6.2: IGFET de tipo agotamiento

Los transistores de efecto campo de puerta aislada son dispositivos unipolares al igual que los JFET: es decir, la corriente controlada no tiene que cruzar una unión PN. Hay una unión PN dentro del transistor, pero su único propósito es proporcionar esa región de agotamiento no conductora que se usa para restringir la corriente a través del canal.

Aquí hay un diagrama de un IGFET de canal N del tipo “agotamiento”:

Observe cómo los cables de fuente y drenaje se conectan a cualquiera de los extremos del canal N, y cómo el cable de la puerta se une a una placa de metal separada del canal por una delgada barrera aislante. Esa barrera a veces está hecha de dióxido de silicio (el compuesto químico primario que se encuentra en la arena), que es un muy buen aislante. Debido a esta construcción M etal (puerta) - O xide (barrera) - S emiconductor (canal), el IGFET a veces se denomina MOSFET. Hay otros tipos de construcción IGFET, sin embargo, y así “IGFET” es el mejor descriptor para esta clase general de transistores.

Observe también cómo hay cuatro conexiones al IGFET. En la práctica, el conductor del sustrato se conecta directamente al cable fuente para hacer que los dos sean eléctricamente comunes. Por lo general, esta conexión se realiza internamente al IGFET, eliminando la conexión de sustrato separado, dando como resultado un dispositivo de tres terminales con un símbolo esquemático ligeramente diferente:

Con fuente y sustrato comunes entre sí, las capas N y P del IGFET terminan estando conectadas directamente entre sí a través del cable exterior. Esta conexión evita que se imprima cualquier voltaje a través de la unión PN. Como resultado, existe una región de agotamiento entre los dos materiales, pero nunca se puede expandir o colapsar. La operación de JFET se basa en la expansión de la región de agotamiento de la unión PN, pero aquí en el IGFET eso no puede suceder, por lo que la operación del IGFET debe basarse en un efecto diferente.

De hecho lo es, porque cuando se aplica un voltaje de control entre la puerta y la fuente, la conductividad del canal se cambia como resultado de que la región de agotamiento se acerca o más lejos de la puerta. En otras palabras, el ancho efectivo del canal cambia al igual que con el JFET, pero este cambio en el ancho del canal se debe al desplazamiento de la región de agotamiento más que a la expansión de la región de agotamiento.

En un IGFET de canal N, un voltaje controlador aplicado positivo (+) a la puerta y negativo (-) a la fuente tiene el efecto de repeler la región de agotamiento de la unión PN, expandiendo el canal tipo N y aumentando la conductividad:

Invertir la polaridad del voltaje controlador tiene el efecto contrario, atrayendo la región de agotamiento y estrechando el canal, reduciendo consecuentemente la conductividad del canal:

La puerta aislada permite controlar voltajes de cualquier polaridad sin peligro de polarización directa de una unión, como era la preocupación con los JFET. Este tipo de IGFET, aunque se llama un “tipo de agotamiento”, en realidad tiene la capacidad de tener su canal ya sea agotado (canal estrechado) o mejorado (canal expandido). La polaridad del voltaje de entrada determina en qué dirección se verá influenciado el canal.

Comprender qué polaridad tiene qué efecto no es tan difícil como puede parecer. La clave es considerar el tipo de dopaje de semiconductores que se utiliza en el canal (¿canal N o canal P?) , luego relacionar ese tipo de dopaje con el lado de la fuente de voltaje de entrada conectada al canal por medio del cable de fuente. Si el IGFET es un canal N y el voltaje de entrada está conectado de manera que el lado positivo (+) esté en la puerta mientras que el lado negativo (-) está en la fuente, el canal se mejorará a medida que se acumulen electrones adicionales en el lado del canal de la barrera dieléctrica. Piensa, “negativo (-) se correlaciona con el tipo N, mejorando así el canal con el tipo correcto de portador de carga (electrones) y haciéndolo más conductor”. Por el contrario, si el voltaje de entrada está conectado a un IGFET de canal N de otra manera, de manera que negativo (-) se conecta a la puerta mientras positivo (+) se conecta a la fuente, los electrones libres serán “robados” del canal a medida que se carga el condensador de puerta-canal, agotando así el canal de portadores de carga mayoritarios y haciéndola menos conductora.

