EL TRANSISTOR MOS O MOSFET

1. INTRODUCCIÓN:

El transistor MOSFET, está basado en la estructura MOS. En los MOSFET de enriquecimiento, una

diferencia de tensión entre el electrodo de la Puerta y el substrato induce un canal conductor entre

los contactos de Drenador y Surtidor, gracias al efecto de campo. El término enriquecimiento hace

referencia al incremento de la conductividad eléctrica debido a un aumento de la cantidad de

portadores de carga en la región correspondiente al canal, que también es conocida como la zona de

inversión.

2. ESTRUCTURA DEL TRANSISTOR MOS:

La estructura MOS esta compuesta de dos terminales y tres capas: Un Substrato de silicio, puro o

poco dopado p o n, sobre el cual se genera una capa deOxido de Silicio (SiO2) que, posee

características dieléctricas o aislantes, lo que presenta una alta impedancia de entrada. Por

último, sobre esta capa, se coloca una capa de Metal (Aluminio o polisilicio), que posee

características conductoras. En la parte inferior se coloca un contacto óhmico, en contacto con la

capsula, como se ve en la figura.

La estructura MOS, actúa como un condensador de placas paralelas en el que G y B son las placas

y el óxido, el aislante. De este modo, cuando VGB=0, la carga acumulada es cero y la distribución de

portadores es aleatoria y se corresponde al estado de equilibrio en el semiconductor.

Cuando VGB>0, aparece un campo eléctrico entre los terminales de Puerta y substrato. La región

semiconductora p responde creando una región de empobrecimiento de cargas libres p+ (zona de

deplexión), al igual que ocurriera en la región P de una unión PN cuando estaba polarizada

negativamente. Esta región de iones negativos, se incrementa con VGB.

Al llegar a la región de VGB, los iones presentes en la zona semiconductora de empobrecimiento,

no pueden compensar el campo eléctrico y se provoca la acumulación de cargas negativas libres

(e-) atraídos por el terminal positivo. Se dice entonces que la estructura ha pasado de estar

en inversión débil ainversión fuerte.

El proceso de inversión se identifica con el cambio de polaridad del substrato, debajo de la región

de Puerta. En inversión fuerte, se forma así un CANAL dee- libres, en las proximidades del terminal

de Puerta (Gate) y de huecos p+ en el extremo de la Puerta.

La intensidad de Puerta IG, es cero puesto que, en continua se comporta como un condensador

(GB). Por lo tanto, podemos decir que, la impedancia desde la Puerta al substrato es

prácticamente infinita e IG=0 siempre en estática. Básicamente, la estructura MOS permite crear

una densidad de portadores libres suficiente para sustentar una corriente eléctrica.

3. MODELO DEL TRANSISTOR MOS: A diferencia del BJT, en el que la corriente de base fijaba la curva característica de salida, el MOSFET es un dispositivo controlado por tensión. Al tener los MOSFETs cuatro terminales, se necesitan tres tensiones independientes para determinar su región de funcionamiento. Normalmente se eligen las tensiones en los terminales de puerta, drenador y sustrato, respecto a la tensión en el terminal de fuente; tensiones que se denotan como VGS, VDS y VBS respectivamente. En continua el transistor MOS de canal N se puede modelar como en la Figura 4-4. El modelo es independiente de si el transistor es de acumulación o vaciamiento, ya que la única diferencia radica en el signo de la tensión umbral.

Como se observa en la estructura física del transistor (ver Figura 4-1a, existen dos uniones PN (diodos) entre el sustrato P y las regiones de contacto de fuente y drenador; diodos que quedan recogidos en el modelo, y deben estar polarizados en inversa para el correcto funcionamiento del transistor. Por otro lado, la corriente en el canal, ID, viene modelada por una fuente de corriente dependiente de las tensiones, VGS, VDS y VBS; tensiones que establecen la región en la que opera el transistor. En los MOSFETs se distinguen tres regiones de funcionamiento:

a) corte, b) lineal u óhmica, c) saturación.

