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12.4: El E-MOSFET

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    El E-MOSFET está disponible en versiones de baja potencia y alta potencia. Opera solo en modo de mejora (primer cuadrante). La construcción de la versión de baja potencia es similar a la del DE-MOSFET pero con una distinción importante. Una sección transversal simplificada de un E-MOSFET de canal N se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\).

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

    En el E-MOSFET, el material P se extiende hacia arriba a través del canal y hasta la capa aislante de la puerta. Esto tiene el efecto de evitar el flujo de corriente con voltajes negativos de fuente de compuerta aplicados. En consecuencia, a veces se hace referencia a los E-MOSFET como dispositivos normalmente apagados. De hecho, el E-MOSFET no conducirá si\(V_{GS}\) es cero, o incluso para pequeños valores positivos de\(V_{GS}\). Los materiales P y N crean funcionalmente colinas de energía o barreras que impiden el flujo de corriente a través del canal. Esto se puede comparar con un BJT NPN que tiene un terminal de base abierta: ninguna corriente de colector fluiría (a menos que la tensión colector-emisor excediera el límite de ruptura).

    Para entender cómo funciona el E-MOSFET, consulte la Figura\(\PageIndex{2}\). Este diagrama muestra el dispositivo con drenaje positivo y suministros de compuerta conectados a él a través de resistencias limitadoras. Las líneas discontinuas indican el flujo de corriente electrónica. Al igual que con el DE-MOSFET, la puerta se puede ver como una placa de un condensador mientras que el material P sirve como la otra placa. Un voltaje positivo en la puerta conducirá a una carga negativa en el lado del material P. Si la carga es lo suficientemente grande, todos los orificios en el material P pueden llenarse dejando la porción del material situada cerca de la capa de aislamiento neutra (ni P ni N). Cualquier aumento adicional en el voltaje de la puerta inyecta más carga negativa en esta región, esto lo que hace que se comporte como material N. Esto se llama capa de inversión de tipo N y permite una ruta para que fluya la corriente. Cuanto más positivo hagamos el voltaje de la puerta, mayor será el efecto y mayor será la corriente.

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

    El voltaje donde la corriente comienza a fluir se denomina voltaje umbral y generalmente se denota como\(V_{GS(th)}\), aunque a veces se acorta a\(V_{th}\) o simplemente\(V_t\). Al igual que el JFET y el DE-MOSFET, la familia de curvas de drenaje E-MOSFET presenta tres regiones características: la región óhmica o triodo, la región de corriente constante o saturación y la región de ruptura.

    La ecuación característica para el E-MOSFET que opera en su región de corriente constante se da a continuación. Al igual que los otros FET examinados, se trata de un dispositivo de ley cuadrada.

    \[I_D = k (V_{GS}−V_{GS (th)} )^2 \label{12.5} \]

    Dónde

    \(I_D\)es la corriente de drenaje,

    \(V_{GS}\)es el voltaje puerta-fuente\((V_{GS(th)} \leq V_{GS} \leq BV_{GS})\),

    \(V_{GS(th)}\)es el voltaje umbral,

    \(k\)es un parámetro del dispositivo (una constante, unidades de amperios/voltio\(^2\) o siemens/voltio).

    La derivada de la Ecuación\ ref {12.5} produce la transconductancia.

    \[g_m = \frac{d I_D}{d V_{GS}} = 2k (V_{GS} −V_{GS(th)} ) \label{12.6} \]

    La ecuación\ ref {12.5} se representa en la Figura\(\PageIndex{3}\). El voltaje normalizado puerta-fuente es\(V_{GS} /V_{GS(th)}\) y la corriente de drenaje normalizada es la relación de\(I_D\) a la corriente generada cuando\(V_{GS}\) es dos veces\(V_{GS(th)}\). Esta curva recuerda a la curva característica de un BJT. Primero, ambos están en el primer cuadrante. En segundo lugar, ambas curvas presentan una pendiente positiva creciente. Finalmente, las curvas no comienzan a “despegar” hasta que se alcanza algún voltaje específico de encendido. En el caso del BJT, ese voltaje es aproximadamente 0.7 V para un dispositivo de silicio. Para el E-MOSFET, ese voltaje es\(V_{GS(th)}\). Obviamente, la curva MOSFET no aumenta tan rápidamente como la curva BJT.

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    Figura\(\PageIndex{3}\): Curva característica para E-MOSFET.

    El E-MOSFET de potencia utiliza una construcción diferente de los MOSFET de baja potencia y ofrece ciertas ventajas sobre los BJT de potencia, incluida una velocidad de conmutación muy rápida y menores demandas de corriente de accionamiento. En consecuencia, tienden a ser favorecidos sobre los BJT en aplicaciones de conmutación de alta potencia y alta velocidad, como reguladores de fuente de alimentación conmutada, convertidores de CC a CC y amplificadores de clase D (Capítulo 14). Estos dispositivos también exhiben\(r_{DS(on)}\) valores extremadamente bajos, en algunos casos solo unos pocos miliohmios. Existen diferentes métodos de construcción, siendo el más reciente el estilo trinchera. En la Figura se muestra una vista en corte\(\PageIndex{4}\).

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    Figura\(\PageIndex{4}\): Construcción de zanja eléctrica E-MOSFET.

    Un E-MOSFET de potencia está hecho de una gran cantidad de celdas, cada una con la “zanja” de puerta en forma de U (un estilo anterior usaba una zanja en forma de V). Tenga en cuenta la ubicación del drenaje, ahora opuesto a la puerta y fuente. La ventaja aquí es que la corriente fluye verticalmente en lugar de lateralmente. Esto da como resultado una capacidad de corriente mucho menor\(r_{DS(on)}\) y considerablemente mayor. La curva característica aún se hace eco de la Figura\(\PageIndex{3}\) aunque tiende a ser más pronunciada en comparación con los dispositivos de baja potencia.


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