Transistores de efecto de campo de puerta aislada (MOSFET)

El Transistor de efecto de campo de puerta aislada (IGFET), también conocido como Transistor de efecto de campo de óxido metálico (MOSFET), es un derivado del transistor de efecto de campo (FET). Hoy en día, la mayoría de los transistores son del tipo MOSFET como componentes de circuitos integrados digitales. Aunque los BJT discretos son más numerosos que los MOSFET discretos. El recuento de transistores MOSFET dentro de un circuito integrado puede acercarse a cientos de millones. Las dimensiones de los dispositivos MOSFET individuales están por debajo de una micra, disminuyendo cada 18 meses. Los MOSFET mucho más grandes son capaces de conmutar casi 100 amperios de corriente a bajos voltajes; algunos manejan casi 1000 V a corrientes más bajas. Estos dispositivos ocupan una buena fracción de centímetro cuadrado de silicio. Los MOSFET tienen una aplicación mucho más amplia que los JFET. Sin embargo, los dispositivos de potencia MOSFET no se utilizan tan ampliamente como los transistores de unión bipolar en este momento.

Operación MOSFET

El MOSFET tiene terminales de fuente, puerta y drenaje como el FET. Sin embargo, el cable de la puerta no hace una conexión directa con el silicio en comparación con el caso del FET. La compuerta MOSFET es una capa metálica o de polisilicio encima de un aislante de dióxido de silicio. La puerta se parece a un semiconductor de óxido metálico (MOS) en la Figura siguiente. Cuando se cargan, las placas del condensador toman la polaridad de carga de los respectivos terminales de la batería. La placa inferior es de 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) debajo del óxido. Este canal también está acompañado por una región de agotamiento que aísla el canal del sustrato de silicio a granel.

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

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

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

Un sesgo positivo aplicado a la puerta carga el condensador (la puerta). La puerta sobre el óxido adquiere una carga positiva de la batería de polarización de la puerta. El sustrato de tipo P debajo de la puerta adquiere una carga negativa. Se forma una región de inversión con un exceso de electrones debajo del óxido de la puerta. Esta región ahora conecta las regiones de tipo N de fuente y drenaje, formando una región N continua desde la fuente hasta el drenaje. Por lo tanto, 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 desde la fuente al drenaje es posible con un voltaje aplicado entre estas conexiones. Un circuito práctico tendría una carga en serie con la batería de drenaje en la Figura anterior (b).

E-MOSFET

El MOSFET descrito anteriormente en la Figura anterior se conoce como Modo de mejora MOSFET. 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 sobre transistores de efecto de campo de puerta aislada para conocer el modo de agotamiento dispositivo.

El MOSFET, como el FET, es un dispositivo controlado por voltaje. Una entrada de voltaje a la puerta controla el flujo de corriente desde la fuente al drenaje. La puerta no consume una corriente continua. Sin embargo, la puerta atrae un aumento 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 generalmente están 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. La N- indica un ligero dopaje. La región P debajo de la puerta, entre la fuente y el drenaje, se puede invertir mediante la aplicación de un voltaje de polarización positivo. El perfil de dopaje es una sección transversal, que se puede colocar en forma de serpentina en la matriz de silicio. Esto aumenta enormemente el área y, en consecuencia, la capacidad de manejo actual.

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

El símbolo esquemático del MOSFET en la Figura anterior (b) muestra una puerta "flotante", que indica que no hay conexión directa con el sustrato de silicio. La línea discontinua de la fuente al drenaje indica que este dispositivo está apagado, no es conductor, con cero polarización en la puerta. Un MOSFET normalmente "apagado" es un dispositivo de modo de mejora. El canal debe mejorarse mediante la aplicación de un sesgo a la puerta para la conducción. El extremo "apuntando" de la flecha del sustrato corresponde al material tipo P, que apunta hacia un canal tipo N, el extremo "no apuntando". Este es el símbolo de 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, puerta, drenaje y sustrato. El sustrato está conectado a la fuente en MOSFET discretos, lo que hace que la parte empaquetada sea un dispositivo de tres terminales. Los MOSFET, que son parte de un circuito integrado, tienen el sustrato común a todos los dispositivos, a menos que estén aislados intencionalmente. Esta conexión común se puede unir fuera de la matriz para la conexión a tierra o voltaje de polarización de la fuente de alimentación.

V-MOS

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

El V-MOS El dispositivo en (Figura anterior) es un MOSFET de potencia mejorado con el perfil de dopaje dispuesto para que la fuente en estado más baja drene la 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 ruta fuente-drenaje. Esto minimiza las pérdidas y permite la conmutación de niveles más altos 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 puerta MOSFET no consume corriente continua, excepto fugas. Sin embargo, se requiere un aumento considerable de corriente para cargar la capacitancia de la puerta.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Descripción general de transistores convencionales y hoja de trabajo de transistores especiales