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2.10: Transistores de efecto de campo de puerta aislante (MOSFET)

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    El MOSFET tiene terminales de fuente, compuerta y drenaje como el FET. Sin embargo, el cable de puerta no realiza una conexión directa con el silicio en comparación con el caso del FET. La puerta MOSFET es una capa metálica o de polisilicio encima de un aislante de dióxido de silicio. La puerta tiene un parecido con un condensador semiconductor de óxido metálico (MOS) en la Figura a continuación. Cuando están cargadas, las placas del condensador toman la polaridad de carga de los respectivos terminales de la batería. La placa inferior es silicio tipo P del cual los electrones son repelidos por el terminal negativo (-) de la batería hacia el óxido, y atraídos por la placa superior positiva (+). Este exceso de electrones cerca del óxido crea un canal invertido (exceso de electrones) bajo el óxido. Este canal también está acompañado por una región de agotamiento que aísla el canal del sustrato de silicio a granel.

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    Condensador MOS de canal N: (a) sin carga, (b) cargado.

    En la figura siguiente (a) el condensador MOS se coloca entre un par de difusiones de tipo N en un sustrato de tipo P. Sin carga en el condensador, sin polarización en la puerta, las difusiones de tipo N, la fuente y el drenaje permanecen eléctricamente aislados.

    03423.png

    MOSFET de canal N (tipo de mejora): (a) polarización de puerta de 0 V, (b) polarización de puerta positiva.

    Una polarización positiva aplicada a la puerta carga el condensador (la puerta). La compuerta encima del óxido adquiere una carga positiva de la batería de polarización de compuerta. El sustrato tipo P debajo de la puerta toma una carga negativa. Una región de inversión con un exceso de electrones se forma por debajo del óxido de puerta. Esta región ahora conecta las regiones de tipo N fuente y drenaje, formando una región N continua de fuente a drenaje. Así, el MOSFET, al igual que el FET, es un dispositivo unipolar. Un tipo de portador de carga es responsable de la conducción. Este ejemplo es un MOSFET de canal N. La conducción de una gran corriente de fuente a drenaje es posible con un voltaje aplicado entre estas conexiones. Un circuito práctico tendría una carga en serie con la batería de drenaje de la Figura anterior (b).

    El MOSFET descrito anteriormente en la Figura anterior se conoce como MOSFET de modo de mejora. El canal no conductor, apagado, se enciende mejorando el canal debajo de la puerta mediante la aplicación de un sesgo. Este es el tipo de dispositivo más común. El otro tipo de MOSFET no se describirá aquí. Consulte el capítulo del transistor de efecto de campo de puerta aislante para ver el dispositivo de modo de agotamiento.

    El MOSFET, al igual que el FET, es un dispositivo controlado por voltaje. Una entrada de voltaje a la puerta controla el flujo de corriente de la fuente al drenaje. La puerta no consume una corriente continua. Sin embargo, la puerta extrae una oleada de corriente para cargar la capacitancia de la puerta.

    La sección transversal de un MOSFET discreto de canal N se muestra en la Figura siguiente (a). Los dispositivos discretos suelen estar optimizados para conmutación de alta potencia. El N + indica que la fuente y el drenaje están fuertemente dopados de tipo N. Esto minimiza las pérdidas resistivas en la ruta de alta corriente desde la fuente hasta el drenaje. El N - indica dopaje ligero. La región P debajo de la puerta, entre la fuente y el drenaje, puede invertirse mediante la aplicación de una tensión de polarización positiva. El perfil de dopado es una sección transversal, que se puede colocar en un patrón serpentino en la matriz de silicio. Esto aumenta en gran medida el área, y en consecuencia, la capacidad de manejo actual.

    03305.png

    MOSFET de canal N (tipo de mejora): (a) Sección transversal, (b) símbolo esquemático.

    El símbolo esquemático MOSFET de la Figura anterior (b) muestra una puerta “flotante”, que indica que no hay conexión directa con el sustrato de silicio. La línea discontinua desde la fuente hasta el drenaje indica que este dispositivo está apagado, no conduce, con polarización cero en la puerta. Un MOSFET normalmente “apagado” es un dispositivo de modo de mejora. El canal debe ser mejorado mediante la aplicación de un sesgo a la puerta de conducción. El extremo “apuntante” de la flecha del sustrato corresponde al material tipo P, que apunta hacia un canal tipo N, el extremo “no apuntante”. Este es el símbolo para un MOSFET de canal N. La flecha apunta en la dirección opuesta para un dispositivo de canal P (no mostrado). Los MOSFET son cuatro dispositivos terminales: fuente, compuerta, drenaje y sustrato. El sustrato está conectado a la fuente en MOSFET discretos, lo que convierte la parte empaquetada en un dispositivo de tres terminales. Los MOSFET, que forman parte de un circuito integrado, tienen el sustrato común a todos los dispositivos, a menos que estén aislados a propósito. Esta conexión común puede unirse fuera de la matriz para la conexión a una tensión de polarización de tierra o fuente de alimentación.

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    Transistor “V-MOS” de canal N: (a) Sección transversal, (b) símbolo esquemático.

    El dispositivo V-MOS en (Figura anterior) es un MOSFET de potencia mejorado con el perfil de dopado dispuesto para una fuente de estado encendido inferior para drenar resistencia. VMOS toma su nombre de la región de la puerta en forma de V, que aumenta el área de la sección transversal de la trayectoria fuente-drenaje. Esto minimiza las pérdidas y permite la conmutación de mayores niveles de potencia. UMOS, una variación que utiliza una ranura en forma de U, es más reproducible en la fabricación.

    Revisar

    • Los MOSFET son dispositivos de conducción unipolar, conducción con un tipo de portador de carga, como un FET, pero a diferencia de un BJT.
    • Un MOSFET es un dispositivo controlado por voltaje como un FET. Una entrada de voltaje de puerta controla la fuente para drenar la corriente.
    • La compuerta MOSFET no consume corriente continua, excepto fugas. Sin embargo, se requiere una considerable sobretensión inicial de corriente para cargar la capacitancia de la puerta.

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