Estructura Física
La estructura física del transistor de efecto de campo (JFET Junction field-effect transistor) de canal n se muestra en la figura 5.1a y su símbolo de circuito se puede ver en la figura 5.1b. El dispositivo consiste en un canal de semiconductor tipo n, con contactos óhmicos en cada extremo, llamados drenador (drain) y fuente (source). A los lados del canal hay regiones de material semiconductor tipo p conectadas eléctricamente entre sí y al terminal denominado compuerta (gate).
La unión pn entre la compuerta y el canal es un contacto similar a los diodos de unión estudiados previamente (ver capítulo 2). En casi todas las aplicaciones de este dispositivo la unión compuerta-canal se encuentra polarizada en inverso; es decir el lado p es negativo con respecto al lado n, por esta razón hay una mínima circulación de portadores (corriente) despreciable en la práctica del canal hacia la compuerta.
Figura #5.1. El Transistor de Efecto de Campo
Regiones de Trabajo Recordemos que cuando aplicamos polarización inversa a una región pn se crea una región no conductora conocida como región de deplexión, cuanto mayor es esta polarización mayor es la zona; si se la diferencia de potencial entre compuerta y fuente VGS se hace muy grande y supera un valor límite el tamaño de la región de deplexión alcanza o cubre todo el canal, esta condición se conoce como estrangulamiento porque la parte no conductora ocupa todo el canal y el valor límite se conoce como voltaje de pinch-off Vt o Vto de acuerdo a varios autores (ver fgura 5.2). La tensión de estrangulamiento Vto se conoce como el valor de polarización compuerta-canal que se necesita para que la región de deplexión ocupe todo el canal de un dispositivo.
Figura #5.2. Polarización del FET
Curvas Características de un JFET En la figura 5.3 se muestra el diagrama del circuito que utilizaremos para nuestro estudio.
Figura #5.3. Diagrama FET polarizado
Para empezar, supongamos que VGS es cero; entonces a medida que aumenta VDS, aumenta iD, como se muestra en la figura 5.4. Podemos asociar el comportamiento del canal al de un conductor con contactos óhmicos en los extremos, por lo que para pequeños valores de VDS exista una relación lineal entre iD y VDS, para valores mayores de VDS la corriente del drenaje aumenta cada vez más lentamente; esto se debe a que el extremo del canal más próximo al drenaje se halla polarizado en inversa a causa de la fuente de tensión VDS.
Figura #5.4. Gráfica iD vs VDS
Al aumentar VDS, la zona de deplexión se hace más ancha, por lo que provoca que la resistencia del canal se incremente, como se muestra en la figura 5.5. Luego de alcanzar la tensión de estrangulamiento, la corriente del drenaje se hace casi constante para posteriores incrementos de VDS.
El flujo de corriente provoca una caída de tensión a lo largo del canal (especialmente en el extremo del drenaje, donde el canal es muy estrecho). Por lo tanto la tensión entre el canal y la compuerta varía a lo largo de todo el canal. En el extremo del canal correspondiente al drenaje la polarización de la unión compuerta-canal es VGD=VGS-VDS.
Figura #5.5. FET de canal n con VGS=0
En la figura 5.6 se muestra una familia completa de curvas características de drenaje de un FET en pequeña señal. Para valores negativos de VGS, la unión compuerta-canal está polarizada en inversa incluso para VDS igual a cero. Así la resistencia inicial del canal es elevada; por lo tanto para valores pequeños de VDS el FET se comporta como una resistencia situada entre drenaje y fuente, además el valor de esta resistencia está controlado por VGS, sí VGS es menor que la tensión de estrangulamiento la resistencia se convierte en un circuito abierto y decimos que el FET se encuentra en corte.
Al igual que con VGS=0, la corriente del drenaje para otros valores de VGS, al final llega a ser constante a medida que aumenta VDS, debido al estrangulamiento en el extremo del canal correspondiente al drenaje. La región en la que la corriente del drenaje es constante se llama región de saturación o región de estrangulamiento. La región en la que iD depende de VDS se denomina región lineal o región óhmica. Estas regiones están indicadas en la figura 5.6.
Figura #5.6. Curvas características de un JFET canal n
MOSFET La estructura física del Mosfet de acumulación canal n puede verse en la figura 5.7.
Figura #5.7. Mosfet de acumulación canal n.
