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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA ESPAÑA DE DURANGO

ING. MECÁNICO ELECTRICISTA QUINTO CUATRIMESTRE

ELECTRÓNICA I MOSFET

DOCENTE: Ing. Norma Gurrola Castillo. ALUMNO: Dishan Misael Beltrán Morales.

Victoria de Durango, DGO., 27 de mayo de 2016

ÍNDICE INTRODUCCIÓN.......................................................................................................3 MOSFET....................................................................................................................4 MOSFET del tipo empobrecimiento...................................................................4 Operación y características básicas...................................................................5 MOSFET tipo empobrecimiento de canal p........................................................8 MOSFET del tipo enriquecimiento......................................................................9 MOSFET tipo enriquecimiento de canal p........................................................11 USOS Y APLICACIONES EN AMPLIFICADORES................................................12 CONCLUSIÓN.........................................................................................................14 BIBLIOGRAFÍA.......................................................................................................15

INTRODUCCIÓN El transistor de efecto de campo (FET) es un dispositivo de tres terminales que se utiliza en varias aplicaciones que coinciden, en gran medida, con las del transistor BJT. Aun cuando existen diferencias importantes entre los dos tipos de dispositivos, también hay muchas semejanzas Las diferencias principales entre los dos tipos de transistor radican en el hecho de que: el transistor BJT es un dispositivo controlado por corriente, en tanto que el transistor JFET es un dispositivo controlado por voltaje. El término efecto de campo requiere alguna explicación. Todos sabemos de la capacidad de un imán para atraer las limaduras de metal hacia sí mismo sin requerir un contacto real. El campo magnético del imán envuelve las limaduras y las atrae hacia el imán porque las líneas de flujo magnético actúan hasta donde es posible como un cortocircuito. Para el FET las cargas presentes establecen un campo eléctrico, el cual controla la ruta de conducción del circuito de salida sin que requiera un contacto directo entre las cantidades de control y las controladas. Cuando se introduce un dispositivo con muchas aplicaciones semejantes al que se introdujo, hay una tendencia natural a comparar algunas de la características generales de uno con las del otro: uno de las características más importantes del FET es su alta impedancia de entrada. Los MOSFET son un tipo de FET que ha llegado a ser uno de los dispositivos más importantes utilizados en el diseño y construcción de circuitos integrados para computadoras digitales. Su estabilidad térmica y otras características generales hacen que sean extremadamente populares en el diseño de circuitos de computadora. Sin embargo, por ser un elemento discreto confinado en un contenedor acopado, requiere un manejo cuidadoso.

MOSFET Existen tres tipos de FET: JFET, MOSFET y MESFET. Los MOSFET se dividen aún más en dos tipos: empobrecimiento y enriquecimiento. Los términos empobrecimiento y enriquecimiento definen su modo básico de operación; el nombre MOSFET significa transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico. Como hay diferencias en las características y operación de los diferentes tipos de MOSFET se describirán por separado.

MOSFET del tipo empobrecimiento.

La construcción básica del MOSFET tipo empobrecimiento de canal n aparece en la figura 1. Se forma una placa de material tipo p a partir de una base de silicio y se conoce como sustrato. Es la base sobre la cual se construye el dispositivo. En

algunos

casos,

el

sustrato

se

conecta

internamente a la terminal de fuente. Sin embargo, muchos dispositivos individuales cuentan con una terminal adicional etiquetada SS, lo que produce

Figura 1

un dispositivo de cuatro terminales, como el de la figura 1. La fuente y el drenaje están conectados mediante contactos metálicos a regiones tipo n dopadas vinculadas a un canal n como se muestran en la figura. También la compuerta está conectada a una superficie de contacto metálica aunque permanece aislada del canal n por una capa de bióxido de silicio (SiO 2) muy delgada. El SiO 2 es un tipo de aislante conocido como dieléctrico, el cual establece campos eléctricos opuestos (como lo indica el prefijo di) dentro del dieléctrico cuando se expone a un campo externamente aplicado. El hecho de que la capa de SiO 2 sea una capa aislante significa que no hay una conexión eléctrica entre la terminal de compuerta y el canal de un MOSFET. Además la capa aislante de SiO2 en la construcción de un MOSFET es la responsable de la muy deseable alta impedancia de entrada del dispositivo. En realidad, por lo común la resistencia de entrada de un MOSFET es más que la de un JFET típico, aun cuando la impedancia de entrada de la mayoría de los JFET es suficientemente alta en la mayoría de las aplicaciones. Debido a la muy alta impedancia de entrada, la corriente de compuerta I G es en esencia de 0 A para configuraciones polarizadas de cd. La razón de la etiqueta de FET semiconductor de óxido metálico ahora es bastante obvia: metal por las conexiones del drenaje, fuente, y condiciones de compuerta a la superficie apropiada; en particular a la terminal de compuerta y al

