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12.2: El DE-MOSFET

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    Al igual que el JFET, el DE-MOSFET se basa en la idea de modular el flujo de corriente a través del canal drenaje-fuente generando una capa de agotamiento a partir de una tensión puerta-fuente. Sin embargo, lo logra a través de un proceso completamente diferente. Para entender cómo se construye el dispositivo, se muestra un dibujo funcional simplificado de un DEMOSFET de canal N en la Figura\(\PageIndex{1}\).

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    Figura\(\PageIndex{1}\): Estructura interna DE-MOSFET.

    Aquí vemos el canal tipo N sentado sobre un sustrato P. Los cables de drenaje y fuente están conectados a cada extremo. Por encima del canal hay una capa aislante muy delgada (el dióxido de silicio es una posibilidad). Por encima de esto tenemos una metalización a la que está adherida la terminal de puerta. Tenga en cuenta que no hay ningún cruce PN involucrado con la puerta. A esto le agregaremos fuentes externas de polarización y resistencias limitantes, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\).

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    Figura\(\PageIndex{2}\): Sesgo DE-MOSFET con flujo de electrones.

    Las líneas discontinuas representan el flujo de corriente electrónica como en nuestros análisis de dispositivos anteriores. Un suministro positivo,\(V_{DD}\), está unido al drenaje a través de una resistencia limitadora. Un segundo suministro,\(V_{GG}\), se adjunta a la puerta. La corriente de puerta se puede aproximar como cero, entonces\(V_{GS} = V_{GG}\). Si\(V_{GS}\) es cero, una cierta cantidad de corriente fluirá a través del canal en función de los parámetros físicos del canal y el potencial drenaje-fuente aplicado. Para valores relativamente bajos de\(V_{DS}\), el canal se comportará algo como una resistencia. Esta es la misma región óhmica que se ve con el JFET. A\(V_{DS}\) medida que aumenta, el canal se saturará y comenzará a comportarse como una fuente de corriente constante. Si\(V_{DS}\) se lleva demasiado alto, la corriente de drenaje aumenta bruscamente a medida que el dispositivo ingresa a la región de avería. El comportamiento general imita el de un JFET. Tenga en cuenta que la corriente se mueve lateralmente, a través del dispositivo, por lo que este tipo de construcción se conoce como MOSFET lateral.

    Si\(V_{GS}\) se establece en un voltaje negativo modesto, se desarrollará una región de agotamiento dentro del canal. Básicamente, la puerta está actuando como una placa de un condensador, el canal como la otra placa, y la capa aislante es el dieléctrico. Al igual que un condensador, la carga negativa en la “placa” de la puerta conduce a una carga positiva equivalente en la “placa” del canal. Como el canal está hecho de material tipo N, esta acción crea una región desprovista de cargos libres, de ahí una región de agotamiento. Esta región de agotamiento conducirá a un pellizco más pronto y, por lo tanto, a una menor corriente en la región de saturación. Cuanto más negativo\(V_{GS}\) se hace, mayor es la región de agotamiento y menor es la corriente de drenaje correspondiente. Eventualmente, si\(V_{GS}\) se lleva lo suficientemente negativo, el canal se bloqueará y no fluirá ninguna corriente de drenaje. Este voltaje se conoce como\(V_{GS(off)}\) (de nuevo). La corriente producida cuando\(V_{GS} = 0\) V también se conoce como\(I_{DSS}\). Este modo de operación se conoce como modo de agotamiento debido a la región de agotamiento que se crea.

    Lo que hace que el DE-MOSFET sea distinto del JFET es lo que sucede cuando los\(V_{GS} > 0\) voltios. En un JFET, esto adelantaría sesgo el cruce y se perdería el control. Aquí, sin embargo, un positivo\(V_{GS}\) simplemente invierte las polaridades asociadas con las “placas” de puerta y canal. Por lo tanto, un positivo\(V_{GS}\) mejora la conductividad del canal y la corriente de drenaje aumenta a medida que\(V_{GS}\) es más positiva. Este modo de operación se llama modo de mejora. Esto también significa que ya no\(I_{DSS}\) es la corriente de drenaje máxima de la que es capaz el dispositivo. Una curva característica se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\), a continuación.

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    Figura\(\PageIndex{3}\): Curva característica para DEMOSFET (nota: esto usa\(-V_{GS}/V_{GS(off)}\) para el voltaje normalizado para que los cuadrantes no aparezcan invertidos en comparación con una curva típica del dispositivo).

    Esta curva es esencialmente la misma que se presenta para el JFET con la excepción de que se extiende hacia el primer cuadrante. Esto hace que el DE-MOSFET sea un dispositivo único en el sentido de que puede operar en dos cuadrantes diferentes.

