Clases de Polarización de Transistores FET

Los transistores de efecto de campo (FET) son dispositivos semiconductores unipolares que ofrecen ventajas significativas, como una alta impedancia de entrada, en comparación con los transistores bipolares de unión (BJT). Esta característica los hace idóneos para diversas aplicaciones, desde amplificadores de baja frecuencia hasta circuitos de computadoras y memorias. Para asegurar su correcto funcionamiento, es fundamental comprender sus principios de operación, sus zonas de trabajo y, especialmente, las técnicas de polarización.

Fundamentos del Transistor de Efecto de Campo (FET)

Un transistor de efecto de campo (FET) típico consiste en una barra de material P o N, conocida como canal, rodeada en parte de su longitud por un collar del otro tipo de material que forma con el canal una unión P-N. En los extremos del canal se realizan conexiones óhmicas llamadas sumidero (drain - D) y fuente (source - S), además de una conexión denominada puerta (gate - G) en el collar.

A diferencia del transistor BJT, los terminales drenador y surtidor del FET pueden intercambiar sus papeles sin alterar apreciablemente la característica V-I, lo que lo convierte en un dispositivo simétrico. La operación de un FET de canal P es complementaria a la de un FET de canal N, implicando que todos los voltajes y corrientes son de sentido contrario.

Zonas de Funcionamiento del Transistor FET

La operación de un FET se divide en varias regiones, cada una con características eléctricas distintas:

• Zona Óhmica o Lineal: En esta región, el transistor se comporta como una resistencia variable, dependiente del valor de VGS. Un parámetro importante proporcionado por el fabricante es la resistencia que presenta el dispositivo para VDS=0 (rds on) y diferentes valores de VGS.
• Zona de Saturación: En esta zona, el transistor amplifica y se comporta como una fuente de corriente controlada por VGS. Es la región preferida para el diseño de amplificadores, ya que la corriente de drenador es controlada principalmente por la tensión de puerta.
• Zona de Corte: La intensidad de drenador es nula (ID=0), lo que significa que el transistor está apagado o no conduce.

Parámetros Clave del FET

La corriente de sumidero (Id) es una función tanto de la tensión de sumidero (Vds) como de la puerta (Vgs). Dado que la unión está polarizada inversamente, la corriente de puerta (Ig) se considera nula. Los parámetros importantes incluyen:

• Ecuación de Shockley:

  ID = IDSS(1 - VGS/Vp)^2

  Donde Vp es la tensión de puerta que produce el corte en el transistor FET, e IDSS es la corriente máxima de drenador que circula por el transistor cuando la polarización de la puerta es VGS = 0 V.
• Resistencia diferencial del sumidero (rd): Es la inversa de la pendiente de la curva de salida en la zona de estricción. En la práctica, es un valor muy grande.
• Conductancia mutua o transconductancia (gm): Es igual a la separación vertical entre las características que corresponden a diferencias de valor de VGS de 1 voltio.

Polarización de Transistores FET

La polarización es el proceso de establecer los voltajes y corrientes de CC adecuados para que el transistor opere en la región deseada (generalmente la región de saturación o activa). Los enfoques de polarización utilizados para los BJT también se pueden aplicar a los MOSFET. Se distingue entre diseños de componentes discretos y amplificadores de circuitos integrados (IC).

Polarización de MOSFET de Componentes Discretos

Para amplificadores MOSFET de componentes discretos, la polarización se logra con circuitos específicos. El voltaje de puerta a fuente (VGS) es crítico para determinar el tipo de circuito necesario para una configuración de transistor dada.

• Para un transistor de modo de mejora, siempre se requiere un voltaje positivo en la compuerta. En la polarización por división de tensión, se utilizan R1 y R2 para obtener esta tensión positiva.
• Para MOSFET de agotamiento o JFETs, R2 puede ser finito o infinito.

Los diseños de componentes discretos emplean condensadores de acoplamiento y de derivación grandes para aislar la polarización de CC en cada etapa del amplificador, de manera similar a los amplificadores BJT discretos. En contraste, los amplificadores IC MOSFET suelen estar acoplados directamente debido a que los capacitores grandes no son prácticos y se polarizan utilizando fuentes de corriente de CC.

Configuraciones de Amplificador FET

Las diferentes configuraciones de amplificador FET varían en sus conexiones a través de los condensadores, que actúan como circuitos abiertos para voltajes y corrientes de CC. Esto permite un estudio general del sesgo de CC.