control que debe ofrecido el área de la superficie de contacto; óxido por la capa aislante de bióxido de silicio, y semiconductor por la estructura básica sobre la cual se difunden las regiones tipo n y p. La capa aislante entre la compuerta y el canal dio origen a otro nombre para el dispositivo FET: compuerta aislada, o IGFET, aunque esta designación cada vez se utiliza menos en la literatura.

Operación y características básicas. En la figura 2 el voltaje de la compuerta a la fuente se ajusta a 0 V por la conexión directa de una terminal a la otra y se aplica un voltaje VDS del drenaje a la fuente. El resultado es la atracción del potencial positivo en el drenaje por los electrones libres del canal n y la corriente semejante a la que se establece a través del canal del JFET. De corriente resultante con VGS 0

hecho,

Figura 2

V

se

la sigue

etiquetando IDSS, como se muestra en la figura 3.

Figura 3 Figura 4

En la figura 4, VGS aparece ajustado a un voltaje negativo de 1 V. El potencial negativo en la compuerta tenderá a ejercer presión en los electrones hacia el sustrato tipo p (las cargas semejantes se repelen) y a atraer los huecos del sustrato tipo p (las cargas opuestas se atraen)

como se muestra en la figura 4. Dependiendo de la magnitud de la polarización negativa establecida por VGS, ocurrirá un nivel de recombinación entre los electrones y huecos que reducirá el número de electrones libres en el canal n disponibles para conducción. Cuanto más negativa sea la polarización, más alta será la tasa de recombinación. Por consiguiente, el nivel de la corriente de drenaje resultante se reduce con la polarización cada vez más negativa de VGS como se muestra en la figura 3 para VGS 1 V, 2 V, etc., al nivel de estrangulamiento de 6 V. Los niveles resultantes de la corriente de drenaje y el trazo de la curva de transferencia prosiguen exactamente como se describió para el JFET. Para valores positivos de VGS, la compuerta positiva atraerá más electrones (portadores libres) del sustrato tipo p debido a la corriente de fuga inversa y establecerá nuevos portadores a causa de las colisiones que ocurren entre las partículas de aceleración. A medida que el voltaje de la compuerta a la fuente continúa incrementándose en la dirección positiva, la figura 3 revela que la corriente de drenaje se incrementará con rapidez por las razones anteriormente ex- puestas. La separación vertical entre las curvas VGS 0 V y VGS 1 V de la figura 3 es una clara indicación de cuánto se incrementó la corriente con el cambio de 1 V de VGS. Debido al rápido incremento, el usuario debe tener en cuenta el valor de la corriente de drenaje máximo pues- to que podría excederse con un voltaje positivo en la compuerta. Es decir, para el dispositivo de la figura 3, la aplicación de un voltaje VGS 4 V produciría una corriente de 22.2 mA, la que posiblemente excedería el valor máximo (de corriente o potencia) para el dispositivo. Como previamente se reveló, la aplicación de un voltaje positivo de la compuerta a la fuente “mejoró” el nivel de portadores libres presentes en el canal en comparación con el encontrado con VGS 0 V. Por esta razón, a la región de voltajes de compuerta positivos en las características de drenaje o transferencia a menudo se le conoce como región de enriquecimiento, y a la región entre los niveles de corte y saturación de IDSS como región de empobrecimiento.

Es particularmente interesante y conveniente que la ecuación de Shockley continúe siendo aplicable en el caso de las características de los MOSFET tipo empobrecimiento tanto en la región de empobrecimiento como en la de enriquecimiento. Para ambas regiones, sólo se requiere incluir el signo apropiado con VGS en la ecuación y que el signo se monitoree con cuidado en las operaciones matemáticas.

MOSFET tipo empobrecimiento de canal p.

