Transistores de efecto de campo de unión

El transistor de efecto de campo fue propuesto por Julius Lilienfeld en patentes estadounidenses en 1926 y 1933 (1.900.018). Además, Shockley, Brattain y Bardeen estaban investigando el transistor de efecto de campo en 1947. Sin embargo, las dificultades extremas los desviaron para inventar el transistor bipolar. La teoría del transistor de efecto de campo de Shockley se publicó en 1952. Sin embargo, la tecnología de procesamiento de materiales no fue lo suficientemente madura hasta 1960 cuando John Atalla produjo un dispositivo que funcionaba.

Un transistor de efecto de campo (FET) es un unipolar dispositivo, que conduce una corriente utilizando solo un tipo de portador de carga. Si se basa en una placa de semiconductor tipo N, los portadores son electrones. Por el contrario, un dispositivo basado en tipo P usa solo agujeros.

Operación FET

A nivel de circuito, la operación del transistor de efecto de campo es simple. Un voltaje aplicado a la puerta , elemento de entrada, controla la resistencia del canal , la región unipolar entre las regiones de la puerta. (Figura siguiente) En un dispositivo de canal N, esta es una losa de silicio tipo N ligeramente dopada con terminales en los extremos. La fuente y escurrir Los terminales son análogos al emisor y al colector, respectivamente, de un BJT. En un dispositivo de canal N, una región pesada de tipo P a ambos lados del centro de la losa sirve como electrodo de control, la puerta. La puerta es análoga a la base de un BJT.

“La limpieza está al lado de la piedad” se aplica a la fabricación de transistores de efecto de campo. Aunque es posible fabricar transistores bipolares fuera de una sala limpia , es una necesidad para los transistores de efecto de campo. Incluso en un entorno así, la fabricación es complicada debido a problemas de control de la contaminación. El transistor de efecto de campo unipolar es conceptualmente simple, pero difícil de fabricar. La mayoría de los transistores actuales son una variedad de semiconductores de óxido metálico (sección posterior) del transistor de efecto de campo contenido en los circuitos integrados. Sin embargo, se encuentran disponibles dispositivos JFET discretos.

Sección transversal del transistor de efecto de campo de unión.

En la Figura anterior se muestra un transistor de efecto de campo de unión (JFET) de canal N correctamente polarizado. La puerta constituye una unión de diodos a la fuente para drenar la losa semiconductora. La puerta tiene polarización inversa. Si se aplicara un voltaje (o un ohmímetro) entre la fuente y el drenaje, la barra tipo N conduciría en cualquier dirección debido al dopaje. No se requiere polarización de puerta ni de puerta para la conducción. Si se forma una unión de puerta como se muestra, la conducción se puede controlar por el grado de polarización inversa.

La figura siguiente (a) muestra la región de agotamiento en la unión de la puerta. Esto se debe a la difusión de los orificios desde la región de la puerta de tipo P al canal de tipo N, lo que da la separación de carga alrededor de la unión, con una región de agotamiento no conductora en la unión. La región de agotamiento se extiende más profundamente en el lado del canal debido al dopaje pesado de la puerta y al dopaje ligero del canal.

JFET de canal N:(a) Agotamiento en el diodo de puerta. (b) El diodo de puerta con polarización inversa aumenta la región de agotamiento. (c) El aumento del sesgo inverso agranda la región de agotamiento. (d) El aumento de la polarización inversa reduce el canal S-D.

El grosor de la región de agotamiento puede aumentarse según la Figura anterior (b) aplicando un sesgo inverso moderado. Esto aumenta la resistencia de la fuente al canal de drenaje al estrechar el canal. El aumento de la polarización inversa en (c) aumenta la región de agotamiento, disminuye el ancho del canal y aumenta la resistencia del canal. Aumentar el VGS de polarización inversa en (d) reducirá la corriente del canal. La resistencia del canal será muy alta. Este VGS en el que se produce el pinch-off es VP, el voltaje de pinch-off. Suele ser de unos pocos voltios. En resumen, la resistencia del canal se puede controlar mediante el grado de polarización inversa en la puerta.

La fuente y el drenaje son intercambiables, y la fuente para drenar la corriente puede fluir en cualquier dirección para un voltaje de batería de drenaje de bajo nivel (<0,6 V). Es decir, la batería descargada se puede reemplazar por una fuente de CA de bajo voltaje. Para un voltaje de suministro de energía de alto consumo, hasta decenas de voltios para dispositivos de señal pequeña, la polaridad debe ser como se indica en la Figura siguiente (a). Esta fuente de alimentación de drenaje, que no se muestra en las figuras anteriores, distorsiona la región de agotamiento, agrandándola en el lado de drenaje de la compuerta. Esta es una representación más correcta para los voltajes de suministro de drenaje de CC comunes, desde unos pocos hasta decenas de voltios. A medida que aumenta el voltaje de drenaje VDS, la región de agotamiento de la puerta se expande hacia el drenaje. Esto aumenta la longitud del canal estrecho, aumentando un poco su resistencia. Decimos "un poco" porque los grandes cambios de resistencia se deben al cambio de polarización de la puerta. La figura siguiente (b) muestra el símbolo esquemático de un transistor de efecto de campo de canal N en comparación con la sección transversal de silicio en (a). La flecha de la puerta apunta en la misma dirección que un diodo de unión.

