2.9: Transistores de efecto de campo de unión

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

A nivel de circuito, el funcionamiento 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 puerta. (Figura abajo) En un dispositivo de canal N, se trata de una losa de silicio tipo N ligeramente dopada con terminales en los extremos. Los terminales de fuente y drenaje son análogos al emisor y colector, respectivamente, de un BJT. En un dispositivo de canal N, una región pesada tipo P en 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 piadería” se aplica a la fabricación de transistores de efecto de campo. Aunque es posible hacer transistores bipolares fuera de una sala limpia, es una necesidad para los transistores de efecto de campo. Incluso en ese entorno, la fabricación es complicada debido a problemas de control de 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 dentro de los circuitos integrados. Sin embargo, hay disponibles dispositivos JFET discretos.

Sección transversal del transistor de efecto campo de unión.

Un transistor de efecto de campo de unión de canal N (JFET) correctamente polarizado se muestra en la figura anterior. La puerta constituye una unión de diodo a la fuente para drenar la losa semiconductora. La puerta está polarizada a la inversa. Si se aplicara un voltaje (o un ohmímetro) entre la fuente y el drenaje, la barra de tipo N conduciría en cualquier dirección debido al dopaje. No se requiere polarización de puerta ni 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 a continuación (a) muestra la región de agotamiento en el cruce de puertas. Esto se debe a la difusión de agujeros desde la región de puerta tipo P hacia el canal tipo N, dando 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 puerta y al dopaje de canal de luz.

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

El grosor de la región de agotamiento se puede incrementar Figura arriba (b) aplicando sesgo inverso moderado. Esto aumenta la resistencia de la fuente al canal de drenaje al estrechar el canal. Aumentar el sesgo inverso en (c) aumenta la región de agotamiento, disminuye el ancho del canal y aumenta la resistencia del canal. El aumento de la polarización inversa V _GS en (d) pellizcará la corriente del canal. La resistencia del canal será muy alta. Este V _GS en el que ocurre el pellizco es V _P, el voltaje de pinch-off. Por lo general, es de unos pocos voltios. En suma, la resistencia del canal se puede controlar por 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 bajo nivel de drenaje (< 0.6 V). Es decir, la batería de drenaje puede ser reemplazada por una fuente de CA de bajo voltaje. Para un voltaje de fuente de alimentación de alto drenaje, a 10's de voltios para dispositivos de señal pequeños, la polaridad debe ser como se indica en la Figura a continuación (a). Esta fuente de alimentación de drenaje, no mostrada en 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 comunes de alimentación de drenaje de CC, de unos pocos a decenas de voltios. A medida que el voltaje de drenaje V _DS aumentó, 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 sesgo de la puerta. La figura siguiente (b) muestra el símbolo esquemático para un transistor de efecto de campo de canal N comparado con la sección transversal de silicio en (a). La flecha de puerta apunta en la misma dirección que un diodo de unión. La flecha “señaladora” y la barra “no señaladora” corresponden a semiconductores de tipo P y N, respectivamente.

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

La figura anterior muestra un gran flujo de corriente electrónica desde el terminal de la batería (-), a la fuente FET, fuera del drenaje, volviendo 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 de la puerta cambiante.

Los transistores de efecto de campo de canal P también están disponibles. El canal está hecho de material tipo P. La puerta es una región de tipo N fuertemente dopada. Todas las fuentes de voltaje se invierten en el circuito de canal P (Figura a continuación) en comparación con el dispositivo de canal N más popular. También tenga en cuenta que la flecha apunta fuera de la puerta del símbolo esquemático (b) del transistor de efecto de campo de canal P.

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

A medida que aumenta el voltaje de polarización de puerta positiva, la resistencia del canal P aumenta, 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 manera que corresponde al símbolo esquemático, está al revés con respecto a una oblea semiconductora. Es decir, las conexiones de puerta están en la parte superior de la oblea. La puerta está fuertemente dopada, P ⁺, para difundir agujeros bien dentro del canal para una gran región de agotamiento. Las conexiones de fuente y drenaje en este dispositivo de canal N están fuertemente dopadas, N ⁺ para reducir la resistencia de 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 discreta del dispositivo, (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 de modo 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 alta resistencia de entrada de puerta.. 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 a ambos lados del canal no son necesarias.

Transistor de efecto de campo de unión (tipo 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 alimentación, a diferencia de un pequeño dispositivo de señal. La baja resistencia de la puerta y la baja capacitancia de la puerta a la fuente hacen que sea un dispositivo de conmutación rápida. El SIT es capaz de cientos de amperios y miles de voltios. Y, se dice que es capaz de una increíble frecuencia de 10 GHz.

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

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 con un semiconductor en comparación con un contacto óhmico más común. En la Figura anterior la fuente y el drenaje están fuertemente dopados (N ⁺). El canal está ligeramente dopado (N ^-). Los MESFET son de mayor velocidad que los JFET. El MESET es un dispositivo de 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 alótropo de diamante de 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 JFET, la compuerta y el drenaje corresponden al emisor, la base y el colector de BJT, respectivamente.
• La aplicación de polarización inversa a la puerta varía la resistencia del canal al expandir la región de agotamiento del diodo de puerta.