Física del Estado Sólido en la Electrónica. Parte IV – Transistores de Efecto de Campo (FET)

Diferencia entre los Transistores (FET) y los Transistores (PET)

En el capítulo anterior hemos estudiado a los Transistores de Unión Bipolar (BJT - Bipolar Junction Transistor), donde aprendimos, que son dispositivos que emplean dos uniones p-n para formar su estructura del tipo n-p-n o p-n-p. También aprendimos, que los BJT son generalmente empleados como dispositivos de amplificación de señales. Las cualidades de estos tipos de transistores los clasifica entre los dispositivos de potencia, también conocidos como Transistores de Efecto Potencial (PET - Potential Effect Transistor).

Como en este post hablaremos sobre los Transistores de Efecto de Campo (FET - Field Effect Transistor) para comenzar trataré de justificar una distinción de estos y los Transistores de Efecto de Potencial (PET).

Un transistor, en general, es un dispositivo de tres terminales donde la resistencia del canal entre dos de los terminales está controlada por el tercer terminal (algunos transistores emplean un cuarto terminal, más adelante se nombrará). Cabe destacar, que se le llama "canal" al material semiconductor fundamental empleado para la construcción del dispositivo.

La diferencia más importante entre el FET y el PET es la forma en que el control está acoplado al canal. En los PETs, los portadores de carga excedentes son inyectados desde el terminal "Emisor" hasta el "Colector" para recuperarlos y son controlados por el terminal "Base" (Figura 1a). En los FETs, los portadores de carga fluyen desde la "Fuente" al "Drenador" y el terminal de control es denomina "Puerta (o compuerta)" (Figura 1b).

_{Figura 1. Terminales de un transistor: (a) PET; (b) FET.}
^{Fuente: Lic. Daiver Juarez, @djredimi2.}

Además, como se muestra en la Fig. 1, en un FET, el canal se controla de manera capacitiva mediante un campo eléctrico (de ahí el nombre de Efecto de Campo), y en un PET, se accede directamente al potencial del canal (de ahí el nombre de Efecto de Potencial).

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Árbol familiar de los FET's

En la figura 2 se muestra el árbol familiar de los transistores de efecto de campo (FET). Podemos observar que los tres (3) miembros principales de primer nivel son el IGFET, el JFET y el MESFET. Se distinguen por la forma en que se forma el condensador de la compuerta.

_{Figura 2. Árbol familiar de los Transistores de Efecto de Campo (FET).}
^{Fuente: Lic. Daiver Juarez, @djredimi2.}

En un IGFET, el terminal compuerta que forma un condensador está formado por un contacto de material aislante. En un JFET, el condensador esta formado por la capa de una unión p-n. Y en un MESFET, este condensador está formado por un contacto de barrera Schottky.

En un segundo nivel, la rama de los IGFET la dividimos en MOSFET/MISFET y HFET. La rama MOSFET/MISFET representa a los FET de metal - aislante - semiconductor. En el MOSFET, específicamente el aislante es una capa de óxido crecido, mientras que en el MISFET, el aislante es un dieléctrico depositado. En este tipo de dispositivo al contacto aislante se le conecta un cuarto terminal. En la rama HFET, el material de la compuerta es una capa semiconductora de alta brecha de energía que crece como una heterounión y que, por ende, actúa como aislante.

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Transistores de Efecto de Campo (FET)

Como sabemos, el transistor de efecto de campo (FET) es un dispositivo electrónico que utiliza un campo eléctrico para controlar el flujo de corriente. Este tipo de transistores también se conocen como "Unipolares", ya que los portadores de carga mayoritarios fluyen a través de una zona de un único tipo conductividad.

_{Figura 3. Composición interna del transistor FET tipo n de tres terminales.}
^{Fuente: Lic. Daiver Juarez, @djredimi2.}

La primer patente de FET fue desarrolla entre 1926 y 1934 por el físico J. E. Lilienfeld y por el ingeniero O. Heil. Por otro lado, los primeros transistores prácticos se desarrollaron luego de que William Shockley explicara la teoría en 1947. El primer tipo de transistor fue un JFET que trabajaba en función inducción estática (SIT) y fué inventado por los ingenieros japoneses J. Nishizawa e Y. Watanabe en 1950. Más tarde, el transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor (MOSFET) reemplazó en gran medida al JFET. El primer MOSFET fue inventado por los ingenieros D. Kahng y M. Atalla en 1959.