Para el MOS de canal N sus expresiones para la corriente de drenador y las condiciones en los terminales son:

Donde VT es la tensión umbral, W y L la anchura y longitud del canal respectivamente, y K es el llamado parámetro de transconductancia, específico de cada transistor y cuyas dimensiones son [K]=A·V-2. Valores típicos de estos parámetros son: VT =1 V, W = 2 mm, L =1 mm y K = 0,3 mA·V-2. El transistor MOS de canal P se modela igual que el de canal N, con la salvedad de que la corriente de la fuente dependiente, así como la orientación de los diodos asociados al sustrato, tienen sentidos opuestos. Entonces se cumple que,

Donde los parámetros tienen el mismo significado que en el MOS de canal N. Nótese que las tensiones tienen signos opuestos; y ahora la corriente sale por el terminal de drenador. La dependencia de la corriente de drenador con la tensión del sustrato se establece de forma implícita a través de la tensión umbral, VT. En el caso de un MOSFET tipo N, VT obedece la ecuación,

Donde VTO es la tensión umbral si la fuente y el sustrato están cortocircuitados

Mientras que x y fB son parámetros que modelan la dependencia de VT con las características del sustrato. En la mayoría de las tecnologías los terminales de fuente y sustrato están cortocircuitados. Por ello en los circuitos normalmente no se indica el terminal de sustrato. Así, las variables independientes del transistor son VGS y VDS (VT = VTO); con la corriente de drenador como variable dependiente. Por último, al resolver analíticamente un circuito empleando las ecuaciones del modelo del transistor, la dependencia cuadrática que existe entre la corriente y las tensiones proporciona dos soluciones; una de las cuales carece de sentido físico (normalmente se desprecia la que conlleva a que el transistor esté cortado, o la que queda fuera del rango de tensiones permisible).

4. MOSFET DE ENRIQUECIMIENTO DE CANAL N.

Bajo el terminal de Puerta existe una capa de óxido (SiO2) que impide prácticamente el paso de

corriente a su través; por lo que, el control de puerta se establece en forma de tensión. La calidad y

estabilidad con que es posible fabricar estas finas capas de óxido es la principal causa del éxito

alcanzado con este transistor, siendo actualmente el dispositivo más utilizado.

Además, este transistor ocupa un menor volumen que el BJT, lo que permite una mayor densidad de

integración. Comencemos con la estructura básica del MOSFET, seguido de sus símbolos.

Se trata de una estructura MOS, de cuatro terminales, en la que el substrato semiconductor es de

tipo p poco dopado. A ambos lados de la interfase Oxido-Semiconductor se han practicado difusiones

de material n, fuertemente dopado (n+).

Cuando se aplica una tensión positiva al terminal de puerta de un MOSFET de tipo N, se crea un

campo eléctrico bajo la capa de óxido que incide perpendicularmente sobre la superficie del

semiconductor P. Este campo, atrae a los electrones hacia la superficie, bajo la capa de óxido,

repeliendo los huecos hacia el sustrato. Si el campo eléctrico es muy intenso se logra crear en dicha

superficie una región muy rica en electrones, denominada canal N, que permite el paso de corriente

de la Fuente al Drenador. Cuanto mayor sea la tensión de Puerta (Gate) mayor será el campo

eléctrico y, por tanto, la carga en el canal. Una vez creado el canal, la corriente se origina, aplicando

una tensión positiva en el Drenador (Drain) respecto a la tensión de la Fuente (Source).

En un MOSFET tipo P, el funcionamiento es a la inversa, ya que los portadores son huecos (cargas de

valor positivas, el módulo de la carga del electrón). En este caso, para que exista conducción el

campo eléctrico perpendicular a la superficie debe tener sentido opuesto al del MOSFET tipo N, por

lo que la tensión aplicada ha de ser negativa. Ahora, los huecos son atraídos hacia la superficie bajo

la capa de óxido, y los electrones repelidos hacia el sustrato. Si la superficie es muy rica en huecos se

forma el canal P. Cuanto más negativa sea la tensión de puerta mayor puede ser la corriente (más

huecos en el canal P), corriente que se establece al aplicar al terminal de Drenador una tensión

negativa respecto al terminal de Fuente. La corriente tiene sentido opuesto a la de un MOSFET tipo

N.

Si con tensión de Puerta nula no existe canal, el transistor se denomina de acumulación; y de

vaciamiento en caso contrario. Mientras que la tensión de Puerta a partir de la cual se produce

canal, se conoce como tensión umbral, VT. El terminal de sustrato sirve para controlar la tensión

umbral del transistor, y normalmente su tensión es la misma que la de la Fuente.

