TRANSISTORES: BIPOLARES, JFET Y MOSFET

3.0. TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO. (FET)

Es evidente que las formas en que podemos juntar los dos tipos de semiconductores son numerosas y variadas, y cada una de ellas, seguramente, tendría unas características particulares. Sin embargo no se trata de formar uniones P-N y N-P a nuestro antojo, lo que realmente nos interesa de esta gran cantidad de combinaciones de semiconductores son aquellas cuyas propiedades sean útiles de cara a nuestros propósitos en los circuitos electrónicos y que así podamos usarlas.

Así pues, vamos ahora a ver dos nuevos tipos de transistores. Se trata del JFET cuyo nombre proviene del ingles (Junction Field Effect Transistor, o bien, transistor de efecto de campo de unión) y del MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, es decir, transistor de efecto de campo con semiconductor de óxido de metal). Al MOSFET también se le conoce con el nombre de IGFET (Isolated Gate FET, FET de puerta aislada). En general cuando queramos referirnos a ambos en conjunto se les agrupará con el nombre de FET.

3.1. TRANSISTORES JFET.

El primero de ellos, el JFET, ya no se trata de una combinación tan sencilla entre los semiconductores como en el caso de los transistores N-P-N, P-N-P. Ahora la forma de obtenerlos es algo más rebuscada. Sin embargo, sus propiedades hacen que merezca la pena su fabricación, ya que son utilizados en gran medida por los fabricantes de circuitos electrónicos.

A su vez existen dos tipos de transistores JFET. La razón es sencilla: si tomamos uno de ellos y cambiamos los tipos de semiconductores, es decir, donde hay semiconductores de tipo P ponemos semiconductores de tipo N y viceversa, obtenemos otro transistor JFET pero de características distintas. Así pues, para distinguirlos, llamaremos FET de canal p al primero y FET de canal n al segundo.

Veremos cómo las propiedades de ambos no sólo son distintas sino que son más bien opuestas. Para explicar su funcionamiento hay que tener en cuenta que tenemos dos tipos distintos de voltajes. Esto es debido a que el FET consta de tres semiconductores unidos y por tanto existen dos zonas de unión entre ellos. Así pues, vamos a considerar la diferencia de potencial entre drenaje y fuente a la que llamaremos V_DS, y la diferencia de potencial entre puerta y fuente la cual estará representada por V_GS.

Estudiar las características de un transistor consiste en jugar con las dos tensiones de que disponemos, aumentándolas, disminuyéndolas y observando qué pasa con la corriente que lo atraviesa.

Para estudiar su comportamiento, vamos a dejar fija la tensión entre la puerta y la fuente, V_GS, y vamos a suponer que variamos la tensión entre el drenador y la fuente, V_DS. La respuesta del transistor a este tipo de variaciones las podemos ver en la gráfica.

Se pueden distinguir tres zonas según vamos aumentando el potencial V_DS, estas son: zona óhmica, zona de saturación y zona de ruptura.

En la gráfica se observa el comportamiento de un JFET según vamos aumentando la tensión Vds.

En la zona óhmica, el transistor se comporta como una resistencia (óhmica), es decir, si aumentamos el potencial, V_DS, crece la corriente (I) en la misma proporción; esta situación se mantiene así hasta que el potencial alcanza un valor aproximadamente de unos cinco voltios. A partir de este valor, si seguimos aumentando esa diferencia de potencial entre drenador y fuente, es decir, si seguimos aumentando V_DS, el transistor entra en la zona de saturación. Aquí su comportamiento es totalmente distinto al anterior, ya que, aunque se siga aumentando V_DS, la corriente permanece constante. Si seguimos aumentando el potencial V_DS de nuevo, llegamos a un valor de éste a partir del cual el comportamiento del transistor vuelve a cambiar. Este valor viene a ser del orden de 40 voltios. Decimos entonces que hemos entrado en la zona de ruptura. A partir de este punto la corriente I puede circular libremente, independientemente de que sigamos aumentando el valor de V_GS. Es esta la razón por la cual los JFET se pueden utilizar como interruptores de encendido y apagado (ON/OFF); propiedad esta fundamental en la computación. Un JFET se encuentra en estado OFF (interruptor cerrado) cuando V_DS es cero, ya que no pasa corriente alguna, y en estado ON (interruptor abierto) cuando V_DS pasa de los 40 voltios. Evidentemente, estos valores reales dependerán del tipo de transistor del que hablemos, ya que existen FET para circuitos integrados y FET de potencia; estos últimos con valores algo mayores que los primeros.

3.2. TRANSISTORES MOSFET.

Por último, vamos a hablar del transistor más utilizado en la actualidad, el MOSFET, mas conocido como MOS. La estructura de este transistor es la más complicada de entre todos los vistos hasta ahora. Consta de los ya conocidos semiconductores P-N, colocados ahora de una nueva forma, y de un original material aislante, como es el dióxido de silicio; esta pequeña adición de la capa del óxido va a cambiar considerablemente las propiedades del transistor respecto a las que tenía el JFET.

Existen dos tipos de MOSFET: cuando tengamos una zona de tipo P y dos de tipo N lo llamaremos MOSFET de canal n (o NMOS) y, por el contrario, si hay una sola zona de tipo N y otras dos de tipo P se llamará MOSFET de canal P (PMOS). Inicialmente, fueron los transistores PMOS más utilizados que los NMOS debido a su mayor fiabilidad, mejor rendimiento y mayor sencillez en la fabricación. Sin embargo, las mejoras en la tecnología de producción de estos transistores han hecho que los PMOS queden relegados a un segundo plano. La razón de esto se debe a que los PMOS están basados en la movilidad de los huecos, y los NMOS funcionan gracias al movimiento de los electrones, y estos son aproximadamente tres veces más rápidos que los huecos.

A pesar de parecer más complicada, a simple vista, su estructura, son más fáciles de fabricar que los transistores de unión bipolar BJT y otra de sus ventajas es que ocupan menos espacio. Esta es una de las razones por las que los sistemas integrados, es decir, aquellos que poseen un gran número de componentes en muy pequeño espacio, usan principalmente este tipo de transistores en lugar de los BJT. Otra razón es que los MOSFET se pueden conectar de tal forma que actúen como condensadores o como resistencias. Por tanto, podemos conseguir resistencias o condensadores del tamaño de un MOSFET, el cual es muchísimo más pequeño que las resistencias o condensadores que podemos observar al abrir cualquier aparato electrónico. Así pues, existen circuitos completos que están exclusivamente compuestos de MOSFET.

Resumiendo, acabamos de conocer varios dispositivos electrónicos para incorporar a nuestros circuitos; estos son: los transistores de unión bipolar (BJT), los transistores de efecto de campo (FET) y los FET con una capa de óxido metálico (MOSFET).