• Fuente Común (CS): La entrada de CA se aplica en la compuerta (CG), la salida de CA se toma en el drenador (CD), y la fuente (CS) está conectada a una fuente de tensión de CC o tierra. Es análogo a la configuración de emisor común para el BJT.
• Resistor de Fuente (SR): La entrada de CA se aplica en la compuerta (CG), la salida de CA se toma en el drenador (CD), y la fuente (CS) se omite. Es análogo a la configuración de la resistencia del emisor para el BJT.
• Puerta Común (CG): La entrada de CA se aplica en la fuente (CS), la salida de CA se toma en el drenador (CD), y la compuerta (CG) está conectada a una fuente de tensión de CC o tierra. Rara vez se ve en los circuitos, siendo análogo a la configuración de base común para el BJT.
• Seguidor de la Fuente (SF): La entrada de CA se aplica en la compuerta (CG), la salida de CA se toma en la fuente (CS), y el drenador está conectado directamente a una fuente de tensión de CC o a través de CD. A veces se denomina drenador común (CD) y es análogo a la configuración del seguidor de emisores para el BJT.

Análisis de Polarización General

Para simplificar el análisis de polarización, se utiliza una fuente de Thevenin para modelar el circuito en la compuerta del transistor. Para establecer el punto de polarización, se requieren tres ecuaciones de CC:

1. La ecuación de bucle puerta-fuente:

   VGS = VGG - ID * RS

   Donde se observa que, dado que la corriente de compuerta es cero, la caída de voltaje en RG es cero.
2. La ecuación de la ley de Kirchhoff en el circuito drenador-fuente:

   VDS = VDD - ID * (RD + RS)

3. La ecuación que describe la relación entre ID, VGS y VDS para el dispositivo, como la ecuación de Shockley para JFET o las ecuaciones de características para MOSFET.

Para los amplificadores MOSFET discretos, no es necesario situar el punto Q en el centro de la línea de carga de CA, a diferencia de la polarización BJT. Esto se debe a que los amplificadores FET discretos se utilizan normalmente como primera etapa en una cadena de amplificadores para aprovechar su alta resistencia de entrada.

MOSFET de Enriquecimiento

En los MOSFET de enriquecimiento, una diferencia de tensión entre la puerta y el sustrato induce un canal conductor entre los contactos de drenador y surtidor gracias al efecto de campo. La estructura MOS (Metal-Óxido-Semiconductor) se compone de un sustrato de silicio, una capa de óxido de silicio (SiO2) con características dieléctricas y una capa de metal (Aluminio o polisilicio).

Cuando la tensión Puerta-Sustrato (VGB) es positiva, se genera un campo eléctrico que atrae electrones hacia la superficie, creando una región rica en electrones conocida como canal N. Cuanto mayor sea la tensión de Puerta, mayor será la carga en el canal, facilitando el paso de corriente de la Fuente al Drenador.

Para un MOSFET tipo P, el funcionamiento es inverso: los portadores son huecos, y se requiere una tensión de puerta negativa para formar un canal P. La tensión mínima de Puerta a partir de la cual se produce el canal se conoce como tensión umbral (VT).

Regiones de Operación del MOSFET

La operación de un transistor MOSFET se divide en tres regiones diferentes:

• Región de Corte: Cuando VGS < VT, la intensidad IDS es prácticamente cero y el transistor se comporta como un circuito abierto.
• Región Óhmica (Triodo): Cuando VGS >= VT y VDS es pequeño (VDS <= VGS - VT), el MOSFET se comporta como una resistencia variable.
• Región de Saturación: Cuando VGS >= VT y VDS > VGS - VT, el MOSFET mantiene constante su corriente de Drenador (ID), independientemente del valor de VDS. Es la región ideal para la amplificación.

La polarización en la zona activa (saturación) es crucial para el funcionamiento como amplificador. En conmutación, el MOSFET se polariza en corte (VGS < VT) o en la zona óhmica con VDS muy baja (VDS << 1), donde actúa como un interruptor cerrado con baja resistencia RDS(on).

Consideraciones Prácticas para la Polarización del MOSFET

Para lograr el mejor rendimiento de un MOSFET, especialmente en aplicaciones de conmutación, es fundamental aplicar una tensión de puerta adecuada. Por ejemplo, en el MOSFET IRFZ44N, se sugiere aplicar 10V en la Puerta para minimizar la resistencia entre Drenador y Fuente, reduciendo la disipación de calor. Es importante no sobrepasar la tensión VGS máxima (ej. 20V) para evitar dañar el dispositivo.

En conmutación, la señal de activación del MOSFET debe tener flancos de subida y bajada muy cortos. No es recomendable conectar la salida de un microcontrolador directamente a un MOSFET debido a las diferencias en los niveles de corriente y velocidad. Para esto, se deben emplear drivers comerciales adecuados.

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