El transistor MOS es simétrico: los terminales de Fuente y Drenador son intercambiables entre sí. En

el MOSFET tipo N el terminal de mayor tensión actúa de Drenador (recoge los electrones), siendo el

de menor tensión en el tipo P (recoge los huecos). A modo de resumen, la figura anterior, muestra el

funcionamiento de un transistor MOS tipo N de enriquecimiento.

El símbolo más utilizado para su representación a nivel de circuito se muestra en la figura siguiente.

La flecha en el terminal de Fuente (Gate) nos informa sobre el sentido de la corriente.

En la estructura MOS de la siguiente figura, aparecen diversas fuentes de tensión polarizando los

distintos terminales: VGS, VDS. Los terminales de substrato (B) y Fuente (S) se han conectado a GND.

De este modo, VSB=0 (tensión Surtidor-sustrato=0) , se dice que no existe efecto substrato.

Según los valores que tome la tensión VGS, se pueden considerar tres casos:

1) VGS=0. Esta condición implica que VGS=0, puesto que VSB=0. En estas condiciones, no existe

efecto campo y no se crea el canal de e-, debajo de la Puerta. Las dos estructuras PN se

encuentran cortadas (B al terminal más negativo) y aisladas. IDS=0 aproximadamente, pues

se alimenta de las intensidades inversas de saturación.

2) La tensión VGS>0, se crea la zona de empobrecimiento o deplexión en el canal. Se genera

una carga eléctrica negativa e- en el canal, debido a los iones negativos de la red cristalina

(similar al de una unión PN polarizada en la región inversa), dando lugar a la situación

de inversión débil anteriormente citada. La aplicación de un campo eléctrico lateral VDS>0,

no puede generar corriente eléctrica IDS.

3) La tensión VGS>>0, da lugar a la inversión del canal y genera una población de e- libres,

debajo del óxido de Puerta y p+ al fondo del substrato. Se forma el CANAL N o canal de

electrones, entre el Drenador y la Fuente (tipo n+) que, modifica las características eléctricas

originales del sustrato. Estos electrones, son cargas libres, de modo que, en presencia de un

campo eléctrico lateral, podrían verse acelerados hacia Drenador o Surtidor. Sin embargo,

existe un valor mínimo de VGS para que el número de electrones, sea suficiente para

alimentar esa corriente, es VT, denominada TENSIÓN UMBRAL (en algunos tratados se

denomina VTH).

Por lo tanto, se pueden diferenciar dos zonas de operación para valores de VGS positivos:

- Si VGS< VT la intensidad IDS=0 (en realidad sólo es aproximadamente cero) y decimos que el

transistor opera en inversión débil. En ella, las corrientes son muy pequeñas y su utilización se

enmarca en contextos de muy bajo consumo de potencia. Se considerará que la corriente es siempre

cero. De otro lado;

- Si VGS>=VT, entonces IDS es distinto de cero, si VDS es no nulo. Se dice que el transistor opera

en inversión fuerte.

Cuanto mayor sea el valor de VGS, mayor será la concentración de cargas libres en el canal y por

tanto, será superior la corriente IDS.

5. CARACTERÍSTICAS I-V DEL MOSFET:

5.1 Característica de transferencia

En estas curvas se representa la corriente de drenador frente a la tensión de puerta, cuando el

transistor opera en la región de saturación. En esta región la corriente es independiente del voltaje

de drenador; además, tiene un comportamiento parabólico con el voltaje de puerta, siempre que

éste sobrepase la tensión umbral.

La Figura muestra las curvas de transferencia posibles, dependiendo del tipo de MOSFET. En los

transistores de enriquecimiento no existe canal en ausencia de tensión en la puerta, por lo que la

corriente es nula si VGS = 0. Mientras que en los de vaciamiento es necesario aplicar una tensión de

puerta para eliminar el canal. Por otro lado, en los MOSFETs tipo N la corriente aumenta con la

tensión de puerta; en los tipo P esto ocurre cuanto menor es el voltaje.

Cada una de las curvas mostradas representa sólo la “mitad” de la parábola del modelo. La parábola

completa carece de sentido físico, ya que para tensiones de puerta “más allá” de la tensión umbral el

transistor se halla cortado.