Los terminales son drenaje (D), compuerta (G), fuente (S) y sustrato (B). En funcionamiento normal por el terminal sustrato para una corriente despreciable. Para nuestro estudio supondremos que el sustrato se encuentra conectado a una fuente por lo que tendremos un dispositivo de tres terminales. La compuerta se halla aislada del sustrato por una fina capa de oxido (dióxido de silicio Si 2 O?) y por este termnal fluye una corriente despreciable. Cuando se aplica a la compuerta una tensión positiva en relación a la fuente, los electrones se ven atraídos a la región ubicada bajo la compuerta, induciéndose una tensión drenaje-fuente. Entonces si se aplica una tensión entre drenaje-fuente fluirá una corriente que sale del terminal fuente a través del canal hasta el terminal drenaje. La corriente del drenaje estará controlada por la tensión que se aplica a la compuerta.
La longitud L y la anchura W del canal se muestran en la figura 5.7; la longitud suele estar en el rango [0.2–10] mm y la anchura oscila entre [0.5–500] mm. La capa de óxido tiene un espesor entre [0.05–0.1] mm.
Las características del dispositivo dependen de L, W y de parámetros de fabricación tales como el nivel de dopaje y la anchura del óxido. El símbolo del mosfet de acumulación canal n se muestra en la figura 5.8.
Figura #5.8. Símbolo esquemático de un Mosfet de acumulación canal n
Funcionamiento en la región de corte Consideremos la situación mostrada en la figura 5.9. Supongamos que se aplica al drenaje una tensón positiva con respecto a la fuente y comenzamos con VGS=0. Observe que en las interfaces drenaje-sustrato y fuente-sustrato aparecen uniones pn. No fluye virtualmente corriente hacia el drenaje ya que la unión drenaje-sustrato está polarizada en inversa por el generador VDS. A esto se le llama región de corte. A medida que aumenta VGS el dispositivo permanece en corte hasta que VGS alcanza un valor suficiente llamado tensión umbral Vto.
iD=0 para VGS<=Vto (Ec. 5.1)
Figura #5.9. Para VGS<Vto la unión pn entre drenaje y sustrato está polarizada en inversa e id=0
Funcionamiento en la región óhmica Ahora consideremos la situación que se muestra en la figura 5.10, en la que VGS es mayor que la tensión umbral. El campo eléctrico que resulta de la tensión aplicada a la compuerta ha repelido a los huecos de la región situada bajo la compuerta y ha atraído electrones que pueden fluir con facilidad en la dirección de polarización directa a través de la unión fuente-sustrato. Esta repulsión y atracción simultáneas producen un canal tipo n entre drenaje-fuente. Entonces al aumentar VDS, la corriente fluye hacia el drenaje a través del canal y de la fuente. Para pequeños valores de VDS la corriente es proporcional a esta y la corriente de drenaje es proporcional al exceso de tensión de la compuerta VGS-Vto.
Figura #5.10. Funcionamiento en la región óhmica
Para vGS >Vto, se introduce un canal de material de tipo n en la región que está bajo la compuerta. A medida que aumenta vGS, el canal se hace más grueso. Para valores pequeños de vGS, iD es proporcional a vDS. El dispositivo se comporta como una resistencia cuyo valor depende de vGS.
Ahora ¿qué sucede si VDS continúa aumentando?. A causa del flujo de corriente, la tensión entre los puntos del canal y la fuente se hace mayor a medida que nos desplazamos hacia el drenaje. La tensión entre la compuerta y el canal disminuye, con lo que resulta un afilamiento de la anchura del canal, como se muestra en la figura 5.11. A causa de ese afilamiento del canal, su resistencia se hace mayor al aumentar VDS, dando como resultado una menor tasa de crecimiento de iD. Para VDS<vgs-vto y vgs>=vto decimos que el dispositivo trabaja en la región óhmica corriente de drenaje está dada por: iD = k * [2 * (VGS - VTO) * VDS - VDS2]
donde:
y KP = mn * Cox (mn: movilidad superficial de los electrones, Cox:capacitancia de la compuerta por unidad de área)
Figura #5.11. A medida que aumenta vDS, el canal se estrecha en el extremo del drenador, e iD se incrementa con más lentitud. Por último, para vDS> vGS -Vto, iD permanece constante
Funcionamiento en la región de saturación A medida que aumenta la tensión VDS, la tensión compuerta drenaje disminuye, cuando VGD iguala al valor umbral Vto, la anchura del canal en el extremo del drenaje se hace cero. Para posteriores aumentos de VDS, iD es constante, tal como se muestra en la figura 5.11. A esto se le llama región de saturación, en la que tenemos VGS >= Vto y VDS >= VGS - Vto y la corriente viene dada por: iD = K * (VGS - Vto)2