La flecha "apuntando" y la barra "no apuntando" corresponden a semiconductores de tipo P y N, respectivamente.

Flujo de corriente JFET de canal N desde el drenaje a la fuente en (a) sección transversal, (b) símbolo esquemático.

La figura anterior muestra un gran flujo de corriente desde el terminal (+) de la batería hasta el drenaje del FET, sale de la fuente y regresa al terminal (-) de la batería. Este flujo de corriente puede controlarse variando el voltaje de la puerta. Una carga en serie con la batería ve una versión amplificada del voltaje cambiante de la puerta.

También se encuentran disponibles transistores de efecto de campo de canal P. El canal está hecho de material tipo P. La puerta es una región de tipo N muy dopada. Todas las fuentes de voltaje están invertidas en el circuito de canal P (Figura siguiente) en comparación con el dispositivo de canal N más popular. También tenga en cuenta que la flecha apunta hacia afuera de la puerta del símbolo esquemático (b) del transistor de efecto de campo del canal P.

JFET de canal P:(a) Puerta tipo N, canal tipo P, fuentes de voltaje inverso en comparación con el dispositivo de canal N. (b) Observe la flecha de la puerta invertida y las fuentes de voltaje en el esquema.

A medida que aumenta el voltaje de polarización de la puerta positiva, aumenta la resistencia del canal P, disminuyendo el flujo de corriente en el circuito de drenaje.

Los dispositivos discretos se fabrican con la sección transversal que se muestra en la Figura siguiente. La sección transversal, orientada de modo que corresponda al símbolo esquemático, está invertida con respecto a una oblea semiconductora. Es decir, las conexiones de la puerta están en la parte superior de la oblea. La compuerta está fuertemente dopada, P +, para difundir bien los agujeros en el canal para una gran región de agotamiento. Las conexiones de fuente y drenaje en este dispositivo de canal N están muy dopadas, N + para reducir la resistencia de la conexión. Sin embargo, el canal que rodea la puerta está ligeramente dopado para permitir que los agujeros de la puerta se difundan profundamente en el canal. Esa es la región N.

Transistor de efecto de campo de unión:(a) sección transversal del dispositivo discreto, (b) símbolo esquemático, (c) sección transversal del dispositivo de circuito integrado.

Los tres terminales FET están disponibles en la parte superior de la matriz para la versión de circuito integrado para que una capa de metalización (no mostrada) pueda interconectar múltiples componentes. (Figura anterior (c)) Los FET de circuito integrado se utilizan en circuitos analógicos para la resistencia de entrada de puerta alta. La región del canal N debajo de la puerta debe ser muy delgada para que la región intrínseca alrededor de la puerta pueda controlar y pellizcar el canal. Por lo tanto, las regiones de puerta en ambos lados del canal no son necesarias.

SENTAR

Transistor de efecto de campo de unión (tipo de inducción estática):(a) Sección transversal, (b) símbolo esquemático.

El transistor de efecto de campo de inducción estática (SIT) es un dispositivo de canal corto con una puerta enterrada. (Figura anterior) Es un dispositivo de potencia, a diferencia de un pequeño dispositivo de señal. La baja resistencia de la puerta y la baja capacidad de la puerta a la fuente hacen que el dispositivo de conmutación sea rápido. El SIT tiene capacidad para cientos de amperios y miles de voltios. Y se dice que es capaz de alcanzar una frecuencia increíble de 10 GHz.

Transistor de efecto de campo semiconductor metálico (MESFET):(a) símbolo esquemático, (b) sección transversal.

MESFET

El Transistor de efecto de campo semiconductor metálico (MESFET) es similar a un JFET excepto que la puerta es un diodo Schottky en lugar de un diodo de unión. Un diodo Schottky es un contacto rectificador de metal a un semiconductor en comparación con un contacto óhmico más común. En la Figura anterior, la fuente y el drenaje están muy dopados (N +). El canal está ligeramente dopado (N-). Los MESFET son de mayor velocidad que los JFET. El MESFET es un dispositivo en modo de agotamiento, normalmente encendido, como un JFET. Se utilizan como amplificadores de potencia de microondas a 30 GHz. Los MESFET se pueden fabricar a partir de silicio, arseniuro de galio, fosfuro de indio, carburo de silicio y el diamante alótropo del carbono.

REVISAR:

• El transistor de efecto de campo de unión unipolar (FET o JFET) se llama así porque la conducción en el canal se debe a un tipo de portadora
• La fuente, la puerta y el drenaje JFET corresponden al emisor, la base y el colector del BJT, respectivamente.
• La aplicación de polarización inversa a la puerta varía la resistencia del canal al expandir la región de agotamiento del diodo de la puerta.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de transistores de efecto de campo de unión (JFET)