A partir de ahora (salvo que se indique lo contrario) nos referiremos exclusivamente al MOSFET

tipo N. Los resultados son extrapolables a MOSFETs tipo P; basta con cambiar el signo de las

tensiones y el sentido de las corrientes.

5.2 Característica de drenador

La Figura muestra las curvas características de drenador en un MOS de canal N. Para cada tensión

de puerta, VGS, hay una curva característica que muestra la dependencia de la corriente dedrenador,

ID, con el voltaje entre drenador y fuente, VDS. Debido a la simetría de los transistores las curvas

también son posibles en el tercer cuadrante; aunque con el convenio adoptado de signos para las

tensiones y del sentido para la corriente, el MOS tipo N opera exclusivamente en el primero (el tipo

P opera en el segundo).

Nos referiremos, por tanto, a las curvas del primer cuadrante. Sabemos que si la tensión de puerta

es inferior al valor umbral, el transistor está cortado; luego el eje de abscisas representa la región de

corte. Para tensiones de puerta superiores la corriente crece.

Cuando la tensión de drenador es elevada el transistor funciona en la región de saturación. En esta región las curvas son rectas paralelas al eje de abscisas, ya que la corriente sólo depende del voltaje de puerta (ecuación (4.2)-c). Mientras que para tensiones de drenador pequeñas el transistor opera en la región lineal; apreciándose entonces el comportamiento parabólico de la corriente con la tensión de drenador (ecuación (4.2)-b). De nuevo se ha pintado sólo la mitad de la rama parabólica, ya que la otra carece de sentido físico. La transición entre las regiones lineales y de saturación se produce cuando la tensión de drenador vale (se cumplen simultáneamente las condiciones (4.2)-b y (4.2)-c)

Valor que depende de la tensión aplicada a la puerta. Sustituyendo esta expresión en (4.2)-c, se obtiene para la corriente de drenador:

Esta curva se incluye mediante una línea a trazos en la Figura 4-6. Obsérvese que para cada tensión de puerta, el máximo de la parábola en la región lineal coincide con el valor constante de la región de saturación.

6. DESVIACIONES DEL MODELO

El modelo recogido en las ecuaciones (4.2) y (4.3) no coincide exactamente con las curvas

experimentales de los MOSFETs. En realidad, cuando el transistor opera en la región de saturación,

la corriente de drenador no es independiente del voltaje entre el drenador y la fuente: a medida que

aumenta VDS la corriente crece ligeramente. Este efecto se denomina modulación de la longitud del

canal, y su explicación física queda fuera de los objetivos de la asignatura.

En la Figura se representa este efecto.

La magnitud l se denomina parámetro de modulación de la longitud del canal (nótese la similitud

con el efecto Early del BJT). Para tener en cuenta esta discrepancia con el modelo ideal, basta con

multiplicar las ecuaciones (4.2) y (4.3) por el factor (1 ) +l×VDS . En el caso de un MOS tipo N las

expresiones para las tres regiones, a) corte, b) lineal u óhmica, y c) saturación, quedan entonces

Donde las condiciones para cada región son las mismas que en el modelo ideal (4.2).

7. FUNCIONAMIENTO DEL MOSFET

Curvas característica y de salida de un transistor MOSFET de acumulación canal n.

Curvas característica y de salida de un transistor MOSFET de deplexión canal n.

Un transistor MOSFET consiste en un sustrato de material semiconductor dopado en el que, mediante técnicas de difusión de dopantes, se crean dos islas de tipo opuesto separadas por un área sobre la cual se hace crecer una capa de dieléctrico culminada por una capa de conductor. Los transistores MOSFET se dividen en dos tipos fundamentales dependiendo de cómo se haya realizado el dopaje:

Tipo nMOS: Sustrato de tipo p y difusiones de tipo n. Tipo pMOS: Sustrato de tipo n y difusiones de tipo p.

Las áreas de difusión se denominan fuente(source) y drenador(drain), y el conductor entre ellos es la puerta(gate). El transistor MOSFET tiene cuatro estados o regiones de funcionamiento:

Región de corte.

