Mosfet

2. TRANSISTOR MOSFET 2.1 MOSFET DE ENRIQUECIMIENTO 2.1.1 INTRODUCCIÓN A diferencia de un JFET, en el MOSFET de enriquecimiento inicialmente no existe canal, por lo cual debe ser inducido mediante un campo eléctrico originado por la tensión VGS aplicada. Vamos a describir la estructura, funcionamiento y relación corriente/tensión de un MOSFET de enriquecimiento de canal n MOSFET de enriquecimiento de canal n (NMOS de enriquecimiento).

2.1.2 ESTRUCTURA En la figura puede observarse su representación unidimensional y símbolo de circuito. A continuación, vamos a realizar un análisis cualitativo del proceso de creación del canal de conducción de corriente para distintos valores de VGS. •

VGS = 0 En ausencia de tensión aplicada a la puerta, no existe canal entre la fuente y el drenador.

•

VGS > 0 Los h+ son repelidos de la interfaz oxido-semiconductor dando lugar a una zona de deplexión entre la fuente y el drenador cargada negativamente. La anchura de esta zona será tanto mayor cuanto mayor sea la VGS aplicada. A este respecto, existirá una VGS para la cual los e- que se han ido acumulando en la interfaz oxido-semiconductor lleguen a ser tantos como el número de impurezas aceptadoras, induciéndose un canal entre la fuente y el drenador. La tensión a la que tiene lugar este fenómeno se denomina tensión umbral VT.

•

VGS > VT (VT >0) Todo aumento posterior de la VGS por encima de la VT se traduce en un aumento en la concentración de electrones en la zona de deplexión, la cual se denomina “capa de inversión”.

En un MOSFET de enriquecimiento de canal n: • VDS > 0 • VGS > VT > 0 • ID > 0 (entrante) • IS < 0 (saliente)

Puesto que IG ≈ 0  ID ≈ -IS Para un MOSFET de enriquecimiento de canal p (PMOS de enriquecimiento) basta con cambiar el sentido de las inecuaciones.

2.1.3 FUNCIONAMIENTO A continuación, vamos a realizar un análisis cualitativo del funcionamiento del MOSFET de enriquecimiento de canal n para distintos valores de VGS y VDS. •

VGS < VT (VT >0) En ausencia de tensión aplicada a la puerta, no existe canal entre la fuente y el drenador, por lo que no hay circulación de corriente entre dichos terminales cualquiera que sea la tensión VDS aplicada. CORTE

•

VGS ≥ VT (VT >0) Existe un canal (capa de inversión) de tipo n. o VDS = 0  ID = 0 (figura 2a y pto. 0 de la figura 3). CORTE. o VDS pequeñas  Empezará a circular una corriente ID que será pequeña. La caída de tensión producida por ID a lo largo del canal también será pequeña. En estas condiciones, ID α VDS, siendo la constante de proporcionalidad la conductancia del canal (región comprendida entre el pto. 0 y el pto. A de la figura 3). Por lo tanto, el canal de tipo n actúa como una resistencia. ZONA ÓHMICA (REGIÓN LINEAL). o VDS moderadas  La corriente ID aumenta. La caída óhmica de tensión a lo largo del canal será apreciable, de manera que la zona próxima al drenador de encuentra a mayor tensión que la zona próxima a la fuente. Por lo tanto, la diferencia de tensión entre la puerta y la fuente no será VGS, sino que será menor. Como consecuencia de esto, en la zona próxima al drenador el canal se contrae (figura 2b y la región comprendida entre el pto. A y el pto. B). Esto significa que la resistencia del canal está aumentando y por ello la característica ID/VDS suaviza su pendiente. ZONA ÓHMICA (REGIÓN GRADUAL). o VDS = VDS,sat  Si seguimos aumentando VDS, llegará un momento en el que el canal se haya contraido por completo en las proximidades del drenador y, por lo tanto, la conexión entre la fuente y el drenador desaparece: se dice que el canal se ha estrangulado (figura 2c). La tensión VDS a la que se produce este fenómeno se denomina tensión de drenador de saturación VDS,sat. En este caso, la pendiente de la característica ID/VDS se hace cero (pto. B de la figura 3). SATURACIÓN o VDS > VDS,sat  la porción estrangulada del canal avanza un poco hacia la fuente (figura 2d) y la característica ID/VDS se satura, es decir, ID

permanece aproximadamente constante e igual al valor ID,sat (a partir del pto. B de la figura 3). SATURACIÓN.

2.1.4 RELACIÓN CORRIENTE/TENSIÓN ZONA ÓHMICA

[

I D = K ⋅ 2 ⋅ (VGS − VT ) ⋅ VDS − VDS

2

]

Comprobación: VGS − VDS > VT El MOSFET trabajando en la zona óhmica actúa como una VDR: una resistencia controlada por la tensión VGS.

