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Amplificadores con transistores de efecto de campo

Enviado por wlozano



Indice
1. Ventajas y desventajas del FET
2. Tipos de FET
3. Operación y construcción del JFET
4. Variación de la tension compuerta a fuente en el FET
5. Operación y construcción del MOSFET
6. Polarización de los FET

1. Ventajas y desventajas del FET

Las ventajas del FET pueden resumirse como sigue:

  1. Son dispositivos sensibles a la tensión con alta impedancia de entrada (del orden de 107 W ). Como esta impedancia de entrada es considerablemente mayor que la de los BJT, se prefieren los FET a los BJT para la etapa de entrada de un amplificador multietapa.
  2. Los FET generan un nivel de ruido menor que los BJT.
  3. Los FET so más estables con la temperatura que los BJT.
  4. Los FET son, en general, más fáciles de fabricar que los BJT pues suelen requerir menos pasos de enmascaramiento y difusiones. Es posible fabricar un mayor número de dispositivos en un circuito integrado (es decir, puede obtener una densidad de empaque mayor).
  5. Los FET se comportan como resistores variables controlados por tensión para valores pequeños de tensión de drenaje a fuente.
  6. La alta impedancia de entrada de los FET les permite almacenar carga el tiempo suficiente para permitir su utilización como elementos de almacenamiento.
  7. Los FET de potencia pueden disipar una potencia mayor y conmutar corrientes grandes.

Existen varias desventajas que limitan la utilización de los FET en algunas aplicaciones:

  1. Los FET exhiben una respuesta en frecuencia pobre debido a la alta capacitancia de entrada.
  2. Algunos tipos de FET presentan una linealidad muy pobre.
  3. Los FET se pueden dañar al manejarlos debido a la electricidad estática.

2. Tipos de FET

Se consideran tres tipos principales de FET:

  1. FET de unión (JFET)
  2. FET metal óxido semiconductor de empobrecimiento (MOSFET de empobrecimiento)
  3. FET metal óxido semiconductor de eriquecimiento (MOSFET de enriquecimiento)

Con frecuencia el MOSFET se denomina FET de compuerta aislada (IGFET, insulated-gate FET).

3. Operación y construcción del JFET

Al igual que el BJT, el FET es un dispositivo de tres terminales, pero solo tiene una unión pn en vez de dos, como en el BJT. El JFET de canal n, mostrado en la figura 4.1(a), se construye utilizando una cinta de material de tipo n con dos materiales de tipo p difundidos en ella, uno en cada lado. El JFET de canal p tiene una cinta de material de tipo p con dos materiales de tipo n difundidos en ella, como se muestra en la figura 4.1(b).
Para entender la operación del JFET, se conecta el JFET de canal n de la figura 4.1(a) a un circuito externo. Se aplica una fuente de tensión, VDD, al drenaje (esta es analoga a la fuente de tension VCC para el BJT) y se envía a tierra. Una fuente de tensión de compuerta, VGG, se aplica a la compuerta (aquella es analoga a la VBB para el BJT). Esta configuración se muestra en la figura 4.2(a). VDD proporciona una tensión drenaje a fuente, vDS, que provoca una corriente de drenaje, iD, del drenaje a la fuente. La corriente de drenaje, iD, que es identica a la corriente de fuente, existe en el canal rodeado por la compuerta de tipo p. La tensión compuerta a fuente, vGS, que es igual a –VGG crea una region desertica en el canal, que reduce el ancho de este y por tanto aumenta la resistencia entre drenaje y fuente. Como la unión compuerta –fuente esta polarizada en inverso, el resultado es una corriente de compuerta nula.