El transistor estará en esta región, cuando VGS < Vt. En estas condiciones el transistor MOSFET,

equivale eléctricamente a un circuito abierto, entre los terminales del Drenador-Surtidor. De

acuerdo con el modelo básico del transistor, en esta región, el dispositivo se encuentra apagado. No

hay conducción entre Drenador y Surtidor, de modo que el MOSFET se comporta como un

interruptor abierto.

Región óhmica.

Cuando un MOSFET está polarizado en la región óhmica, el valor de RDS(on) viene dado por la

expresión:

VDS(on) = ID(on) x RDS(on)

En casi todas las hojas de datos, asocian el valor de RDS(on) a una corriente de Drenaje (ID) específica y

el voltaje Puerta-Surtidor.

Por ejemplo, si VDS(on)=1V y ID(on)=100mA = 0'1 A; entonces,

Rds(on) = 1V = 10 Ohms 100mA

Así mismo, el transistor estará en la región óhmica, cuando VGS > Vt y VDS < ( VGS – Vt ).

El MOSFET equivale a una resistencia variable conectada entre el Drenador y Surtidor. El valor de

esta resistencia varía dependiendo del valor que tenga la tensión entre la Puerta y el Surtidor (VGS).

Región de Saturación.

El transistor MOSFET entra en esta zona de funcionamiento cuando la tensión entre el Drenador y el

Surtidor (VDS) supera un valor fijo denominado tensión de saturación (Vds sat) Drenador-Surtidor;

este valor viene determinado en las hojas características proporcionadas por el fabricante. En esta

zona, el MOSFET mantiene constante su corriente de Drenador (ID), independientemente del valor

de tensión que haya entre el Drenador y el Surtidor (VDS). Por lo tanto, el transistor equivale a un

generador de corriente continua de valor ID.

Es decir; el MOSFET estará en esta región, cuando VGS > Vt y VDS > ( VGS – Vt ).

O sea, estaremos en la región de saturación cuando el canal se interrumpe o estrangula, lo que

sucede cuando:

VDS ≥ VGS - VT → Región de saturación

Cuando la tensión entre Drenador y Fuente supera cierto límite, el canal de conducción, bajo la

Puerta sufre un estrangulamiento en las cercanías del Drenador y desaparece. La corriente entre

Fuente y Drenador no se interrumpe, es debido al campo eléctrico entre ambos, pero se hace

independiente de la diferencia de potencial entre ambos terminales.

En la figura anterior, la parte casi vertical corresponde a la zona óhmica, y la parte casi horizontal

corresponde a la zona activa. El MOSFET de enriquecimiento, puede funcionar en cualquiera de

ellas. En otras palabras, puede actuar como una resistencia o como una fuente de corriente. El uso

principal está en la zona óhmica.

Región de Ruptura.

Esta zona apenas se utiliza porque el transistor MOSFET pierde sus propiedades semiconductoras y

se puede llegar a romper el componente físico. La palabra ruptura hace referencia a que se rompe la

unión semiconductora de la parte del terminal del drenador.

Los transistores unipolares están limitados en tres magnitudes eléctricas:

-En tensión: no se puede superar el valor máximo de tensión entre la puerta y el surtidor. Este

valor se

denomina BVgs. Tampoco se puede superar un valor máximo de tensión entre el drenador y el

surtidor denominado BVds.

-En corriente: no se puede superar un valor de corriente por el drenador, conocido como Idmax.

-En potencia: este límite viene marcado por Pdmax, y es la máxima potencia que puede disipar el

componente.

Resumiendo:

o Máxima Tensión Puerta-Fuente. La delgada capa de dióxido de silicio en el MOSFET

funciona como aislante, el cual, impide el paso de corriente de Puerta, tanto para

tensiones de Puerta negativas como positivas. Muchos MOSFET están protegidos con

diodos zener internos, en paralelo con la Puerta y la Fuente. La tensión del zener, es

menor que la tensión Puerta-Fuente que soporta el MOSFET VGS(Max).

o Zona Óhmica. El MOSFET es un dispositivo de conmutación, por lo que evitaremos, en

lo posible, polarizarlo en la zona activa. La tensión de entrada típica tomará un valor

bajo o alto. La tensión baja es 0 V, y la tensión alta es VGS(on), especificado en hojas de

características.

o Drenador-Fuente en resistencia. Cuando un MOSFET de enriquecimiento se polariza

en la zona activa, es equivalente a una resistencia de RDS(on), especificada en hojas de

características. En la curva característica existe un punto Qtest en la zona óhmica. En este

punto, ID(on) y VDS(on) están determinados, con los cuales se calcula RDS(on).

