IGFET de tipo de agotamiento

Los transistores de efecto de campo de puerta aislada son dispositivos unipolares como los JFET:es decir, la corriente controlada no tiene que cruzar una unión PN. Hay una unión PN dentro del transistor, pero su único propósito es proporcionar esa región de agotamiento no conductora que se usa para restringir la corriente a través del canal.

Símbolo esquemático y diagrama físico

Aquí hay un diagrama de un IGFET de canal N del tipo de "agotamiento":

Observe cómo los cables de la fuente y el drenaje se conectan a cada extremo del canal N, y cómo el cable de la puerta se adhiere a una placa de metal separada del canal por una barrera aislante delgada. Esa barrera a veces está hecha de dióxido de silicio (el principal compuesto químico que se encuentra en la arena), que es un muy buen aislante. Debido a esta construcción de metal (puerta) - óxido (barrera) - semiconductor (canal), el IGFET a veces se denomina MOSFET. Sin embargo, existen otros tipos de construcción IGFET, por lo que "IGFET" es el mejor descriptor para esta clase general de transistores.

Observe también cómo hay cuatro conexiones al IGFET. En la práctica, el cable del sustrato está conectado directamente al cable de la fuente para hacer que los dos sean eléctricamente comunes. Por lo general, esta conexión se realiza internamente al IGFET, eliminando la conexión de sustrato separada, lo que da como resultado un dispositivo de tres terminales con un símbolo esquemático ligeramente diferente:

Con la fuente y el sustrato comunes entre sí, las capas N y P del IGFET terminan conectadas directamente entre sí a través del cable exterior. Esta conexión evita que se imprima voltaje a través de la unión PN. Como resultado, existe una región de agotamiento entre los dos materiales, pero nunca se puede expandir o colapsar. La operación JFET se basa en la expansión de la región de agotamiento de la unión PN, pero aquí en el IGFET eso no puede suceder, por lo que la operación IGFET debe basarse en un efecto diferente.

De hecho lo es, porque cuando se aplica un voltaje de control entre la puerta y la fuente, la conductividad del canal cambia como resultado de que la región de agotamiento se acerca o se aleja de la puerta. En otras palabras, el ancho efectivo del canal cambia al igual que con el JFET, pero este cambio en el ancho del canal se debe al desplazamiento de la región de agotamiento más que a la expansión de la región de agotamiento.

IGFET de canal N

En un IGFET de canal N, un voltaje de control aplicado positivo (+) a la puerta y negativo (-) a la fuente tiene el efecto de repeler la región de agotamiento de la unión PN, expandir el canal de tipo N y aumentar la conductividad:

La inversión de la polaridad del voltaje de control tiene el efecto opuesto, atrayendo la región de agotamiento y estrechando el canal, reduciendo consecuentemente la conductividad del canal:

La puerta aislada permite controlar voltajes de cualquier polaridad sin peligro de polarización directa de una unión, como era la preocupación con los JFET. Este tipo de IGFET, aunque se denomina "tipo de agotamiento", en realidad tiene la capacidad de tener su canal agotado (canal reducido) o mejorado (canal expandido). La polaridad del voltaje de entrada determina de qué manera se verá influenciado el canal.

Entender qué polaridad tiene qué efecto no es tan difícil como parece. La clave es considerar el tipo de dopaje de semiconductores utilizado en el canal (¿canal N o canal P?), Luego relacionar ese tipo de dopaje con el lado de la fuente de voltaje de entrada conectado al canal por medio del cable de la fuente. Si el IGFET es un canal N y el voltaje de entrada está conectado de modo que el lado positivo (+) esté en la puerta mientras que el lado negativo (-) esté en la fuente, el canal se mejorará a medida que se acumulen electrones adicionales en el lado del canal de la barrera dieléctrica. Piense, "negativo (-) se correlaciona con el tipo N, mejorando así el canal con el tipo correcto de portador de carga (electrones) y haciéndolo más conductor". Por el contrario, si el voltaje de entrada está conectado a un IGFET de canal N de la otra manera, de modo que el negativo (-) se conecta a la puerta mientras que el positivo (+) se conecta a la fuente, los electrones libres serán "robados" del canal como el cargas del condensador del canal de puerta, lo que agota el canal de los portadores de carga mayoritarios y lo hace menos conductor.

