¿Cuáles son los diferentes tipos de FETs?

Los transistores de efecto de campo (FETs) son los caballos de batalla de la lógica digital de hoy, pero disfrutan de muchas aplicaciones fuera de los circuitos integrados digitales, desde controladores de motores hasta reguladores de voltaje y amplificadores especializados pueden hacer uso de diferentes tipos de FETs, y hay algunas ventajas útiles que hacen a los FETs discretos más deseables en comparación con sus primos, los transistores de unión bipolar (BJT).

Aunque los componentes y aplicaciones avanzadas continúan enfocándose en modificar y optimizar fundamentalmente la arquitectura de los FET, los BJTs y FETs discretos están aquí para quedarse. Cada uno de los diversos tipos de FETs tiene su lugar en diferentes sistemas, y los diseñadores pueden encontrar los FETs exactos que necesitan con el mejor conjunto de herramientas de cadena de suministro. Si no estás seguro de qué tipo de FET deberías usar, lee nuestra guía para aprender más sobre los diferentes FETs y cuáles especificaciones son más importantes.

Tipos de FETs y Sus Aplicaciones

Los transistores de efecto de campo, o simplemente FETs, forman la base de los circuitos integrados digitales modernos. Al igual que los BJTs anteriores, los FETs son interruptores de tres terminales (cuatro si incluyes el terminal de cuerpo en un MOSFET), donde se aplica un voltaje a la puerta para controlar la corriente que fluye entre el fuente y drenaje. Una vez que se aplica el voltaje a la región de la puerta, la resistencia del canal cambia de estado como función del voltaje de entrada. Estos son los conceptos básicos de los diferentes tipos de FETs.

Los FETs se subdividen en tres tipos diferentes: FETs de puerta aislada (mejor conocidos como MOSFETs), FETs de unión (JFETs) y FET de metal-semiconductor (MESFET). El siguiente diagrama de flujo resume brevemente estos tres tipos de FETs y sus subtipos. Entre los diferentes tipos de MOSFETs, la elección de FETs de tipo de enriquecimiento o de tipo de agotamiento ofrece a los diseñadores cierta flexibilidad en cómo implementan el conmutado en sus sistemas (por ejemplo, en reguladores de potencia).

Con tantos tipos diferentes de FETs para elegir, ¿cuál es el mejor y cómo se comparan con los BJTs? Profundicemos un poco más para ver qué tipos de FETs importan para diferentes aplicaciones.

Aplicaciones de MESFET

Los MESFETs a menudo se utilizan como controladores o interruptores en aplicaciones de RF que requieren una salida de alta potencia. Los componentes MESFET comerciales están disponibles en una gama de paquetes; los componentes empaquetados en SO/SOIC/SOP están disponibles con un ancho de banda que alcanza ~8 GHz, mientras que las altas frecuencias que alcanzan ~30 GHz se pueden acceder en paquetes QFN. Los MESFETs de alta frecuencia normalmente están hechos de SiGe (para una salida de potencia moderadamente baja) o GaAs (para una salida de potencia alta), y encontrarás estas estructuras integradas en SoCs de alta frecuencia.

Aplicaciones de MOSFET

Entre los distintos tipos de FET, los MOSFET probablemente disfrutan del rango más amplio de aplicaciones prácticas. Estos componentes encuentran su lugar en muchas aplicaciones de electrónica de potencia ya que pueden manejar potencias de conmutación que alcanzan niveles de kW. Y por supuesto, cualquiera que esté familiarizado con los modernos circuitos lógicos CMOS debería saber que los MOSFET forman la base para los dispositivos CMOS.

Si necesitas elegir un MOSFET discreto para una aplicación de conmutación, entonces cómo se conmuta el dispositivo es bastante importante ya que necesitarás seleccionar la polaridad de voltaje correcta aplicada a la región de la puerta. El tipo de enriquecimiento NMOS se utiliza a menudo como un elemento de conmutación en aplicaciones como la regulación y acondicionamiento de potencia a alto voltaje/corriente; encuentro que hace que la puesta a tierra y el diseño sean más fáciles ya que solo necesitas suministrar voltajes positivos alrededor de una placa.

Aplicaciones de JFET

Los JFET también vienen en variedades de canal n y p, donde el canal n se utiliza normalmente ya que los electrones tienen mayor movilidad que los huecos. Los JFET también tienen una región de ruptura cuando el voltaje de drenaje-fuente es suficientemente alto (análogo a la ruptura de diodo pn). Comparados con los MOSFET, los JFET tienen las siguientes características:

• Solo modo de agotamiento

• Deriva de frecuencia más baja

• Impedancia de entrada más baja

• Alta resistencia de drenaje proporciona curvas de transferencia más planas

• Mayor capacitancia de entrada

Su menor deriva de frecuencia los hace más deseables en osciladores o circuitos de temporización de precisión. La mayor capacitancia de entrada conduce a tiempos de encendido ligeramente más largos cuando se utilizan como interruptores. Aunque pueden ser útiles para osciladores, cuando se usan en amplificadores tienden a tener un producto de ganancia-ancho de banda relativamente bajo en comparación con los MOSFET y mucho menor que los MESFET comparables.

