Los transistores de efecto de campo (en inglés Field Effect Transistor, FET) son dispositivos semiconductores similares a los transistores bipolares que ya vimos en un artículo anterior. En este artículo veremos una breve introducción describiendo su funcionamiento y principales características.
Funcionamiento
Los transistores bipolares (BJT) son dispositivos controlados por corriente (una corriente pequeña controla a una grande), mientras que los FET son dispositivos controlados por tensión, donde una tensión pequeña permite controlar una gran corriente.
Otra característica distintiva de los FET es que el circuito de entrada consume muy poca corriente, presentando una resistencia muy elevada, lo que los hace especialmente aptos para amplificar señales débiles y para ser empleados en circuitos de bajo consumo.
Además, los FET son mas pequeños que los transistores bipolares, lo que los hace ideales para ser incluidos en circuitos integrados.
Tipos de transistores FET
Existen dos tipos de transistores de efecto de campo, distintos en su estructura y funcionamiento:
- FET de juntura (Junction FET, JFET)
- FET de puerta aislada (Insulated Gate FET, IGFET) mas popularmente conocidos como MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor FET).
FET de juntura (JFET)
Un JFET está constituido por una pieza de material semiconductor denominada “canal” en cuyos extremos se ubican dos de los terminales del transistor llamados DRENADOR (D o DRAIN) y SURTIDOR (S o SOURCE).
El canal puede estar hecho de material P o N, lo que da lugar a dos variedades de JFET, el de canal N y el de canal P.
A cada lado del canal se forma otra zona de material semiconductor opuesto al del canal donde se ubica en tercer terminal denominado GATE (G). Si el canal es N, la GATE es P y viceversa.
Esto puede verse en la siguiente imagen junto a los símbolos que representan a cada tipo de transistor.
El canal del JFET permite el paso de corriente entre el SURTIDOR y el DRENADOR, pero la cantidad de corriente dependerá de la tensión aplicada a la GATE, que está siempre polarizada inversamente.
El efecto de la polarización inversa es equivalente a reducir el ancho del canal: cuanto mayor sea ésta, mas angosto el canal y menor será la corriente que circula entre Drenador y Surtidor, y al contrario, si la polarización inversa se reduce, el ancho efectivo del canal aumenta y aumenta también la corriente.
El efecto es como el de una resistencia DRENADOR-SURTIDOR que varía según la tensión aplicada a la GATE.
La polarización inversa de la GATE también explica el porqué de la alta resistencia de entrada del FET, a diferencia del transistor bipolar que presenta una unión PN polarizada en forma directa.
Modos de operación
Según los valores de tensión aplicados a Drenador, Surtidor y Gate, el JFET puede trabajar en tres modos de operación bien distinguibles:
Corte: Cuando la tensión de GATE es lo suficientemente alta como para cerrar completamente el canal, no circula corriente entre Drenador y Surtidor y el JFET equivale a un interruptor abierto.
Saturación: Si la tensión en la GATE es 0, no se afecta al ancho del canal que se comporta como un buen conductor, permitiendo la circulación de corriente máxima y comportándose como un interruptor cerrado.
Modo activo u óhmico: Cuando la tensión de GATE está entre los valores extremos anteriores, el JFET se comporta como una resistencia controlada por la tensión.
Cada modo de trabajo tiene su aplicación práctica. En un amplificador de audio, por ejemplo, el FET trabaja en el modo activo u óhmico, mientras que en aplicaciones de conmutación, cuando se controlan cargas que tienen sólo dos estados como “prendido” y “apagado”, el FET se lleva a la condición de saturación y corte respectivamente.
IGFET o MOSFET
Los transistores IGFET (Insolated Gate FET o FET de puerta aislada) también conocidos como MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET o FET de Metal Óxido Semiconductor) son una variedad de transistores de efecto de campo.
La estructura interna de un MOSFET puede verse en la FIg. 3. Puede apreciarse que se compone de un canal (de material P en este caso -color azul-) sobre el que se crean los terminales de Surtidor (S o Source) y Drenador (D o Drain) y que en el centro se ubica el terminal de Compuerta (G o Gate) que está aislado del canal por una capa fina de material aislante como óxido de silicio.
En la parte inferior se aprecia un cuarto terminal de Sustrato (SS) que habitualmente está unido al Surtidor.
Esta capa de aislante en la Compuerta le otorga al MOSFET una resistencia de entrada del orden de los Mega ohm, mas alta aún que en el caso de los JFET.
Esta resistencia tan elevada implica que prácticamente no circula corriente por la puerta, haciendo que el MOSFET se comporte como una resistencia variable donde la corriente entre Drenador y Surtidor es controlada por la tensión de puerta.
Tipos de MOSFET
Como en el caso de los JFET, los MOSFET tienen tres terminales denominados Gate (Puerta), Drain (Drenador) y Source (Surtidor) (como ya dije el sustrato está usualmente unido al Surtidor)
También se pueden construir con el canal P o N pero con el añadido de que existen dos variedades:
MOSFET de enriquecimiento: equivale a un interruptor “Normal Abierto”, siendo necesaria una tensión entre Puerta y Surtidor (Vgs) para llevarlo al estado de conducción.
MOSFET de empobrecimiento equivale a un interruptor “Normal Cerrado”, siendo necesaria una tensión entre Puerta y Surtidor (Vgs) para que deje de conducir.
En la práctica son mas usados los MOSFET de enriquecimiento (tanto canal N o P).
Diodo parásito
Volviendo a la Fig. 3 donde se muestra la estructura interna del MOSFET, puede verse que entre el sustrato tipo P y el Drenador tipo N se forma una unión PN como la de un diodo. Si además, como se hace habitualmente, el sustrato y el Surtidor están unidos, este diodo parásito aparecerá entre Surtidor y Drenador:
Este diodo es una característica típica de los MOSFET e incluso es de utilidad en algunos circuitos. Muchas veces se lo incluye en el símbolo y se lo suele llamar “body diode” (“body” es otra forma de denominar al Sustrato)
Simbología
La estructura y símbolos de las distintas variedades de MOSFET se pueden ver a continuación.
En estos símbolos pueden apreciarse algunos detalles:
- La compuerta está aislada de los otros terminales.
- En los MOSFET de enriquecimiento, los terminales de Drenador y Surtidor no están unidos, porque el canal se forma luego.
- En los MOSFET de emprobrecimiento, los terminales de Drenador y Surtidor están unidos, porque luego el canal se abre.
Para aprender más
Este video nos muestra con mas detalle como funciona un transistor MOSFET
Espero que el artículo les haya sido útil, cualquier sugerencia, en la zona de comentarios.