Capacidades parásitas.

Al igual que en los transistores bipolares, la existencia de condensadores parásitos en la estructura

MOS origina el retraso en la respuesta del mismo, cuando es excitado por una señal de tensión o

intensidad externa. La carga/descarga de los condensadores parásitos, requiere un determinado

tiempo, que determina la capacidad de respuesta de los MOSFET a una excitación. En la estructura y

funcionamiento de estos transistores se localizan dos grupos de capacidades:

1) Las capacidades asociadas a las uniones PN de las áreas de Drenador y Fuente. Son no lineales

con las tensiones de las uniones. Se denominan Capacidades de Unión.

2) Las capacidades relacionadas con la estructura MOS. Están asociadas principalmente a la carga

del canal (iones o cargas libres) y varían notoriamente en función de la región de operación del

transistor, de modo que, en general, no es posible considerar un valor constante de las mismas. Se

denominan Capacidades de Puerta.

De ellas, las capacidades de Puerta suelen ser las más significativas y dentro de ellas, la capacidad de

Puerta-Fuente CGS y de Drenador-Fuente, CDS son en general, las dominantes.

En la siguiente figura, se muestran las curvas de entrada y salida de un transistor MOSFET N con Vt=

2V conectado en Fuente común (SC), es decir, el terminal de Fuente, es común la señal de entrada

VGS y las señales de salida ID y VDS.

Estas curvas de salida, se obtienen al representar las variaciones de ID al aumentar VDS, para

diferentes valores de VGS, es decir, ID=ƒ(Vds)VGS=cte.

La curva más baja es la curva de VGS(T). Cuando VGS es menor que VGS(T), la corriente de Drenador es

extremadamente pequeña. Cuando VGS es mayor que VGS(T), fluye una considerable corriente, cuyo

valor depende de VGS.

Si VGS≤VT, el transistor MOSFET, estará en la región de corte y la corriente ID=0.

Si VGS≥VT, el transistor MOSFET, estará en la región de conducción y se pueden dar dos casos:

a) Si VDS≥VGS-VT, el transistor MOSFET, estará en la región de saturación y la corriente será

constante para un valor determinado de VGS. La curva de transferencia de la figura que representa

ID=ƒ(VDS)VGS=cte., se obtiene a partir de las curvas de salida para una tensión VDS constante que sitúe al

transistor en saturación. Se observa que aproximadamente corresponde a la curva de una parábola

con vértice en VT y por tanto, la corriente puede determinarse de forma aproximada por:

ID = k(VGS-VT)2

Donde k es el parámetro de transconductancia del MOSFET N y se mide en mA/V2.

b) Si VDS≤VGS-VT, el transistor MOSFET, estará en la región óhmica de forma que, al aumentar VDS,

también lo harán la corriente y la resistencia del canal. El comportamiento del transistor puede

asociarse a la resistencia que presenta el canal entre Drenador y Fuente.

8. EL MOSFET COMO INVERSOR.

El funcionamiento del transistor MOSFET en conmutación implica que la tensión de entrada y salida

del circuito posee una excursión de tensión, elevada (de 0 a VDD) entre los niveles lógicos alto H

(asociada a la tensión VDD) y bajo L (asociada a la tensión 0). Para el nivel bajo, se persigue que VGS >

Vt y que el transistor se encuentre trabajando en la región óhmica, con lo cual VDS << 1. Mientras que

para en el nivel alto, se persigue que la tensión de salida sea elevada, y en general, que el transistor

esté funcionando en la región de corte, con VDS >> 1. Se puede considerar que, el transistor MOSFET

es capaz de funcionar como un interruptor.

El funcionamiento como inversor del transistor MOSFET N se basa en sus características en

conmutación: pasando de la región de corte a la región óhmica.

El transistor MOSFET en conmutación, basado en un interruptor con resistencia de Drenador, es

fundamental en circuitos digitales, puesto que la conmutación de corte a saturación y viceversa,

implica unos tiempos de retardo de gran importancia en estos sistemas.