Figura 5

La construcción de un MOSFET tipo empobrecimiento de canal p es exactamente a la inversa de la que aparece en la figura 1. Es decir, ahora el sustrato es tipo n y el canal tipo p, como se muestra en la figura 5a. Las terminales no cambian, pero las polaridades del voltaje y las direcciones de corriente se invierten, como se muestra en la misma figura. Las características de drenaje aparecerían exactamente como en la figura 3, pero VDS con valores negativos, e ID valores positivos como se indica (puesto que ahora la dirección definida está invertida), y VGS con las polaridades opuestas como se muestra en la figura 5c. La inversión en VGS dará una imagen de espejo (con respecto al eje ID) para las características de transferencia como se muestra en la figura 5b. En otras palabras, la corriente de drenaje se incrementará desde el valor de corte con VGS Vp en la región positiva de VGS hasta IDSS y luego continuará incrementándose con

los valores negativos crecientes de VGS. La ecuación de Shockley sigue siendo aplicable y sólo requiere que se coloque el signo correcto tanto para VGS como para Vp en la ecuación.

MOSFET del tipo enriquecimiento. La construcción de un MOSFET tipo enriquecimiento es muy parecida a la del MOSFET tipo empobrecimiento excepto porque no hay un canal entre el drenaje y la fuente. Si VGS se ajusta a 0 V y se aplica un voltaje entre el drenaje y la fuente del dispositivo de la fi- gura 6.35, la ausencia de un canal n (con su generoso número de portadores libres) producirá una corriente de efectivamente 0 A; muy diferente del MOSFET tipo empobrecimiento y el JFET, donde ID IDSS. No es suficiente contar con una gran acumulación de portadores (electrones) en el drenaje y la fuente (debido a las regiones tipo n dopadas) si una trayectoria deja de existir entre los dos. Con un cierto voltaje positivo de VDS, VGS de 0 V y la terminal SS directamente conectada a la fuente, existen en realidad dos uniones p-n polarizadas en inversa entre las regiones tipo n dopadas el sustrato que se oponen a cualquier flujo significativo entre el drenaje y la fuente. En la figura 6 tanto VDS como VGS se ajustaron a un determinado voltaje positivo de más de 0 V, para establecer el drenaje y la compuerta a un potencial positivo con respecto a la fuente. El potencial positivo en la compuerta ejercerá presión en los huecos (puesto que las cargas semejantes se repelen) en el sustrato p a lo largo del borde de la capa de SiO 3 para que abandonen el área y lleguen a regiones más profundas del sustrato p, como se muestra en la figura. El resultado es una región de empobrecimiento cerca de la capa aislante de SiO 2 libre de huecos. Sin embargo, los electrones en el sustrato tipo p (los portadores minoritarios del material) serán atraídos a la compuerta positiva y se acumularán

en la región cercana a la superficie de la capa de SiO2. Ésta y sus propiedades aislantes impedirán que los portadores negativos sean absorbidos en la compuerta. Conforme VGS se incrementa, la concentración de electrones cerca de la superficie de SiO3 se incrementa y con el tiempo la región tipo

n

inducida

puede

soportar

un

flujo

mensurable entra el drenaje y la fuente. El nivel de VGS que pro- duce el incremento significativo de Figura 6

la corriente de drenaje se llama voltaje de umbral y está dado por el símbolo VT. En las hojas de

especificaciones se conoce como VGS(Th), aun cuando VT es más difícil de manejar se utilizará en el análisis siguiente. Como el canal no existe con VGS 0 V y está “mejorado” por la aplicación de un voltaje positivo de la compuerta a la fuente, este tipo de MOSFET se llama MOSFET tipo enriquecimiento. Los MOSFET tipo empobrecimiento –y enriquecimiento– tienen regiones tipo enriquecimiento, pero la etiqueta se aplicó al segundo, puesto que es el único modo de operación. Conforme VGS se incrementa más allá del nivel de umbral, la densidad de los electrones libres en el canal inducido aumentará y el resultado es el nivel incrementado de la corriente de drenaje. Sin embargo, si mantenemos VGS constante y aumentamos el nivel de VDS, la corriente de drenaje con el tiempo alcanzará un nivel de saturación como ocurrió para el JFET y el MOSFET tipo empobrecimiento. La nivelación de ID se debe a un proceso de estrangulamiento ilustrado por el canal más angosto en el extremo de drenaje del canal inducido como se muestra en la figura 6.37. Al aplicar la ley de voltajes de Kirchhoff a los voltajes en las terminales del MOSFET de la figura 6, encontramos que VDG = VDS

- VGS .

