Transistores unipolares

A diferencia de los transistores bipolares, cuya corriente era originada por el efecto aditivo de los dos tipos de portadores de carga -huecos y electrones-, los transistores unipolares operan tan sólo con corrientes generadas por un tipo de portadores: huecos o electrones.

Los principales tipos de transistores unipolares son:
– Transistores FET.
– Transistores MOS.
– Transistores VMOS.
– Transistores UJT (uniunión).
Aquí se consideran los dos tipos fundamentales de transistor unpolar: FET y MOS.

Transistor de efecto de campo

Transistores FET

Los transistores FET (Field-Effect-Transistor: transistores de efecto de campo) realizan la función de control de la corriente eléctrica, común a cualquier tipo de transistores, en base a la tensión aplicada en uno de sus terminales (puerta).

Estos transistores unipolares están construidos a partir de una zona semiconductora de tipo P o N, a la que acceden dos de sus tres terminales: Fuente y Drenador. Sobre esta región, denominada canal, existe otra zona de signo opuesto conectada al tercer terminal: la Puerta. Entre las dos zonas mencionadas se forma una unión
de tipo PN o NP.

* FET de canal N
La composición de los transistores unipolares FET de canal N es la que ilustra la figura adjunta. Las zonas conectadas al terminal de puerta (G) son semiconductores de tipo P, mientras que la región central a la que acceden la fuente y el drenador es un semiconductor de tipo N.
* FET de canal P
La estructura de este tipo de FET es opuesta a la señalada en el caso anterior. El canal coincide con un semiconductor de tipo P, mientras que las regiones gobernadas por la puerta (G) son de tipo N.

FET de canal N. FET de canal P

FET de canal N. FET de canal P

Funcionamiento del FET

La actuación elemental de un transistor unipolar de efecto de campo se resume en los siguientes puntos:
– Al aplicar al terminal de Puerta (G) un potencial negativo, aparecen en el semiconductor dos uniones PN polarizadas en inverso. En condiciones normales se producirá una corriente de electrones hacia el Drenador (D), ya que este terminal recibe la polaridad positiva de la fuente de tensión.
– Al aumentar el potencial negativo de la Puerta (G), la zona de transición ZT de las dos uniones PN polarizadas inversamente aumentará, esto es, se ensanchará. Si la zona de tipo P tiene una mayor centración de impurezas que la zona N -el canal en el caso ilustrado-, la región de transición se introducirá sobre la zona N, puesto que ZT crece hacia el lado menos dopado.
– En definitiva, a medida que aumenta el potencial negativo de las regiones de tipo P se consigue ensanchar la zona de unión a costa de disminuir la anchura del canal. Por consiguiente, se está controlando la circulación de electrones entre la Fuente (S) y el Drenador (D) por medio de la tensión aplicada a la puerta (G).

Tensión de contracción del canal

A través del incremento de la tensión inversa aplicada al terminal de Puerta es posible comprimir paulatinamente la anchura del canal.

Si la tensión inversa crece lo suficiente, las zonas de transición pueden llegar a extenderse hasta unirse y cerrar por completo el canal. En esta situación quedará bloqueada la circulación de portadores a través del mismo.

La tensión correspondiente al cierre del canal se denomina tensión de contracción (Vp).

Regiones de funcionamiento del FET

Las regiones de funcionamiento del FET guardan una plena relación con la tensión de contracción Vp.
* Región óhmica
Región de funcionamiento normal del FET, en la que la tensión drenador-fuente adopta un valor comprendido entre 0 y VP.
* Región de saturación
Corresponde al estado de funcionamiento en el que aparece cerrado el canal. En esta situación, la tensión Drenador-Fuente es igual o superior a Vp. Aunque cabe imaginar en primera instancia que el FET conduce únicamente en la región óhmica, ello no es así, sino que también conduce en la zona de saturación.

La intensidad de conducción del FET en la zona de saturación es constante y es una característica del propio componente del transistor unipolar.

