Cómo funciona un FET - Electrónica 1 - Clase 12

Transistores de Efecto de Campo: Introducción y Tipos

Introducción a los Transistores de Efecto de Campo

• En esta clase se abordarán los transistores de efecto de campo, con el objetivo de conocer esta familia y su análisis.

• La idea inicial de construir un dispositivo sólido a partir de semiconductores data desde 1945, pero el primer transistor funcional fue creado tres años después.

Desarrollo Histórico

• En 1960, los laboratorios Bell desarrollaron un nuevo diseño basado en teorías originales sobre transistores de efecto de campo.

• Los dispositivos son controlados por un campo eléctrico en lugar de la inyección directa de electrones, lo que define su funcionamiento.

Características Clave

• Se distinguen dos tipos principales: transistores con puerta aislada (MOSFET) y con puerta de unión (JFET).

• Los JFET utilizan silicio dopado inversamente para formar la interfase entre la puerta y el canal.

Tipos y Subgrupos dentro del FET

Clasificación Detallada

• Dentro del MOSFET hay subgrupos como los transistores enriquecidos y los deflectivos, que se dividen en canal N y P.

• Los JFET también se clasifican según el tipo del canal: N o P, afectando su simbología.

Estructura Interna

• La estructura interna del JFET es similar a una barra rodeada por material polarizado inversamente.

• Este tipo requiere que la puerta esté polarizada inversamente para evitar la circulación directa por el canal.

Funcionamiento del Canal en Condiciones Variadas

Comportamiento Eléctrico

• Cuando no hay tensión entre gate y source, no fluye corriente; al aplicar una pequeña tensión positiva, comienza a fluir corriente.

• A medida que aumenta la tensión entre drain y source, el canal actúa como resistencia hasta cierto punto lineal.

Saturación del Canal

• Al aumentar aún más la tensión entre drain y source, se llega a una región donde el canal se satura.

Comportamiento del Canal en Transistores

Funcionamiento del Canal y Corriente

• Los electrones fluyen desde el sur al drenaje, estableciendo una corriente entre los terminales. El canal actúa como una resistencia hasta alcanzar la región de saturación, donde la corriente se mantiene constante a pesar de un aumento en la tensión.

• Al aplicar un potencial negativo entre la puerta y el sur, se invierte la polarización de la juntura, aumentando la carga espacial y estrechando el canal. Esto incrementa la resistencia del canal y disminuye la corriente.

• Si se aplica un potencial inverso suficientemente grande entre puerta y sur, se puede cubrir completamente el canal con carga espacial. La tensión que produce esta condición se llama tensión de contracción o "pincho off".

Características de Transferencia

• En condiciones de "pincho off", no hay portadores libres en el canal, resultando en una corriente igual a cero. Se pueden obtener características de transferencia que relacionan la corriente en el canal con la tensión aplicada.

• Para determinar las características del dispositivo, es crucial observar dos valores:

• La corriente cuando la tensión entre puerta y sur es cero.

• La tensión a la cual el canal se cierra completamente (tensión de pincho).

Ecuaciones y Conductancia

• La relación entre corriente y tensión está definida por una ecuación cuadrática que solo tiene sentido físico en ciertas zonas. Se puede linealizar para analizar puntos específicos del transistor.

• La conductancia g_m , derivada de esta ecuación, es constante para un punto específico de operación del transistor. Esto indica que las curvas no son perfectamente paralelas al eje V_DS , sugiriendo cierta resistencia de salida.

Polarización Fija

• Se discute cómo polarizar un transistor mediante una polarización fija utilizando una tensión negativa. Se traza una recta de carga basada en las tensiones involucradas.

• Si V_DS = 0 , entonces circula máxima corriente I_D = V_DD/R_D . Cualquier punto operativo debe estar dentro de esta recta.

Modificaciones Circuitales

• Otra configuración implica conectar directamente el gate a tierra con una resistencia en serie. Dado que no hay corriente por el gate, su caída será nula.

• A medida que circula corriente a través del transistor, ocurre una caída positiva en resistencia R_S , lo que polariza negativamente al gate respecto al sur.

Análisis de Circuitos y Transistores

Ecuaciones y Polarización

• Se discute la ecuación que relaciona dos puntos: el punto de operación q y la intersección de la recta con otra parte de la curva, que no se muestra pero carece de sentido físico.

• La tensión en el gate respecto a tierra no es nula; depende del divisor R1 y R2 . Se analiza cómo recorrer la malla para determinar las tensiones involucradas.

• Al recorrer la malla, se establece que V_gs = V_12 - I_d cdot R_s , permitiendo despejar valores para trazar una recta en el gráfico.

• Se obtiene que la corriente I_d = fracV_12R_s , lo cual permite identificar dos puntos importantes en el trazado: uno donde I_d = 0 .

• La ecuación satisface dos valores, uno correspondiente al cruce con la curva característica y otro sin sentido físico. Es crucial mantener solo los valores relevantes.

Amplificación y Circuito Equivalente

• Para analizar un transistor como amplificador, se bloquea la realimentación con un capacitor C_s . El circuito equivalente se presenta como abierto debido a una juntura polarizada inversamente.

• El valor de transconductancia ( g_m ) se determina para un punto específico del funcionamiento del transistor, influyendo en el análisis posterior.

• En este circuito equivalente, tanto entrada como salida son circuitos abiertos. Se considera un generador de corriente g_m .

• Para calcular ganancia, se relaciona la tensión de salida con la tensión de entrada. La ganancia resulta ser proporcional a los receptores en paralelo dentro del circuito.

• La resistencia de entrada del amplificador es identificada como el paralelo entre R1 y R2, mientras que la resistencia de salida involucra componentes similares.

Comparativa entre Transistores Canal N y P

• Si cambiamos a un transistor canal P, las curvas son similares pero las tensiones tienen sentido opuesto; ahora hay tensiones positivas donde antes había negativas.

• En este contexto, se identifica también cómo cambia el comportamiento bajo polarización inversa; las corrientes ahora tienen sentido negativo.

• Las diferencias clave incluyen cómo cada tipo controla su corriente mediante tensiones o corrientes según su diseño estructural.

• Un resumen destaca que en transistores canal N hay control por tensión mientras que en bipolares era por corriente. Esto afecta cómo funcionan bajo diferentes condiciones operativas.

• En transistores canal P, el drenaje queda conectado a una tensión positiva mientras que otros elementos cambian su conexión respecto al canal N.

Comportamiento Bajo Diferentes Condiciones