MOSFET tipo enriquecimiento de canal p. La construcción de un MOSFET tipo enriquecimiento de canal p es exactamente a la inversa de la que aparece en la figura . 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 6.41c, 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 7, con ID incrementándose a una con los valores cada vez más negativos de VGS más allá de VT.

Figura 7

USOS Y APLICACIONES EN AMPLIFICADORES Las configuraciones de circuito de los amplificadores MOSFET son en todo análogos a las de los FET de unión. Es particularmente así en el caso de los MOSFET de empobrecimiento porque la polaridad de la polarización de compuerta es igual, casi siempre, que para los FET. A los MOSFET de enriquecimiento se pueden aplicar también circuitos análogos, mientras los parámetros del circuito sean tales que la polarización de la compuerta tenga la misma polaridad que el sumidero y su magnitud supere a la tensión

Figura 8

umbral de compuerta. Las propiedades del MOSFET de enriquecimiento permiten montar el sencillo circuito amplificador representado en la figura 8, el cual resulta ser adecuado para muchas aplicaciones. La polarización de compuerta se obtiene sin más que conectar la compuerta al sumidero a través de una gran resistencia. El punto de trabajo se determina anotando el punto de la recta de carga para el cual son iguales la tensión continua de sumidero y la tensión continua de compuerta. El análisis de circuito subsiguiente, utilizando un circuito equivalente para c.a., es inmediato. La resistencia de polarización de compuerta se conecta al sumidero, en vez de a la tensión de alimentación del sumidero, a fin de estabilizar el punto de trabajo frente a cambios exteriores. Por ejemplo, si se debilitara ligeramente a la corriente de sumidero, se reduce la caída de tensión en la resistencia de carga de sumidero. Con ello aumenta la polarización de la compuerta, lo cual tiende, a su vez, a volver a la corriente de sumidero su intensidad original. Esta estabilización es análoga a la conseguida con la resistencia de polarización de sumidero en la configuración convencional de polarización.

Las tensiones de señal del circuito de sumidero vuelven también a la entrada a través de la resistencia de polarización de la compuerta. Este aspecto desfavorable suele poderse ignorar porque la impedancia de los generadores de señal es pequeña frente a la gran resistencia de polarización de compuerta, con lo que se reducen correspondientemente las señales de sumidero que aparecen en el circuito de entrada.

CONCLUSIÓN Los MOSFET están disponibles en uno de dos tipos: empobrecimiento y enriquecimiento.

El

MOSFET

tipo

empobrecimiento

tiene

las

mismas

características que un JFET con corrientes de drenaje hasta el nivel de IDSS. En este punto las características de un MOSFET tipo empobrecimiento continúan elevándose a niveles por encima de IDSS, en tanto que las del JFET se terminarán. Su estabilidad térmica y otras características generales hacen que sean extremadamente populares en el diseño de circuitos de computadora. Sin embargo, por ser un elemento discreto confinado en un contenedor acopado, requiere un manejo cuidadoso. Las características de transferencia de un MOSFET tipo enriquecimiento no están definidas por la ecuación de Shockley sino por una ecuación no lineal controlada por el voltaje de la compuerta a la fuente, el voltaje de umbral, y una constante k definida por el dispositivo empleado. La gráfica resultante ID contra VGS se eleva exponencialmente con los valores crecientes de VGS. Un MOSFET tipo empobrecimiento incluye una unión metal-semiconductor, que produce características que concuerdan con las de un JFET tipo empobrecimiento de canal n. Los MESFET tipo enriquecimiento tienen las mismas características que los MOSFET tipo enriquecimiento. El resultado de esta semejanza es que se pueden aplicar a los MESFET las mismas técnicas de análisis de cd y ca que se aplicaron a los JFET. A los MOSFET de enriquecimiento se pueden aplicar también circuitos análogos, mientras los parámetros del circuito sean tales que la polarización de la compuerta tenga la misma polaridad que el sumidero y su magnitud supere a la tensión umbral de compuerta. Las propiedades del MOSFET de enriquecimiento permiten montar el sencillo circuito amplificador, el cual resulta ser adecuado para muchas aplicaciones.

BIBLIOGRAFÍA BROPHY, J. (1974). Electrónica fundamental para científicos. Editorial Reverté. BOYLESTAD,

R.

(2009).

Electrónica:

electrónicos. Editorial Pearson.

teoría

de

circuitos

y

dispositivos