    La ecuación del dispositivo para la operación cuando\(V_{DS} > V_P\) es también la misma, pero con un rango extendido para\(V_{GS}\):

    \[I_D = I_{DSS} \left( 1 − \frac{V_{GS}}{V_{GS (off )}}\right)^2 \label{12.1} \]

    Dónde

    \(V_{GS}\)es el voltaje puerta-fuente (\(V_{GS(off)} \leq V_{GS} \leq V_{GS(max)})\),

    \(I_D\)es la corriente de drenaje,

    \(I_{DSS}\)es la corriente máxima,

    \(V_{GS(off)}\)es el voltaje de apagado.

    \(V_{GS(max)}\)se puede encontrar en una hoja de datos. Por encima de este voltaje la capa aislante se dañará y el dispositivo dejará de funcionar correctamente. Un valor típico para esto podría estar en el rango de 20 a 30 voltios. El truco es que dada la corriente de puerta muy pequeña, incluso una simple descarga electrostática puede dañar el dispositivo. Es muy fácil desarrollar cientos de voltios estáticos en el cuerpo humano. De hecho, generalmente no se nota hasta que el potencial alcanza unos pocos miles de voltios (como en el vello corporal de pie). La consecuencia de esto es que el simple hecho de recoger el dispositivo podría destruirlo. 1

    Hay un par de formas diferentes de tratar este tema. La primera forma es agregar diodos Zener consecutivos a través del dispositivo durante su fabricación. El problema con esto es que la corriente de fuga del diodo será mayor que la corriente de puerta y esto degrada el rendimiento. La otra técnica es evitar que la carga llegue al dispositivo en primer lugar. Por ejemplo, el MOSFET se puede enviar en plástico conductor (que no debe confundirse con plástico ordinario o espuma de poliestireno). Algunos dispositivos se envían con un cortocircuito de metal que abarca todos los cables. Además, durante la fabricación o prototipado, se establecen controles ambientales para minimizar la creación de cargas estáticas, siendo importante como ejemplo la humedad óptima. Los trabajadores que manejan dispositivos pueden trabajar en tapetes conductores especiales o usar correas para las muñecas que están unidas al suelo. Estos artículos son sólo ligeramente conductores, es decir, de alta resistencia, ya que no sería seguro conectar a tierra eléctricamente a un humano que trabaja en un laboratorio eléctrico. Los dispositivos son lo suficientemente conductores como para sangrar la carga estática pero no tan conductores como para presentar un peligro de choque. Una vez instalada en la placa de circuito, se aplican las precauciones ESD normales. Como la ecuación característica del dispositivo no ha cambiado, muchos de los ítems derivados para el JFET aún se aplican al DE-MOSFET. Esto incluye la gráfica de la ecuación de transconductancia que se encuentra en el Capítulo 10.

    Como la ecuación de transconductancia no cambia con la excepción de un rango extendido para\(V_{GS}\), la definición para\(g_{m0}\) también no cambia.

    \[g_{m0} =− \frac{2 I_{DSS}}{V_{GS(off )}} \label{12.2} \]

    \[g_m = g_{m0} \left( 1 − \frac{V_{GS}}{V_{GS (off )}} \right) \label{12.3} \]

    Vale la pena señalar que ya\(g_{m0}\) no representa la transconductancia máxima del dispositivo porque ya\(I_{DSS}\) no representa la corriente de drenaje máxima como se ve en la Figura\(\PageIndex{3}\). Para ilustrarlo de otra manera,

    \[g_m = g_{m0} \sqrt{\frac{I_D}{I_{DSS}}} \label{12.4} \]

    Es muy importante observar el signo de\(V_{GS}\) en la Ecuación\ ref {12.3}. En modo de mejora, un positivo\(V_{GS}\) conducirá a un\(g_m\) mayor que\(g_{m0}\) debido al doble negativo.

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    Figura\(\PageIndex{4}\): Símbolos esquemáticos DE-MOSFET. Canal N (izquierda) y canal P (derecha).

    Los símbolos esquemáticos para el DE-MOSFET se muestran en la Figura\(\PageIndex{4}\). Como es la norma, la flecha apunta en la dirección del material N, con la barra vertical central representando el canal. La flecha está unida al sustrato. En algunos dispositivos esto se saca del empaque como un cuarto cable aunque en muchos simplemente se ata de nuevo al terminal de origen como se muestra aquí. Por último, observe cómo el terminal de puerta no se dibuja conectado al cuerpo del dispositivo, enfatizando su naturaleza aislada.

    Referencias

    1 Lo que nos trae a la mente la vieja pregunta de en qué almacenar un solvente universal.


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