4. Variación de la tension compuerta a fuente en el FET

El Fet es un dispositivo controlado por tensión y se controla mediante vGS. En la figura 4.4 se muestran las curvas caracteristicas iD-vDS tanto para un JFET de canal n como para uno de canal p. Antes de analizar estas curvas, tomese nota de los simbolos para los JFET de canal n y de canal p, que también se muestran en la figura 4.4. Estos simbolos son iguales excepto por la dirección de la flecha.
Conforme se incrementa vGS (más negativo para un canal n y más positivo para un canal p) se forma la region desertica y se cierra para un valor menor que iD. Por tanto, para el JFET de canal n de la figura 4.4(a), la iD maxima se reduce desde IDSS conforme vGS se hace más negativo. Si vGS disminuye aun más (más negativo), se alcanza un valor de vGS, después del cual iD será cero sin importar el valor de vDS. Este valor de vGS se denomina VGSOFF, o tensión de estrangulamiento (VP). El valor de VP es negativo para un JFET de canal n y positivo para un JFET de canal p.

Características de transferencia del JFET
De gran valor en el diseño con JFET es la característica de transferencia, que es una gráfica de la corriente de drenaje, iD, como función de la tensión compuerta a fuente, vGS, por encima del estrangulamiento.
Un método util de determinar la característica de transferencia es con ayuda de la siguiente relación (ecuación de Shockley):

(4.1)

Por tanto, solo se necesita conocer IDSS y VP, y toda la característica quedara determinada. Las hojas de datos de los fabricantes a menudo dan estos dos parámetros, por la que se puede construir la característica de transferencia o utilizar la ecuación 4.1 directamente. El parámetro de control para el FET es la tensión compuerta-fuente en lugar de la corriente de base, como en el BJT.
La región entre el estrangulamiento y la ruptura por avalancha se denomina región activa, región de operación del amplificador, región de saturación o región de estrangulamiento, como se muestra en la figura 4.5. La región ohmica (antes del estrangulamiento) a veces se denomina región controlada por tensión. El FET opera en esta región cuando se desea un resistor variable y en aplicaciones de conmutación.
La tensión de ruptura es función de vGS así como de vDS. Conforme aumenta la magnitud entre compuerta y fuente (más negativa para el canal n y más positiva para el canal p), disminuye la tensión por ruptura. Con vGS = VP, la corriente de drenaje es cero (excepto por una pequeña corriente de fuga), y con vGS = 0, la corriente de drenaje se satura a un valor

iD = IDSS

donde IDSS es la corriente de saturación drenaje a fuente.

Circuito equivalente, gm y rDS
Para obtener una medida de la amplificación posible con un JFET, se introduce el parametro gm, que es la transconductancia en directo. Este parametro es similar a la ganancia en corriente (o hfe) para un BJT. El valor de gm, que se mide en siemens (S), es una medida del cambio en la corriente de drenaje para un cambio en la tensión compuerta-fuente. Esto se puede expresar como

(4.2)

Se puede encontrar la transconductancia diferenciando la ecuación (4.1), lo que da como resultado

(4.3)

La resistencia dinamica en inverso, rDS, se define como el inverso de la pendiente de la curba iD-vDS en la región de saturación:

(4.7)

El desempeño de un JFET esta especificado por lo valores de gm y rDS. Estos parametros se determinan ahora para un JFET de canal n utilizando la curva caracteristica de la figura 4.7. Si las curvas caracteristicas para el FET no estan disponibles, gm y vGS se pueden obtener matematicamente, siempre que se conozcan IDSS y VP. Por lo general, estos dos parametros se incluyen enlas especificaciones del fabricante. Se puede seleccionar una corriente de drenaje estatica, IDQ, que se halle entre 0.3 y 0.7 veces IDSS, lo cual ubica el punto Q en la región más lineal de las curvas cracteristicas.

5. Operación y construcción del MOSFET

En esta sección, se considera el FET de metal –óxido semiconductor (MOSFET). Este FET se construye con la terminal de compuerta aislada del canal con el dielectrico dióxido de silicio (SiO2), y ya sea en modo de empobrecimiento o bien de enriquecimiento. Estos dos tipos se definen y consideran en las siguientes secciones.