Aplicaciones de HEMT

Los transistores de alta movilidad de electrones (HEMT) se refieren a algo más cercano a los materiales utilizados en los FET, en lugar de una estructura o tipo de circuito totalmente diferente. Los HEMT pueden usarse en dispositivos de RF que deben suministrar potencia a altas frecuencias, o que conmutan a tasas de borde rápidas. Los materiales típicos utilizados en estos dispositivos son GaAs y GaN, ambos utilizados en componentes disponibles comercialmente. Estos dispositivos están diseñados para proporcionar una salida de alta potencia en frecuencias que alcanzan el rango de mmWave. Otros materiales III-V como InP han sido investigados para su uso en HEMT. Sin embargo, estos materiales aún no son producibles en procesos de componentes estándar a escala.

Dado que las aplicaciones de HEMT se superponen con los MESFET, es justo preguntar cuál es la diferencia entre estos materiales. La diferencia aparece en la capa epitaxial del transistor. Los HEMT son dispositivos de heteroestructura que usan capas apiladas composicionalmente diferentes de material con mayor movilidad de electrones que el material a granel en el dispositivo. En los HEMT de GaAs, el material común utilizado en la capa epitaxial es AlGaAs no estequiométrico. No vemos estas mismas estructuras o materiales en los MESFET.

Un enfoque similar con una capa no estequiométrica se utiliza en los HEMTs de GaN, donde la capa epitaxial es AlGaN. A continuación, se muestra un ejemplo de estructura HEMT sobre un sustrato de SiC. En esta estructura, la capa de AlGaN puede ser una estructura multicapa dopada, y el canal de conducción se formará en esta parte del dispositivo.

La alta movilidad de los electrones en el canal conductor proporciona una entrega de potencia mucho más eficiente a altas frecuencias de GHz. Estos sistemas ofrecen una mayor capacidad de manejo de potencia, frecuencias más altas y una mayor disipación de calor (especialmente con SiC) en comparación con los MOSFETs de Si escalados que operan en bandas de mmWave. Por estas razones, los HEMTs de GaN también se han utilizado en electrónica de potencia como un reemplazo altamente conductor de calor para los MOSFETs de Si.

Especificaciones importantes para los FETs

Aunque nos gustaría listar todas las especificaciones que se encuentran en una hoja de datos, no todas las especificaciones son relevantes para cada aplicación. Hay algunas que son universales para casi cualquier aplicación:

• Resistencia en estado activo: Esta es una de las especificaciones más importantes ya que determina la eficiencia de un FET en la entrega de potencia y conmutación.

• Corriente de fuga: Incluso en el estado apagado, hay una pequeña cantidad de corriente que fluye entre el fuente y el drenaje, lo que lleva a alguna pérdida de potencia en el estado APAGADO.

• Capacitancias terminales: Estos valores de capacitancias limitarán el tiempo de conmutación en el dispositivo. Esto normalmente no es importante a menos que estés diseñando un producto analógico de alta frecuencia.

• Temperatura máxima absoluta: Los FETs fallarán si la temperatura del canal alcanza su valor máximo calificado. Normalmente hay un pequeño factor de seguridad aquí, pero estos componentes necesitan ser seleccionados considerando el ambiente donde serán desplegados.

• Calificación de voltaje/corriente: Este par de valores está especificado para un método de conducción particular (DC, pulsado o armónico) y determinará el área de operación segura de un FET. Una vez que estas especificaciones se exceden para un FET particular, el dispositivo podría experimentar una avería y fallará.

El último punto es importante ya que se relaciona con el área de operación segura de un FET. Todos los FETs tienen una combinación de voltaje fuente-a-drenaje (V(DS)) y corriente de drenaje (I(D)) dentro de la cual un FET puede operarse sin fallar. Esta combinación de voltajes, corrientes y métodos de conducción forma el área de operación segura para un MOSFET, que se puede trazar en un gráfico.

Un ejemplo del área de operación segura de un MOSFET (FDD7N25LZTM de ON Semiconductor) se muestra a continuación. En este gráfico, la conducción DC se compara con la conducción AC en diferentes condiciones (en este caso, conducción pulsada). Para la conducción DC, el límite del área de operación segura estará más cerca del origen en comparación con la conducción con pulsos más cortos. La razón por la que el área de operación segura se expande cuando la duración del pulso es más corta es porque la corriente promedio será menor, asumiendo la misma frecuencia de repetición de pulso.

En total, hay tres factores principales que determinan el área de operación segura de un FET:

• Temperatura en estado estacionario de la unión

• Resistencia en estado ON

• Método de conducción (DC, AC, etc.)

En general, cualquier conducción AC que coincida con la corriente promedio de un conductor DC tendrá un área de operación segura similar. Cuando la corriente promedio en la conducción AC disminuye, el área de operación segura se expandirá. Esto puede usarse como una métrica simple para seleccionar un MOSFET para su uso en aplicaciones de entrega de potencia: simplemente compare la corriente promedio bajo conducción AC con la corriente de conducción DC bajo parámetros de operación similares (V(DS) e I(D)) para determinar si el MOSFET será confiable bajo conducción AC.

El otro factor que es más difícil de abordar es la temperatura del MOSFET, específicamente la temperatura de la unión. Si la temperatura de la unión es demasiado alta, entonces el MOSFET corre el riesgo de fallar. Para una comparación precisa con el área de operación segura, es necesario determinar la pérdida de potencia en el estado ON y usar la resistencia térmica del componente para predecir la temperatura de equilibrio. En general, una temperatura de unión más alta conduce a áreas de operación seguras más pequeñas.

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