ZONA DE SATURACIÓN I D = K ⋅ (VGS − VT )

2

Comprobación: VGS − VDS < VT Tal y como indica la ecuación, en la zona de saturación la corriente ID es independiente del valor de VDS, actuando el transistor como una fuente de corriente constante controlada por la tensión VGS. LÍMITE ENTRE LA ZONA ÓHMICA Y LA DE SATURACIÓN En el límite entre la zona óhmica y la de saturación se cumple que: VGS − VDS = VT Por lo tanto, en la ecuación general nos queda la ecuación de la parábola frontera entre las dos zonas: 2 I D = K ⋅ VDS

2.2 MOSFET DE EMPOBRECIMIENTO 2.1.1 INTRODUCCIÓN A diferencia de un MOSFET de enriquecimiento, en el MOSFET de empobrecimiento inicialmente sí existe canal. Dado que en un JFET también existe canal inicialmente, se suele considerar que los JFET trabajan en modo empobrecimiento. Vamos a describir la estructura, funcionamiento y relación corriente/tensión de un MOSFET de empobrecimiento de canal n (NMOS de empobrecimiento).

2.1.2 ESTRUCTURA En la figura puede observarse su representación unidimensional y símbolo de circuito. A continuación, vamos a realizar un análisis cualitativo del mecanismo de modulación del canal de conducción de corriente para distintos valores de VGS. •

VGS = 0 En ausencia de tensión aplicada a la puerta, existe un canal entre la fuente y el drenador, difundido en el proceso de fabricación del transistor.

•

VGS > 0 Los h+ son repelidos de la interfaz oxido-semiconductor, por lo que crece la zona de deplexión entre la fuente y el drenador, es decir, aumenta de manera uniforme la anchura del canal entre fuente y drenador. La anchura de esta zona será tanto mayor cuanto mayor sea la VGS aplicada.

•

VGS < 0 Los h+ son atraídos a la interfaz oxido-semiconductor, por lo que se reduce la zona de deplexión entre la fuente y el drenador, es decir, disminuye de manera uniforme la anchura del canal entre fuente y drenador. La anchura de esta zona será tanto menor cuanto menor sea la VGS aplicada.

•

VGS = VT (VT <0) El canal se encuentra estrangulado de manera uniforme entre la fuente y el drenador.

En un MOSFET de empobrecimiento de canal n: • VDS > 0 • VGS > VT siendo VT < 0 • ID > 0 (entrante) • IS < 0 (saliente)

Puesto que IG ≈ 0  ID ≈ -IS Para un MOSFET de empobrecimiento o de canal p (PMOS de empobrecimiento) basta con cambiar el sentido de las inecuaciones.

2.1.3 FUNCIONAMIENTO A continuación, vamos a realizar un análisis cualitativo del funcionamiento del MOSFET de empobrecimiento de canal n para distintos valores de VGS y VDS. •

VGS < VT (VT < 0) El canal se encuentra estrangulado de manera uniforme entre la fuente y el drenador, esto es, no existe canal entre la fuente y el drenador, por lo que no hay circulación de corriente entre dichos terminales cualquiera que sea la tensión VDS aplicada. CORTE

•

VGS > VT (VT < 0 y VGS < 0 ó VGS > 0) Existe un canal (capa de inversión) de tipo n. o VDS = 0  ID = 0. CORTE. o VDS pequeñas  Empezará a circular una corriente ID que será pequeña. La caída de tensión producida por ID a lo largo del canal también será pequeña. En estas condiciones, ID α VDS, siendo la constante de proporcionalidad la conductancia del canal. Por lo tanto, el canal de tipo n actúa como una resistencia. ZONA ÓHMICA (REGIÓN LINEAL). o VDS moderadas  La corriente ID aumenta. La caída óhmica de tensión a lo largo del canal será apreciable, de manera que la zona próxima al drenador de encuentra a mayor tensión que la zona próxima a la fuente. Por lo tanto, la diferencia de tensión entre la puerta y la fuente no será VGS, sino que será menor. Como consecuencia de esto, en la zona próxima al drenador el canal se contrae. Esto significa que la resistencia del canal está aumentando y por ello la característica ID/VDS suaviza su pendiente. ZONA ÓHMICA (REGIÓN GRADUAL). o VDS = VDS,sat  Si seguimos aumentando VDS, llegará un momento en el que el canal se haya contraido por completo en las proximidades del drenador y, por lo tanto, la conexión entre la fuente y el drenador desaparece: se dice que el canal se ha estrangulado. La tensión VDS a la que se produce este fenómeno se denomina tensión de drenador de saturación VDS,sat. En este caso, la pendiente de la característica ID/VDS se hace cero (pto. B de la figura 3). SATURACIÓN o VDS > VDS,sat  la porción estrangulada del canal avanza un poco hacia la fuente (figura 2d) y la característica ID/VDS se satura, es decir, ID

permanece aproximadamente SATURACIÓN.

constante

e

igual

al

valor

ID,sat.

2.1.4 RELACIÓN CORRIENTE/TENSIÓN ZONA ÓHMICA   V I D = I DS ⋅ 2 ⋅ 1 − GS   VT VGS + VDS

2  VDS  VDS    ⋅   −   − VT  VT  

Comprobación: < VT modo empobrecimiento

VGS − VDS > VT

modo enriquecimiento

El MOSFET trabajando en la zona óhmica actúa como una VDR: una resistencia controlada por la tensión VGS.

ZONA DE SATURACIÓN  V I D = I DS ⋅ 1 − GS  VT VGS + VDS

  

2

Comprobación: > VT modo empobrecimiento

VGS − VDS < VT modo enriquecimiento Tal y como indica la ecuación, en la zona de saturación la corriente ID es independiente del valor de VDS, actuando el transistor como una fuente de corriente constante controlada por la tensión VGS.