Inversor con carga pasiva. La palabra pasiva se refiere a una resistencia normal como RD. En este

circuito Vin puede ser alta o baja.

Cuando Vin esta en nivel bajo, el MOSFET esta en corte y Vout es igual a la tensión de alimentación.

Cuando Vin esta en nivel alto, el MOSFET esta en conducción y Vout cae a un nivel bajo. Para que este

circuito funcione la corriente de saturación ID(sat) tiene que ser menor que ID(on).

RDS(on)<< RD

Se denomina inversor, por que la tensión de salida, es de nivel opuesto a la tensión de entrada. Lo

único que se requiere en los circuitos de conmutación, es que las tensiones de entrada y de salida se

puedan reconocer fácilmente, ya sea en nivel alto o bajo.

9. EL MOSFET COMO INTERRUPTOR.

Sabemos que si en un MOSFET la tensión entre la Puerta y la Fuente es menor que la tensión

umbral, VGS<VT, el transistor está cortado. Es decir, entre los terminales de Fuente y Drenador, la

corriente es nula, ya que existe un circuito abierto. Sin embargo, cuando VGS es mayor que VT se crea

el canal, y el transistor entra en conducción. Cuanto mayor es la tensión de puerta menor es la

resistencia del canal, y ésta puede llegar a aproximarse a un cortocircuito. Así, el MOSFET es capaz

de funcionar como un interruptor.

El MOSFET como interruptor se emplea frecuentemente en electrónica digital, para transmitir o no,

los estados lógicos a través de un circuito. Existe, sin embargo, una pequeña dificultad: cuando el

MOSFET tipo N actúa como cortocircuito es capaz de transmitir las tensiones bajas; sin embargo las

tensiones altas se ven disminuidas en una cantidad igual al valor de la tensión umbral.

Para que exista el canal bajo la puerta, la tensión en ésta ha de ser VH (VH > VT). Al transmitir VH, el

terminal de la izquierda actúa como Drenador, ya que está a una tensión más alta, y el de la derecha

como Fuente. A medida que la tensión en el terminal de Fuente aumenta, la tensión entre la Puerta y

la Fuente, VGS, disminuye. Todo esto ocurre hasta que la tensión de la Fuente alcanza el valor VH-VT,

momento en que VGS iguala la tensión umbral y el transistor deja de conducir.

En cambio, al transmitir la tensión VL el terminal de la izquierda actúa como Fuente y el de la

derecha como Drenador. La tensión entre la Puerta y la Fuente permanece en todo momento

constante, a igual a VH-VL (valor que debe ser superior a la tensión umbral), por lo que en el

Drenador se llega a alcanzar VL.

De forma similar, el MOSFET tipo P transmite correctamente las tensiones altas, y falla en las bajas.

Para evitar estos inconvenientes se conectan en paralelo dos transistores MOSFET, uno N y otro P.

Para terminar este punto, las tensiones bajas son transmitidas sin error por el MOSFET tipo N,

mientras que las altas lo son por el tipo P. Esta configuración, se denomina puerta de paso. Para su

funcionamiento, las tensiones en las puertas han de ser complementarias (cuando una es alta la otra

es baja, y viceversa); esto se indica añadiendo un círculo a una de las puertas, o una barra sobre una

de las tensiones.

9.1 Polarización de MOSFET.

Los circuitos de polarización típicos para MOSFET enriquecido, son similares al circuito de

polarización utilizados para JFET. La principal diferencia entre ambos es el hecho de que el MOSFET

de enriquecimiento típico sólo permite puntos de funcionamiento con valor positivo de VGS para

canal n y valor negativo de VGS para el canal p. Para tener un valor positivo de VGS de canal n y el

valor negativo de VGS de canal p, es adecuado un circuito de auto polarización. Por lo tanto hablamos

de recorte de realimentación y circuito divisor de tensión para mejorar el tipo MOSFET.

9.2 Realimentación, circuito de polarización.

La siguiente figura, muestra el circuito de polarización con realimentación típico para MOSFET canal

n de enriquecimiento.

Como se mencionó anteriormente, para el análisis en corriente continua, podemos reemplazar el

condensador de acoplamiento por circuitos abiertos y también reemplazar el resistor RG por su

equivalente en corto circuito, ya que IG = 0.