IGFET de canal P

Para los IGFET de canal P, la polaridad del voltaje de entrada y los efectos del canal siguen la misma regla. Es decir, se necesita la polaridad opuesta como un IGFET de canal N para agotar o mejorar:

Ilustrando las polaridades de polarización adecuadas con símbolos IGFET estándar:

Cuando se aplica voltaje cero entre la puerta y la fuente, el IGFET conducirá la corriente entre la fuente y el drenaje, pero no tanta corriente como lo haría si fuera mejorada por el voltaje de puerta adecuado. Esto coloca al IGFET de tipo de agotamiento, o simplemente de tipo D, en una categoría propia en el mundo de los transistores. Los transistores de unión bipolar son dispositivos normalmente apagados:sin corriente de base, bloquean cualquier corriente que pase por el colector. Los transistores de efecto de campo de unión son dispositivos normalmente encendidos:con cero voltaje de puerta a fuente aplicado, permiten una corriente de drenaje máxima (en realidad, puede inducir un JFET a corrientes de drenaje mayores aplicando un voltaje de polarización directo muy pequeño entre la puerta y la fuente). fuente, pero esto nunca debe hacerse en la práctica por el riesgo de dañar su frágil unión PN). Sin embargo, los IGFET de tipo D normalmente son dispositivos a medio encender:sin voltaje de puerta a fuente, su nivel de conducción se encuentra en algún lugar entre el corte y la saturación total. Además, tolerarán voltajes de puerta-fuente aplicados de cualquier polaridad, la unión PN es inmune al daño debido a la barrera aislante y especialmente a la conexión directa entre la fuente y el sustrato que evita cualquier diferencial de voltaje a través de la unión.

Irónicamente, el comportamiento de conducción de un IGFET de tipo D es sorprendentemente similar al de un tubo de electrones de la variedad triodo / tetrodo / pentodo. Estos dispositivos eran reguladores de corriente controlados por voltaje que también permitían que la corriente los atravesara con cero voltaje de control aplicado. Un voltaje de control de una polaridad (rejilla negativa y cátodo positivo) disminuiría la conductividad a través del tubo mientras que un voltaje de la otra polaridad (rejilla positiva y cátodo negativo) mejoraría la conductividad. Me parece curioso que uno de los últimos diseños de transistores inventados exhiba las mismas propiedades básicas del primer dispositivo activo (electrónico).

Simulación SPICE de IGFET tipo D

Algunos análisis de SPICE demostrarán el comportamiento de regulación de corriente de los IGFET de tipo D. Primero, una prueba con voltaje de entrada cero (puerta en cortocircuito a la fuente) y la fuente de alimentación pasó de 0 a 50 voltios. El gráfico muestra la corriente de drenaje:

Curva característica de igfet de canal n m1 1 0 0 0 mod1 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto =-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i (vammeter) .end

Como se esperaba para cualquier transistor, la corriente controlada se mantiene estable a un valor regulado en una amplia gama de voltajes de suministro de energía. En este caso, ese punto regulado es de 10 µA (1.000E-05 Amps). Ahora veamos qué sucede cuando aplicamos un voltaje negativo a la puerta (con referencia a la fuente) y barrimos la fuente de alimentación en el mismo rango de 0 a 50 voltios:

Curva característica igfet de canal n m1 1 3 0 0 mod1 vin 0 3 dc 0.5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto =-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i (vammeter) .end

No es sorprendente que la corriente de drenaje ahora se regule a un valor más bajo de 2.5 µA (por debajo de 10 µA con voltaje de entrada cero). Ahora apliquemos un voltaje de entrada de la otra polaridad, para mejorar el IGFET:

Curva característica igfet de canal n m1 1 3 0 0 mod1 vin 3 0 dc 0.5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto =-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i (vammeter) .end

Con el transistor mejorado por el pequeño voltaje de control, la corriente de drenaje ahora está en un valor aumentado de 22.5 µA (2.250E-05 Amps). Debería ser evidente a partir de estos tres conjuntos de cifras de voltaje y corriente que la relación de la corriente de drenaje con el voltaje de la fuente de la puerta no es lineal tal como lo era con el JFET. Con 1/2 voltio de voltaje agotado, la corriente de drenaje es de 2.5 µA; con una entrada de 0 voltios, la corriente de drenaje sube a 10 µA; y con 1/2 voltio de voltaje mejorado, la corriente es de 22,5 µA. Para obtener una mejor comprensión de esta no linealidad, podemos usar SPICE para trazar la corriente de drenaje en un rango de valores de voltaje de entrada, pasando de una figura negativa (agotadora) a una figura positiva (mejorada), manteniendo el voltaje de la fuente de alimentación de V1 en un valor constante:

n-channel igfet m1 1 3 0 0 mod1 vin 3 0 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 dc 24 .model mod1 nmos vto =-1 .dc vin -1 1 0.1 .plot dc i (vammeter) .end

Al igual que con los JFET, esta no linealidad inherente del IGFET tiene el potencial de causar distorsión en un circuito amplificador, ya que la señal de entrada no se reproducirá con una precisión del 100 por ciento en la salida. Observe también que un voltaje de fuente de puerta de aproximadamente 1 voltio en la dirección de agotamiento puede pellizcar el canal de modo que prácticamente no haya corriente de drenaje. Los IGFET de tipo D, como los JFET, tienen una cierta clasificación de voltaje de reducción. Esta clasificación varía con la precisión única del transistor y puede no ser la misma que en nuestra simulación aquí.

Curva característica de IGFET

Al trazar un conjunto de curvas características para el IGFET, vemos un patrón no muy diferente al del JFET:

HOJA DE TRABAJO RELACIONADA:

• Hoja de trabajo de transistores de efecto de campo de puerta aislada