Aunque los terminales de un FET simple son Fuente (S), Drenador (D) y Compuerta (G) (figura 3), la mayoría de los FET tienen un cuarto terminal llamado cuerpo, base, volumen o sustrato (B) (figura 4). Este cuarto terminal sirve para polarizar el transistor en operación; es raro hacer un uso no trivial del terminal del cuerpo en diseños de circuitos, pero su presencia es importante al configurar la disposición física de un circuito integrado.

Los nombres de los terminales se refieren a sus funciones. Se puede considerar que el terminal de la Compuerta controla la apertura y el cierre de una puerta física. Esta compuerta permite que los electrones fluyan o bloqueen su paso creando o eliminando un canal entre la Fuente y el Drenaje. El flujo de electrones desde el terminal de Fuente hacia el terminal de Drenador está influenciado por un Voltaje aplicado a la Compuerta. La región que separa la compuerta y la zona donde fluyen los electrones se le conoce como Zona de deplexión. El Cuerpo simplemente se refiere a la mayor parte del semiconductor en el que se encuentran la puerta, la fuente y el drenaje. Por lo general, el terminal Cuerpo está conectado a la tensión más alta o más baja dentro del circuito, según el tipo de FET.

Tipos de Transistores FET.

Hay muchas formas de categorizar las versiones de los FET. De acuerdo con el tipo de portadores de canal, tenemos dispositivos de canal n y canal p.

_{Figura 4. Nomenclatura de algunos transistores FET: (a) MOSFET de canal p, (b) MOSFET de canal n,}
^{(c) JFET de canal p, (d) JFET de canal n. Fuente: Lic. Daiver Juarez, @djredimi2.}

El transistor FET controla el flujo de electrones desde la fuente al drenador al afectar el tamaño y la forma de un "canal conductor". Este canal conductor es creado e influenciado por el voltaje aplicado a través de los terminales de la compuerta y fuente. En un canal tipo n, este canal conductor es la corriente eléctrica a través de la cual, los electrones fluyen desde la fuente hasta el drenador. En un canal tipo p la corriente eléctrica está influenciada por huecos, y a su vez, es creado e influenciado por falta de voltaje.

En otras palabras, los canales n están formados por electrones y son mejores conductores con un voltaje de polarización de compuerta positiva. Por otro lado, los canales p están formados por huecos y son mejores conductores con un voltaje de polarización de compuerta negativa.

Además de esto, es importante describir el estado del transistor con voltaje polarización de compuerta "cero". Los FET se denominan como "Modo de mejora", o "Normalmente desactivados", si con una polarización de compuerta cero, la conductancia del canal es muy baja por lo que debemos aplicar un voltaje de compuerta para formar un canal conductor. La contraparte se llama "Modo de agotamiento", o "Normalmente encendido", y ocurre cuando el canal es conductivo con polarización de puerta cero y debemos aplicar un voltaje de puerta para apagar el transistor

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Algunas Aplicaciones

Los transistores de efecto de campo ofrecen muchas características atractivas para aplicaciones en:

• conmutación analógica,
• amplificadores de alta impedancia de entrada,
• amplificadores de microondas,
• circuitos integrados digitales.

Los FET tienen una impedancia de entrada considerablemente mayor que los transistores bipolares, lo que permite que la entrada de un FET se adapte más fácilmente al sistema de microondas estándar. El FET tiene un coeficiente de temperatura negativo en niveles de corriente altos; es decir, la corriente disminuye a medida que aumenta la temperatura. Esta característica conduce a una distribución más uniforme de la temperatura en el área del dispositivo y evita que el FET salga disparado o se produzca una segunda avería, que puede ocurrir en el BJT.

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