Transistor MOSFET

Un transistor MOSFET, es un dispositivo de estructura metal oxido semiconductor. Es un transistor que se controla con voltaje en la compuerta usado para amplificar o conmutar señales. Actualmente, la versión de los transistores, el mas utilizado ya que es la base para la mayoría de los circuitos integrados. El transistor MOSFET desplazó al transistor BJT, el cual es controlado mediante la corriente de base. Además, respecto a los transistores BJT los MOSFET, tienen un consumo menor, tamaño inferior, control con voltaje, independiente de uso de resistencias, velocidades de conmutación mayores, entre otras ventajas.

Transistor JFET

Antes de comenzar a analizar el MOSFET, tenemos que hablar del transistor tipo JFET. De manera particular, el JFET es un dispositivo de tres terminales, compuerta (G), drenaje (D) y fuente (S). La parte principal de un transistor JFET esta formado por el semiconductor que se conecta a las terminales de fuente y drenaje. Los materiales restantes están conectados entre si para directamente a la compuerta. Notese que en la unión tenemos una región de empobrecimiento. La polarización del JFET esta en función a la diferencia de potencial entre los semiconductores. Esto incrementa la región de agotamiento y regula la cantidad de corriente que circula en el canal drenaje-fuente. Una vez que la diferencia de potencial genere una región de agotamiento suficientemente grande, se tiene la condición de estrangulamiento.

Transistor JFET

Figura 1: Transistor JFET.



Transistor MOSFET de empobrecimiento

El MOSFET de empobrecimiento se forma a partir de una base de semiconductor, el cual se le conoce como el sustrato. Se tienen dos regiones del mismo tipo de semiconductor, con una tercera región del mismo tipo que funge como canal de conexión, estas tres regiones en sus extremos se conectan a drenaje y a fuente. El sustrato se conecta a una cuarta terminal (SS). La terminal de compuerta esta conectada directamente al material dieléctrico, usualmente oxido de silicio, mediante una placa metálica. En la siguiente figura, se puede observar la configuración para ambos transistores MOSFET de empobrecimiento.

Transistor MOSFET

Figura 2. Transistor MOSFET de empobrecimiento.

Con una polarización de la compuerta de 0V, existe una corriente que fluye entre fuente y drenaje, esto debido a la misma composición del material semiconductor del canal. En este caso, podemos polarizar la compuerta para que el potencial ejerza una presión en los portadores mayoritarios del material del canal, además de atraer los mayoritarios del sustrato al canal. La recombinación generada entre los portadores del canal y el sustrato, modulara la cantidad de portadores libres disponibles para la conducción.

MOSFET

Figura 3. Transistor MOSFET de empobrecimiento. Sección central del transistor donde se observa como al momento de polarizar el G el canal se modula en función a la cantidad de portadores mayoritarios libres.

La ecuación que controla la corriente de salida de un transistor JFET o MOSFET de empobrecimiento, esta en función de la ecuación de Shockley:

    \[  I_D = I_{\text{DSS}} {\left(}1-{\frac{V_{\text{GS}}}{V_P}}}{\right)} \]

En donde IDSS es la corriente máxima que circula a través del drenaje mientras que el voltaje drenaje fuente, VDS se incrementa, además que el voltaje de compuerta este en GND. Vp es el voltaje cuando VDS llega a generar la corriente IDSS. La corriente de la fuente es prácticamente igual que la corriente del drenaje

 

    \[I_D = I_S\]

La corriente de la compuerta, tiende a ser cero.

    \[I_G = 0A\]

 

Transistor MOSFET Enriquecimiento

Considerando de manera particular, el primer caso como un transistor canal N. El sustrato es de semiconductor tipo p, el sustrato se conecta de manera interna a la terminal de la fuente. La fuente y el drenaje, están conectadas a un material tipo n mediante un contacto metálico, sin embargo en este caso no tenemos un canal que conecte estas terminales. La compuerta sigue conectada a una placa metálica, separada al material del sustrato por un oxido de silicio, con propiedades dieléctricas. A continuación se observan los transistores MOSFET de enriquecimiento canal N y canal P.

Transistor MOSFET

Figura 4. Transistor MOSFET de enriquecimiento.



Polarización positiva en compuerta canal N

Debido a que no existe un canal físico entre las terminales drenaje y fuente, la conducción de corriente es nula para una polarización VDS. Una vez que ajustamos un voltaje positivo a la entrada de la compuerta de un transistor canal N, tenemos que VGS=+V. El potencial positivo en la compuerta, ejerce presión en los huecos en el material p. Esto para que se alejen de el material dieléctrico. Los portadores minoritarios, en este caso electrones, son atraídos al material dieléctrico, atracción derivada de la polarización positiva de la compuerta. A medida que se incrementa VGS, también lo hacen los portadores minoritarios en la región mas cercana al dieléctrico. A partir de que comienza a haber conducción, se determina que ese VGS es igual a VTH, o voltaje de umbral.

 Transistor MOSFET de enriquecimiento.

Figura 5. Transistor MOSFET de enriquecimiento. El canal se forma junto a la compuerta, en función a los portadores minoritarios atraídos a la misma. La polarización de G define la cantidad de portadores.

Para valores de polarización de la compuerta mayores a los de el voltaje de umbral. El transistor se comporta de la siguiente manera.

    \[  I_D = k {\left(}V_{\text{GS}} -V_T{\rigth)}^2 \]

En donde k es un factor de ajuste. Este se puede encontrar con los parámetros de la hoja de datos. La corriente de drenaje y el voltaje de compuerta, ambos parámetros de encendido o ON.

    \[  k = {\frac{I_{\text{D-ON}}}{{\left(}V_{\text{GS-ON}} -V_{\text{GS(TH)}} {\rigth)}^2}} \]

A continuación se presenta un ejemplo de las características de la curva de transferencia. Notese que el voltaje VGS en este caso representado por los puntos en el eje de Xs, definen el valor de la corriente de salida, de la gráfica de la derecha. Los ejes Y se mantienen para ambas gráficas, en este caso corriente del drenaje.

 

Curva transferencia MOSFET

Figura 5. Curva de transferencia de un transistor tipo MOSFET de enriquecimiento. El valor del voltaje compuerta (X), define el valor de la corriente de drenaje (Y).

En este siguiente tutorial, veremos como polarizar un MOSFET canal N.  Enlace: Próximamente.

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Autor: DR: Hector Hugo Torres Ortega

 



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