Curva característica del FET

La curva característica del FET, representativa de la intensidad ID en función de la tensión VDS , es la que sigue:

Curva característica del FET

Curva característica del FET

Transistores MOS
Otro transistor de tipo unipolar es el denominado MOS. Su denominación está formada con las iniciales de los elementos que lo componen; éstos son: una región semiconductora (S), un aislante eléctrico realizado con óxido de silicio (O) y una fina pelicula metálica (M).

Se fabrican partiendo de un semiconductor de tipo P sobre el que se difunden dos regiones de tipo nN para formar la Fuente (S) y el Drenador (D). Sobre esta estructura se aplica una capa de dióxido de silicio (SiO2) muy aislante, y sobre ella una capa metálica que actuará como Puerta (G).

Entre la Fuente y el Drenador existirá un canal, similar al del transistor unipolar FET, cuya anchura se controlará mediante la tensión de puerta.

Tipos de transistores MOS
– MOS de Deplexión: para VG = 0 ya existe canal.
– MOS de Acumulación:no existe canal en un principio, éste se forma al variar adecuadamente VG.

Transistores MOS de Acumulación

Es el tipo más generalizado de transistores MOS. Al igual que sucedía en el caso de los FET, los hay de dos tipos:
* MOS de canal N
En su estructura se observan los tres terminales accesibles desde el exterior que permiten utilizar el componente.

Transistor MOS de canal N

Transistor MOS de canal N

* MOS de canal P
El substrato es un semiconductor de tipo N, mientras que la Fuente y el Drenador son zonas de semiconductor de tipo P.
Funcionamiento de un M0S de Acumulación
Para el análisis del funcionamiento se considerará un transistor MOS de acumulación de canal N.
– Al aplicar a D una polarización positiva VDS se producirá una contracción del canal en el lado D. La anchura del canal en ese extremo será menor cuanto mayor sea VDS, puesto que la polarización inversa del diodo constituido por el drenador y el substrato creará una amplia zona de transición que empujará al canal.
– En el extremo opuesto, zona de contacto con la Fuente, el canal es amplio debido al potencial positivo de la Fuente con respecto a la Puerta (G). Se trata en definitiva de un diodo polarizado en directo que no da lugar al crecimiento de una zona de transición susceptible de empujar al canal.
– Para un cierto valor positivo de VDS, el canal en dicha zona alcanzará su situación límite y se cerrará.
– De seguir aumentando VDS (VDS > VDsat) el punto de cierre del canal retrocederá hacia el lado de la fuente, hasta que llegue a desaparecer.
– En la zona de contacto del substrato P con la fuente -de tipo N- no existirá zona de transición, ya que tanto la fuente como el substrato están al mismo potencial:
ambos están a masa.
Se denomina tensión de umbral (VT a la tensión necesaria para que se forme el canal entre la Fuente y el Drenador. Su valor es constante y característico de cada transistor MOS.

Regiones de funcionamiento

* Región óhmica: existe canal y en consecuencia existe una corriente que depende de las tensiones aplicadas.
* Región de saturación: el canal ha desaparecido y se origina una corriente constante ID. MOS y depende de la tensión de Dicha corriente es característica de cada umbral VT.

Curvas de salida de los transistores MOS

La familia de curvas de salida de un transistor MOS representan la intensidad de Drenador ID en función de la tensión aplicada entre Drenador y Fuente (VDS), tomando como parámetro la tensión Puerta-Fuente (VGS).

Cuando VGS es igual o inferior a VT no existe canal.

Estos transistores unipolares pueden ser utilizados en los circuitos electrónicos con una disposición similar a la de los bipolares, es decir: en Fuente común, Puerta común y Drenador común; la primera y última configuraciones son las más utilizadas en la práctica.
# La curva característica de salida del FET, representativa de la intensidad ID en función de la tensión VDS es la que sigue:

Curvas de salida de transistores MOS

Curvas de salida de transistores MOS

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