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TRABAJO FINAL ELECTRÓNICA I

TRABAJO FINAL INFORMACION GENERAL 1.1 FECHA (Noviembre/ 14/ 2017): 1.2 DEPARTAMENTO: Atlántico 1.3 TEMA: Estructura y operación física del MOSFET de tipo enriquecimiento (Estructura del dispositivo, operación sin voltaje aplicado a la compuerta, creación de un canal para la circulación de corriente) 1.4 DATOS DE AUTORES: Nombre completo: Andres Mauricio Noguera SIlvera Correo electrónico: [email protected] Nombre completo: Jhon Mauricio Leguizamon rodriguez Correo electrónico: [email protected]

CONTENIDO DEL INFORME Tabla de contenido.

1. Resumen .......................................................................................................... 1 2. Introducción .................................................................................................................. 2 3. Objetivos.......................................................................................................... 3 4. Cuerpo de trabajo ........................................................................................... 4 4.1. Definición MOSFET……………………………………………….3 4.2. Estructura y enriquecimiento…4

operación

física

del

Transistor MOSFET

4.3.

MOSFET tipo enriquecimiento de canal p

4.4.

Característica de salida

4.5.

MÁXIMA TENSIÓN PUERTA-FUENTE

4.6.

REGIONES DE OPERACIÓN.

4.7.

Operación sin voltaje aplico a la compuerta

4.8.

Creación de un canal para la circulación de corriente

4.9.

Aplicación de los MOSFET tipo enriquecimiento

de

tipo

4.10. Sensor térmico de un solo mosfet DC para la extracción de frecuencia central del amplificador de RF 1

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4.11. Transistores de efecto de campo con efecto de túnel de doble puerta de metal basados en mosfet: enfoque analítico 2D. ............................... 5 5. CONCLUSIONES 6. BIBLIOGRAGIA................................................................................................ 6

1. Resumen.

Transistor de efecto de campo metal – oxido – semiconductor o MOSFET es un transistor electrónico el cual normalmente es utilizado para amplificar las señales electrónicas Este es un dispositivo el cual tiene cuatro terminales llamados. Fuente (source), puerta (gate), drenaje (drain), sustrato (Bulk). Este cuarto se puede encontrar muy poco pues generalmente el sustrato está conectado internamente al terminal de la fuente por tal razón podemos encontrar dispositivos mosfet de solo tres terminales. Un transistor mosfet es un amplificador separador el cual es casi ideal ya que el graduador que está aislado puede significar que la resistencia de entrada se aproxima a infinito.

2.3



Palabras claves. Mosfet de enriquecimiento, transistor, amplificador

1. 2. Introducción.

En el siguiente trabajo hablaremos acerca del transistor mosfet, para ser más específicamente del mosfet de enriquecimiento, mostraremos como está conformado, hablaremos de sus características y de su estructura, la operación de este sin voltaje aplicado en la compuerta y sobre la creación de un canal para que circule corriente. El MOSFET de enriquecimiento es usado usualmente en microprocesadores y memoria de computadores y funcionan como interruptor. El termino enriquecimiento hace referencia al incremento de conductividad eléctrica que se produce debido a un aumento que hay en la cantidad de portadores de cargar 2

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en la región correspondiente al canal, que también es conocida como la zona de inversión. [1] 3. Objetivos

En este trabajo tenemos como objetivo adquirir el conocimiento del que es un transistor mosfet, centrándonos mosfet de enriquecimiento, conocer su función, estructura física, operación sin voltaje aplicado en la compuerta, y como identificarlos

4. Cuerpo de trabajo.

4.1 Definición Transistor MOSFET. Los transistores son dispositivos semiconductores con tres terminales, que se pueden utilizar en una multitud de aplicaciones que van desde amplificador de señales hasta El transistor de efecto de campo tiene su nombre gracias a su operación física. Este tiene un mecanismo de control de corriente que se basa en un campo eléctrico establecido por un voltaje aplicado. En un transistor FET la corriente solo se conduce por un portador (electrones) y depende del canal (canal n o canal p). El mosfet es un transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico que se ha hecho muy popular. [2]

4.2. Estructura y operación física del MOSFET de tipo enriquecimiento. El transistor de efecto de campo MOSFET más utilizado es del tipo enriquecimiento. La estructura básica del MOSFET tipo empobrecimiento de canal n, se forma de un material p con una base de silicio y se conoce como sustrato. Como con el MOSFET tipo empobrecimiento, el sustrato en ocasiones se conecta internamente a la terminal fuente, en tanto que en otros casos se pone a la disposición una curva terminal para el control externo de su nivel de potencial. La fuente y el drenaje se conectan mediante contactos metálicos a regiones tipo n dopadas, pero no hay un canal entre las dos regiones tipo n dopadas. Ésta es la diferencia principal entre la construcción de los MOSFET tipo empobrecimiento y en el tipo enriquecimiento: la ausencia de un canal como componente construido del dispositivo. Este fue fabricado en un sustrato tipo de silicio que da un apoyo físico al dispositivo. Tiene dos regiones tipo n y se identifican como n fuente y n dren, y estas se crean en el sustrato.

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El cuerpo del transistor tiene contactos para la fuente, la región del dren y el sustraído, a esto se le conoce como el cuerpo y así aparece con cuatro terminales que son: la terminal de la compuerta (G), el terminal del dren (D), el terminal de la fuente (s) y el terminal de sustrato o cuerpo (B). Bajo el terminal de Puerta existe una capa de óxido (SiO2) que impide prácticamente el paso de corriente a su través; por lo que, el control de puerta se establece en forma de tensión. La calidad y estabilidad con que es posible fabricar estas finas capas de óxido es la principal causa del éxito alcanzado con este transistor, además, este transistor ocupa menos volumen que un transistor BJT, por lo que tiene una mayor integración.

Cuando la tensión que se aplica es positiva en el terminal de puerta de un MOSFET de tipo N, se crea un campo eléctrico bajo la capa de óxido que incide sobre el espacio del semiconductor P. Este campo lo que hace es que, atrae a los electrones hacia la superficie, bajo la capa de óxido, repeliendo los huecos hacia el sustrato. Si el campo eléctrico es muy intenso se logra crear una región en la superficie con muchos electrones (canal N), y permite que la corriente fluya de la Fuente al Drenado. Ahora, cuanto mayor sea la tensión de Puerta (Gate) mayor será el campo eléctrico y, por tanto, la carga en el canal. Una vez creado el canal, la corriente se origina, aplicando una tensión positiva en el Drenador (Drain) respecto a la tensión de la Fuente (Source). [3] [4] [5]

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Figura 1. Escritura física del MOSFET tipo enriquecimiento [6]

4.3 MOSFET tipo enriquecimiento de canal p.

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Figura 2. Características y curva de transferencia de MOSFET tipo P [2]

La construcción de un MOSFET tipo enriquecimiento de canal p se observa en la figura 3 y es a la inversa del MOSFET tipo n. Es decir, ahora hay un sustrato tipo n y regiones tipo n dopadas bajo las conexiones del drenaje y la fuente. Las terminales no cambian, pero todas las polaridades del voltaje y las direcciones de la corriente se invierten. Las características de drenaje aparecerán como se muestra en la figura 2, con niveles crecientes de corriente a consecuencia de los valores cada vez más negativos de VGS. Las características de transferencia serán la imagen de espejo (con respecto al eje ID) de la curva de transferencia de la figura 2, con ID incrementándose a una con los valores cada vez negativos de VGS más allá de VT. [2]

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Figura 3. Estructura del MOSFET enriquecimiento tipo p. [2]

4.4 Característica de salida La corriente del drenador está controlada por la tensión en la puerta y esto sucede cuando Vgs es mayor que Vgs (th). El MOSFET de enriquecimiento puede funcionar en una zona óhmica y una zona activa, ósea, puede actuar como una fuente de corriente o como resistencia. El principal uso es en la zona óhmica. El transistor no tendrá flujo de corriente en el drenado si Vgs es mayor que Vgs (th). Entonces, a partir de ahí la corriente que pasa por el drenado se incrementara rápidamente hasta que alcanza la corriente de saturación Id. Entonces si pasamos más allá de ese punto el dispositivo va a estar polarizado en la región óhmica, por lo tanto, ID no va a poder crecer, aunque Vgs crezca. [3] [4]

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Figura 4. Curva característica de un MOSFET de canal n.[7] 4.5 MÁXIMA TENSIÓN PUERTA-FUENTE El MOSFET tiene una delgada capa de dióxido de silicio que funciona como aislante, por lo que impide la corriente de puerta para voltajes tanto positivas como negativas. En su mayoría los MOSFET tienen diodos Zener internos que lo protegen, y estos se encuentran en paralelo con la puerta y fuente. Puesto que la capa de aislamiento es tan delgada esta se destruye fácilmente con una tensión puerta-fuente excesiva. Incluso si lo tocáramos con las manos un MOSFET puede depositar suficiente carga estítica para que exceda la Vgs. Nunca se deben conectar ni desconectar, mientras estén conectados a una fuente de alimentación. En conclusión, estos dispositivos MOSFET son delicados y se destruyen con facilidad, y se tienen que manejar cuidadosamente. [4] [8]

4.6 REGIONES DE OPERACIÓN. Cuando se induce un canal y Vds aumenta, el canal se encoge en el lado del drenador, ya que en la puerta - canal en ese punto la diferencia de potencial es más baja. Por lo tanto, mientras exista el canal estará en región óhmica y el dispositivo tendrá baja resistencia. Aquí veremos las diferentes operaciones del MOSFET, las cuales se pueden dividir en tres 8

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regiones diferentes (Depende de las tensiones en sus terminales). Un MOSFET de enriquecimiento de canal n tienes las siguientes regiones: región corte, región óhmica y región de saturación. Cuando Vgs < Vt en transistor está en la región de corte. Cuando el transistor se encuentre en la región de corte el MOSFET trabajara como un circuito abierto, entre la fuente y el drenador. En esta región de acuerdo con el modelo básico del transistor, el dispositivo se encuentra apagado. Y como entre la fuente y el drenador no hay conducción, el MOSFET se comporta como un switch abierto. Cuando un MOSFET está polarizado en la región óhmica, el valor de Rds(on) viene dado 𝑉𝑑𝑠

por la ecuación: Rds= 𝐼𝑑 (1). Este estará en la región óhmica siempre que VGS > Vt y VDS < ( VGS – Vt ). En esta región equivale a una resistencia variable conectada entre el drenador y la fuente. El valor de esta resistencia depende del valor entre la puerta y la fuente Vgs. En los MOSFET se evita polarizarlo en la zona activa. La tensión de entrada toma siempre un valor alto o bajo. Por último, la región de saturación. El MOSFET estará en esta región, cuando VGS > Vt y VDS > ( VGS – Vt ). El MOSFET entrara en esta zona cuando la tensión entre el drenador y fuente Vds supere un valor fijo llamado tensión de saturación. En esta zona, el transistor mantiene una corriente constante en el drenado Id, sin importar el valor de tensión entre Vds. Si se encuentra en esta región funcionara como una fuente de corriente. [8] [9]

4.7 Operación sin voltaje aplico a la compuerta Si no se aplica una tensión a la compuerta, este se forma como dos diodos conectados en serie entre el drenaje y la fuente. Si están conectada espalda con espalda estos impiden el paso de la corriente del drenaje a la fuente cuando se aplica un voltaje. Sin voltaje se forma como dos diodos (espalda con espalda) y quedan formados por una unión pn entre el canal n del dren y el sustrato tipo p, y el otro diodo se forma de una unión pn entre el sustrato tipo p y el canal n de la fuente. Un transistor MOSFET de tipo enriquecimiento tiene una conductividad que mejora cuando su tensión en la puerta es mayor que la tensión umbral. Si tenemos una tensión de puerta nula, la corriente en la fuente y el drenador es nula. Y si tenemos una tensión de puerta nula, entonces la corriente de fuente y el drenador también es nula. Para obtener corriente la única forma es mediante una tensión en la puerta. Se le llama tensión umbral cuando el voltaje Vgs es mínima y crea una capa de inversión de tipo n), simbolizada por Vgs (th) por su nombre en inglés (threshold voltage)). Cuando Vgs es menor que VGS (th) la corriente de drenador el nula. Pero cuando VGS es mayor que VGS 9

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(th), una capa tipo n conecta de la fuente al drenador y la corriente en el drenador es grande. [4] [5] 4.8 Creación de un canal para la circulación de corriente Si se conecta la fuente y el drenador a tierra, como se observa en la figura 3, y se aplica un voltaje positivo a la compuerta. Si la fuente está a tierra, el voltaje de la compuerta se ve reflejado en la compuerta y fuente (Vgs). Cuando se aplica el voltaje positivo en la compuerta, ocasiona que los electrones libres (huecos libres) positivamente cargando sean repelidos de la región del canal (sustrato bajo la compuerta). En la región de agotamiento queda poblada con carga negativas y estas cargas están descubierta porque los huecos fueron empujados abajo del sustrato. Por esta razón, el voltaje positivo de la compuerta trae electrones de la región n del dren y la fuente hacia la región del canal.

Una región n se conecta a las regiones de la fuente y el dren cuando un número suficiente de electrones están cerca de la superficie del sustrato bajo la compuerta. Si se aplica una tensión positiva entre la fuente y el dren, circula una corriente por la región n inducida, que es llevada por electrones móviles. Por esta razón la región n forma un canal para la corriente entre el dren y la fuente.

Ahora si se aplica un voltaje positivo entre la fuente y la compuerta no se producirá ninguna conducción entre ellos, porque la compuerta está físicamente aislada del semiconductor. Pero, si en esta se aplica una tensión en la compuerta se va a producir una acumulación de electrones, producto de la atracción generada por la diferencia de potencial. Y si al quitar el voltaje entre la compuerta y la fuente (VGS) es claro afirmar, que la conducción desaparece inmediatamente al desaparecer el canal. Entonces de lo anterior ya dicho el tamaño del canal dependerá del nivel de tensión aplicado a la compuerta, por lo tanto, mientras mayor sea, más electrones habrá en el canal, condicionando así la corriente que puede circular.

[5] [10] [11]

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Figura 5. Transistor para la creación de un canal [5]

4.9 Aplicación de los MOSFET tipo enriquecimiento Uso del MOSFET basado en la monitorización directa de p53 (proteína supresora de tumores) en suero enriquecido. Se utilizó el transistor de efecto de campo semi conductor de efecto metálico (MOSFET), en la interacción biomolecular entre el ADN y la proteína p53 fue medido usando un MOSFET modificado con ADN de fuerza iónica fisiológica. En este caso fue utilizado el mosfet ya que como la compuerta está aislada del canal por el cual n y p, esto hace que fluya desde la fuente hasta el desagüe, siendo así un tipo especial de FET (transistor de efecto de campo). El mosfet por su estructura es un dispositivo de corriente controlado por voltaje funcional. En respuesta a los analitos biológicos, la compuerta controla el flujo de los portadores a través del canal conductor por debajo del óxido de la compuerta al cambiar la forma y longitud del canal gracias a sus excelentes propiedades eléctricas. Es un crucial para un buen biosensor. [12]