Para IGFET de canal P, la polaridad del voltaje de entrada y los efectos de canal siguen la misma regla. Es decir, se necesita solo la polaridad opuesta como un IGFET de canal N para agotar o mejorar:

Ilustrando las polaridades de polarización adecuadas con símbolos IGFET estándar:

Cuando hay cero voltaje aplicado entre la puerta y la fuente, el IGFET conducirá corriente entre la fuente y el drenaje, pero no tanta corriente como lo haría si fuera mejorado por el voltaje de puerta adecuado. Esto coloca al IGFET de tipo agotamiento, o simplemente tipo D, en una categoría propia en el mundo de los transistores. Los transistores de unión bipolar son dispositivos normalmente apagados: sin corriente base, bloquean cualquier corriente para que no pase por el colector. Los transistores de efecto de campo de unión son dispositivos normalmente encendidos: con cero voltaje de puerta a fuente aplicado, permiten una corriente de drenaje máxima (en realidad, puede inducir un JFET en mayores corrientes de drenaje aplicando un voltaje de polarización directa muy pequeño entre la puerta y la fuente, pero esto nunca debe hacerse en práctica por riesgo de dañar su frágil unión PN). Sin embargo, los IGFET de tipo D son normalmente dispositivos de medio encendido: sin voltaje de puerta a fuente, su nivel de conducción está en algún lugar entre el corte y la saturación completa. Además, tolerarán voltajes puerta-fuente aplicados de cualquier polaridad, siendo la unión PN inmune al daño debido a la barrera aislante y especialmente a la conexión directa entre fuente y sustrato evitando cualquier diferencial de voltaje a través de la unión.

Irónicamente, el comportamiento de conducción de un IGFET tipo D es sorprendentemente similar al de un tubo de electrones de la variedad triodo/tetrode/pentodo. Estos dispositivos eran reguladores de corriente controlados por voltaje que de igual manera permitían la corriente a través de ellos con voltaje de control cero aplicado. Un voltaje de control de una polaridad (negativo de rejilla y positivo de cátodo) disminuiría la conductividad a través del tubo mientras que un voltaje de la otra polaridad (positivo de rejilla y negativo de cátodo) mejoraría la conductividad. Me parece curioso que uno de los diseños de transistores posteriores inventados exhiba las mismas propiedades básicas del primer dispositivo activo (electrónico).

Algunos análisis SPICE demostrarán el comportamiento regulador de corriente de IGFET tipo D. Primero, una prueba con voltaje de entrada cero (puerta cortocircuitada a fuente) y la fuente de alimentación barrió de 0 a 50 voltios. La gráfica muestra la corriente de drenaje:

Como se esperaba para cualquier transistor, la corriente controlada se mantiene estable a un valor regulado en una amplia gama de voltajes de fuente de alimentación. En este caso, ese punto regulado es de 10 µA (1.000E-05). Ahora veamos qué sucede cuando aplicamos un voltaje negativo a la puerta (con referencia a la fuente) y barremos la fuente de alimentación en el mismo rango de 0 a 50 voltios:

No es sorprendente que la corriente de drenaje ahora esté regulada a un valor más bajo de 2.5 µA (por debajo de 10 µA con voltaje de entrada cero). Ahora vamos a aplicar un voltaje de entrada de la otra polaridad, para mejorar el IGFET:

Con el transistor mejorado por el pequeño voltaje de control, la corriente de drenaje se encuentra ahora en un valor aumentado de 22.5 µA (2.250E-05). Debe ser evidente a partir de estos tres conjuntos de cifras de voltaje y corriente que la relación entre la corriente de drenaje y la tensión puerta-fuente no es lineal tal como lo fue con el JFET. Con 1/2 voltios de voltaje de agotamiento, la corriente de drenaje es de 2.5 µA; con la entrada de 0 voltios la corriente de drenaje sube a 10 µA; y con 1/2 voltios de voltaje de mejora, la corriente está en 22.5 µA. Para obtener una mejor comprensión de esta no linealidad, podemos usar SPICE para trazar la corriente de drenaje en un rango de valores de voltaje de entrada, barriendo de una cifra negativa (agotadora) a una cifra positiva (potenciadora), manteniendo la tensión de alimentación de V ₁ a un valor constante:

Así como lo fue con los JFET, esta no linealidad inherente del IGFET tiene el potencial de causar distorsión en un circuito amplificador, ya que la señal de entrada no se reproducirá con una precisión del 100 por ciento en la salida. También observe que un voltaje puerta-fuente de aproximadamente 1 voltio en la dirección de agotamiento es capaz de pellizcar el canal para que prácticamente no haya corriente de drenaje. Los IGFET tipo D, como los JFET, tienen una cierta clasificación de voltaje de pellizco. Esta clasificación varía con la precisión única del transistor, y puede que no sea la misma que en nuestra simulación aquí.

Trazando un conjunto de curvas características para el IGFET, vemos un patrón no diferente al del JFET: