compuerta. La compuerta está localizada encima del sustrato y
aislada de todas las demás regiones del dispositivo por una capa de
dieléctrico, que en el caso del MOSFET es un óxido, como el dióxido de silicio. Si se utilizan otros
materiales dieléctricos que no sean óxidos, el dispositivo es conocido como un
transistor de efecto de campo metal-aislante-semiconductor (MISFET). Comparado
con el condensador MOS, el MOSFET incluye dos terminales
adicionales (surtidor y drenador), cada uno conectado a regiones altamente dopadas que están separadas por
la región del sustrato. Estas regiones pueden ser de tipo p o n, pero deben ser
ambas del mismo tipo, y del tipo opuesto al del sustrato. El surtidor y el
drenador (de forma distinta al sustrato) están fuertemente dopadas y en la
notación se indica con un signo '+' después del tipo de dopado.
Si el MOSFET es de canal n (NMOS) entonces
las regiones de dopado para el surtidor y el drenador son regiones 'n+' y el
sustrato es una región de tipo 'p'. Si el MOSFET es de canal p (PMOS) entonces
las regiones de dopado para el surtidor y el drenador son regiones 'p+' y el
sustrato es una región de tipo 'n'. El surtidor se denomina así porque es la
fuente de los portadores de carga (electrones en el canal n, huecos en el canal
p) que fluyen a través del canal; de forma similar, el drenador es el punto en
el cual los portadores de carga abandonan el canal.
La ocupación de las bandas de energía en
un semiconductor está determinada por la posición del nivel de Fermi con respecto a los bordes de las bandas de energía del semiconductor. Como
se describe anteriormente, y como se puede apreciar en la figura, cuando se
aplica una tensión de compuerta suficiente, el borde de la banda de valencia se
aleja del nivel de Fermi, y los huecos presentes en el sustrato son repelidos
de la compuerta. Cuando se polariza todavía más la compuerta, el borde de la
banda de conducción se acerca al nivel de Fermi en la región cercana a la
superficie del semiconductor, y esta región se llena de electrones en una región de inversión o un canal de tipo n originado en la interfaz
entre el sustrato tipo p y el óxido. Este canal conductor se extiende entre el
drenador y el surtidor, y la corriente fluye a través del dispositivo cuando se
aplica un potencial entre el drenador y el surtidor. Al aumentar la tensión en
la compuerta, se incrementa la densidad de electrones en la región de inversión
y por lo tanto se incrementa el flujo de corriente entre el drenador y el
surtidor.
Para tensiones de compuerta inferiores a
la tensión de umbral, el canal no tiene suficientes portadores de carga para
formar la zona de inversión, y de esta forma sólo una pequeña corriente de
subumbral puede fluir entre el drenador y el surtidor.
Cuando se aplica una tensión negativa
entre compuerta-surtidor (positiva entre surtidor-compuerta) se crea un canal de tipo p en una superficie del
sustrato tipo n, de forma análoga al canal n, pero con polaridades opuestas
para las cargas y las tensiones. Cuando una tensión menos negativa que la
tensión de umbral es aplicada (una tensión negativa para el canal tipo p) el
canal desaparece y sólo puede fluir una pequeña corriente de subumbral entre el
drenador y el surtidor.
Símbolos de circuito
Existen distintos símbolos que se utilizan
para representar el transistor MOSFET. El diseño básico consiste en una línea
recta para dibujar el canal, con líneas que salen del canal en ángulo recto y
luego hacia afuera del dibujo de forma paralela al canal, para dibujar el
surtidor y el drenador. En algunos casos, se utiliza una línea segmentada en
tres partes para el canal del MOSFET de enriquecimiento, y una línea sólida
para el canal del MOSFET de empobrecimiento. Otra línea es dibujada en forma
paralela al canal para destacar la compuerta.
La conexión del sustrato, en los casos
donde se muestra, se coloca en la parte central del canal con una flecha que
indica si el transistor es PMOS o NMOS. La flecha siempre apunta en la
dirección P hacia N, de forma que un NMOS (Canal N en una tina P o sustrato P)
tiene la flecha apuntando hacia adentro (desde el sustrato hacia el canal). Si
el sustrato está conectado internamente al surtidor (como generalmente ocurre
en dispositivos discretos) se conecta con una línea en el dibujo entre el
sustrato y el surtidor. Si el sustrato no se muestra en el dibujo (como
generalmente ocurre en el caso de los diseños de circuitos integrados, debido a
que se utiliza un sustrato común) se utiliza un símbolo de inversión para
identificar los transistores PMOS, y de forma alternativa se puede utilizar una
flecha en el surtidor de forma similar a como se usa en los transistores
bipolares (la flecha hacia afuera para un NMOS y hacia adentro para un PMOS).
En esta figura se tiene una comparación
entre los símbolos de los MOSFET de enriquecimiento y de empobrecimiento, junto
con los símbolos para los JFET (dibujados con el
surtidor y el drenador ordenados de modo que las tensiones más elevadas
aparecen en la parte superior de la página).
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