La figura, también muestra, el circuito simplificado, para el análisis con recorte de realimentación

CC. Como los terminales de Drenaje y Puerta están en cortocircuito,

VD = VG

y VDS = VGS => Vs = 0 [1]

Aplicando la segunda Ley de Kirchhoff a los circuitos de salida, obtenemos,

VDD - IDx RD - VDS = 0

si VDS = VDD - Id x Rd [2]

o VGS = VDD - ID x RD ; si VDS = VGS [3]

Ejemplo práctico: Para el circuito dado en la siguiente figura, calcular VGS, ID y VDS.

Solución: Tenemos que,

VDD = 12 V

VGS = 8 V

VT = 3 V

Como, VGS = VDD - ID x RD = 12 - ID x RD

Tenemos que,

ID = K(VGS-VT)2

Sustituyendo valores de VGS tenemos,

ID = K((12 - Id x Rd)-Vt)2 = 0.24x10-3 [12 - ID x 2 x 10-3 -3]2

= 0.24x10-3 [81 - 36000 ID + 4000000 I2D]

Así; ID = 0.01944 - 8.64 ID + 960 I2d

960 x I2D - 9.64 x ID + 0.01944 = 0 Esto es una ecuación de segundo grado y se puede resolver

usando la fórmula habitual.

Resolución de ecuaciones cuadráticas, usando la fórmula tendremos;

960 x I2D - 9.64 x ID + 0.01944 = 0 donde,

Si calculamos el valor de VDS teniendo ID = 7.2477mA nos quedará,

Vds= Vdd - Id x Rd = 12 - 7.2477 x 10-3 x 2 x 103 = 12 - 14.495 = -2.495

En la práctica, el valor de VDS debe ser positivo, por lo tanto Id =7.2477mA, no es valido.

Ahora, calculemos el valor de VDS teniendo ID = 7.2477mA, obtenemos que,

Vgs = 12 - 2.794 x 10-3 x 2 x103 = 12 - 5.588 = 6.412V

VGS = 6.412V

9.3 Inversor con carga activa.

En la figura se muestra un conmutador con carga activa, el MOSFET inferior actúa como

conmutador, pero el superior actúa como una resistencia de valor elevado, el MOSFET superior

tiene su Puerta conectada a su Drenador, por esta razón, se convierte en un dispositivo de dos

terminales, como una resistencia activa, cuyo valor se puede determinar con:

Donde VDS(activa) e IDS(activa) son tensiones y corrientes en la zona activa.

Para que el circuito trabaje de forma adecuada, la RD del MOSFET superior, tiene que ser mayor que

la RD del MOSFET inferior.

En la figura anterior se indica como calcular la RD del MOSFET superior. Al ser VGS=VDS, cada punto

de trabajo de este MOSFET tiene que estar en la curva de dos terminales, si se comprueba cada

punto de la curva de dos terminales, se vera que VGS=VDS.

La curva de dos terminales significa que el

MOSFET superior actúa como una

resistencia de valor RD. Este valor

RD cambia ligeramente para los diferentes

puntos.

En el punto más alto; ID= 3mA y VDS=15V

En el punto mas bajo; ID= 0.7mA y VDS=5v

Una sencilla y práctica explicación del funcionamiento de un transistor MOSFET puede resumirse en

que; al aplicar una determinada tensión (positiva respecto a GND) sobre la Puerta o Gate, dentro del

transistor, se genera un campo eléctrico que permite la circulación de corriente entre el terminal

Drenador y el terminal Fuente. La tensión mínima de Puerta, para que el transistor comience a

conducir (depende de su hoja de datos), por ej. para un IRFZ44N está ubicada entre 2 y 4V, mientras

que la máxima tensión que podremos aplicar, respecto al terminal Fuente, es de 20V.

En conmutación y en saturación, en el caso del transistor MOSFET IRFZ44N, nos interesa aplicar

10V de tensión en la Puerta, para lograr la mínima resistencia entre Drenador y Fuente. En otro

caso, no obtendremos el mejor rendimiento, por la mayor disipación de calor, debido a una mayor

resistencia a la circulación de corriente entre Drenador y Fuente. No se debe sobrepasar la tensión

VGS máxima de 20V, ya que el transistor se estropeará. En cambio, si la tensión de Puerta no alcanza

los 2 a 4V, el transistor no entrará en conducción.