MOSFET de empobrecimiento
Las construcciones de los MOSFET de empobrecimiento de canal n y de canal p se muestran en las figuras 4.9 y 4.10, respectivamente. En cada una de estas figuras se muestra la construcción, el simbolo, la caracteristica de transferencia y las caracteristicas iD-vGS. El MOSFET de empobrecimiento se construye (como se muestra en la figura 4.9(a) para el de canal n y en la figura 4.10(a) para el de canal p) con un canal fisico construido entre el drenaje y la fuente. Como resultado de ello, existe una iD entre drenaje y fuente cuando se aplica una tension, vDS.
El MOSFET de empobrecimiento de canal n de la figura 4.9 se establece en un sustrato p, que es silicio contaminado de tipo p. Las regiones contaminadas de tipo n de la fuente y el drenaje forman conexiones de baja resistencia entre los extremos del canal n y los contactos de aluminio de la fuente (S) y el drenaje (D). Se hace crecer una capa de SiO2, que es un aislante, en la parte superior del canal n, como se muestra en la figura 4.9(a). Se deposita una capa de aluminio sobre el aislante de SiO2 para formar el material de compuerta (G). El desempeño del MOSFET de empobrecimiento, es similar al del JFET, como puede verse en las figuras 4.9(C) y 4.10(C). El JFET se controla por la unión pn entre la compuerta y el extremo de drenaje del canal. No existe dicha unión en el MOSFET enriquecimiento, y la capa de SiO2 actúa como aislante. Para el MOSFET de canal n, mostrado en la figura 4.9, una vGS negativa saca los electrones de la región del canal, empobreciéndolo. Cuando vGS alcanza VP, el canal se estrangula. Los valores positivos de vGS aumentan el tamaño del canal, dando por resultado un aumento en la corriente de drenaje. Esto se indica en las curvas caracteristicas de la figura 4.9(C).

MOSFET de enriquecimiento
El MOSFET de enriquecimiento difiere del MOSFET de empobrecimiento en que no tiene la capa delgada de material n sino que requiere de una tension positiva entre la compuerta y la fuente para establecer un canal. Este canal se forma por la acción de una tension positiva compuerta a fuente, vGS, que atrae electrones de la región de sustrato ubicada entre el drenaje y la compuerta contaminados de tipo n. Una vGS positiva provoca que los electrones se acumulen en la superficie inferior de la capa de oxido. Cuando la tensión alcanza el valor de umbral, VT, han sido atraidos a esta región los electrones suficientes para que se comporte como canal n conductor. No habra una corriente apreciable iD hasta que vGS excede VT.

La corriente de drenaje en saturación se puede calcular de la ecuación

(4.10)

6. Polarización de los FET

Los mismos circuitos básicos de la figura 3.6 que se utilizan para polarizar los BJT se pueden emplear para los JFET y los MOSFET de empobrecimiento, la polaridad de vGS puede ser opuesta a la de la fuente de tension del drenaje. Cuando se selecciona el punto de operación, no hay tensión de polaridad opuesta disponible de la fuente para cumplir con los requerimientos del circuito. Puede ser necesario descartar R2 de manera que solo se obtenga una tensión de la polaridad correcta. No siempre es posible encontrar valores de un resistor para lograr un punto Q en particular. En tales casos, seleccionar un nuevo punto Q puede proporcionar a veces una solución al problema.

Análisis de un amplificador FC
En la figura 4.13© se muestra el circuito equivalente en ca para el amplificador FET. Se supone que rDS es grane comparada con RDllRL, por lo que se puede despreciar. Escribiendo la ecuación de LTK alrededor del circuito de compuerta, se encuentra

Resolviendo para vgs, se obtiene

La tensión de salida, v0, esta dada por

La ganancia de tension, Av, es

La resistencia de entrada y la ganancia de corriente estan dadas por

 

 

Autor:


Alberto Guillermo Lozano Romero


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