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4.10 Sensor térmico de un solo mosfet DC para la extracción de frecuencia central del amplificador de RF Se ha llevado a cabo investigaciones sobre un chip térmico de baja potencia y pequeña señal para la gestión térmica de circuitos de baja potencia de baja potencia y una pequeña área para la gestión térmica de circuitos integrados digitales. En cuanto al sensor térmico en el chip el dispositivo más simple que se puede emplear pude ser utilizar un diodo o un transistor ya sea BJT o un MOSFET. Los sensores térmicos que están basados en mosfet tienen una sensibilidad térmica mayor en inversiones fuertes y requieren un área de diseño más pequeña por lo que los hace ideales para el trabajo pues esto último es esencial para lo que se quiere. Esta investigación arrojo que el sensor térmico propuesto, el cual se basa en un solo mosfet conectado a diodos requiere un área muy baja y por lo tanto esto quiere decir que tiene un impacto muy bajo en el diseño de un micro chip. [13] 4.11 Transistores de efecto de campo con efecto de túnel de doble puerta de metal basados en mosfet: enfoque analítico 2D Fueron utilizados transistores dobles con efecto de túnel de doble puerta de metal basado en mosfet Mediante la ecuación de poisson se puede calcular los efectos del grosor de la película delgada y de la tensión en la compuerta, el campo eléctrico y los efectos que tiene el grosor de la película delgada en la corriente que circula por el túnel. En esta investigación fue muy importante las ventajas del mosfet y del transistor de efecto de campo de túnel para combinarlos entre si empleando un electrodo adicional sobre la región n positiva y una región p positiva, lo que hace que la estructura mosfet se comporte como un transistor de efecto de campo túnel. [14]

5. Conclusiones Los MOSFET de tipo enriquecimiento son unos de los dispositivos que cambio en el mundo y pueden tener muchos usos uno de ellos como una resistencia controlada por tensión, también aplicados a otras áreas no solo en la electrónica, El MOSFET de enriquecimiento se basa principalmente en la creación de un canal entre el drenado y la fuente, cuando se aplica un voltaje a la compuerta.

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PAGINAS FINALES: 6. Bibliografía 7. [1]Boylestad, R. L. (2009). Electrónica: Teoría de Circuitos electronicos 6ed . Pearson. [2] Boylestad, R. L. (2009). Electrónica: Teoría de Circuitos electronicos10ed . Pearson. [3]esimerobotica.tripod. (s.f.). esimerobotica. Obtenido de MOSFET2: http://esimerobotica.tripod.com/MOSFET2.pdf [4]Malvino, A. P. (2000). PRINCIPIOS DE LECTRONICA. McGRAWHILYINTERAMERICANA DE ESPANA, S. A. U. . [5]Sedra, A. S. (2000). Circuitos Microelectricos. Oxford University Press Mexico. [6]Martínez., Á. L. (s.f.). transistoresweb. Obtenido de rabfis15: http://rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/MOSFET.html [7]mgimenez. (s.f.). Labc.usb. Obtenido de Labc.usb: http://www.labc.usb.ve/paginas/mgimenez/EC1113/Contenido/clase18.pdf [8]Themeisle. (s.f.). el-transistor-mosfet. Obtenido de WordPress: https://www.diarioelectronicohoy.com/blog/el-transistor-mosfet [9]García., V. (03 de Agosto de 2012). hispavila. Obtenido de hispavila: http://hispavila.com/total/3ds/atmega/mosfets.html [10]smartdreams. (s.f.). smartdreams. Obtenido de smartdreams: http://smartdreams.cl/transistores-mosfet-como-interruptores-de-potencia/ [11]wikipedia. (13 de Abril de 2017). wikipedia. Obtenido de wikipedia: https://es.wikipedia.org/wiki/Transistor_de_efecto_de_campo_metal%C3%B3xido-semiconductor#Aplicaciones [12]Ferran Reverter a, ,. X. (2017). Sensors and Actuators A: Physical. [13]Yunkwang Oh, T. T.-S. (2016). Metal oxide semiconductor field-effect transistor (MOSFET)-based. Revista de Química Industrial e Ingeniería. [14]Orouji, Z. R. (2017). Transistores de efecto de campo con efecto de túnel de doble puerta de metal basados en MOSFET: un enfoque analítico 2-D. Superredes y microestructuras. 1. 2. Anexos 13

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