Comprendiendo los IGFETs de Tipo Agotamiento: Diseño, Operación y Análisis SPICE

Los transistores de efecto campo de compuerta aislada (IGFETs) son dispositivos unipolares, al igual que los JFETs: la corriente controlada fluye completamente dentro de un solo tipo de semiconductor, por lo que ninguna unión PN es cruzada por la corriente.

Dentro del dispositivo, una unión PN existe únicamente para formar la región de agotamiento no conductora que limita la corriente a través del canal. La unión en sí nunca transporta corriente.

Símbolo Esquemático y Diagrama Físico

A continuación se muestra un esquema de un IGFET de tipo agotamiento canal N:

Observe cómo los terminales de fuente y drenaje se conectan a cada extremo del canal tipo N, mientras que la compuerta se conecta a una placa metálica separada por una barrera aislante delgada —comúnmente dióxido de silicio, el componente principal de la arena. Esta construcción Metal-Óxido-Semiconductor (MOS) es por qué muchos IGFETs también se llaman MOSFETs, aunque "IGFET" describe mejor toda la clase de dispositivos de compuerta aislada.

Los IGFETs modernos usualmente conectan el sustrato a la fuente internamente, produciendo un dispositivo de tres terminales. El esquema siguiente refleja esa configuración común:

Como el sustrato y la fuente son eléctricamente comunes, ningún voltaje puede aplicarse a través de la unión PN interna. Consecuentemente, la región de agotamiento no puede expandirse o colapsarse como en un JFET; en su lugar, la operación del IGFET depende del desplazamiento de esa región de agotamiento relativa a la compuerta.

IGFET de Canal N

Aplicar un voltaje positivo a la compuerta respecto a la fuente repele la región de agotamiento, ensanchando el canal tipo N y aumentando la conductividad:

Invertir la polaridad atrae la región de agotamiento, estrechando el canal y reduciendo la conductividad:

La compuerta aislada permite cualquier polaridad de voltaje de control sin riesgo de polarizar directamente la unión interna —una preocupación que limita a los JFETs. Aunque etiquetado "tipo agotamiento", el dispositivo puede ser tanto agotado (canal estrechado) como mejorado (canal expandido) dependiendo de la polaridad del voltaje compuerta-fuente.

Para predecir el efecto, haga coincidir el dopaje del semiconductor del canal (tipo N o P) con el signo del voltaje de fuente. Para un dispositivo de canal N, una compuerta positiva y fuente negativa mejoran el canal acumulando electrones en el lado del canal del dieléctrico. Si las polaridades se invierten, los electrones son removidos del canal, agotándolo y reduciendo la conductividad.

IGFET de Canal P

Los dispositivos de canal P obedecen el mismo principio, pero la polaridad requerida es inversa. Las siguientes imágenes ilustran la polarización:

Con voltaje compuerta-fuente cero, un IGFET de tipo agotamiento conduce entre fuente y drenaje, pero no a plena capacidad —a diferencia de los transistores bipolares, que están normalmente apagados, o los JFETs, que están normalmente encendidos. En efecto, se comporta como un dispositivo medio encendido.

Debido a que la compuerta está aislada, el IGFET tolera voltajes compuerta-fuente de cualquier polaridad. La unión PN está protegida, y la conexión directa fuente-sustrato previene cualquier diferencial de voltaje a través de la unión.

Notablemente, el comportamiento de conducción de un IGFET tipo D se asemeja al de tubos de vacío tempranos, donde el voltaje de rejilla podía suprimir o mejorar el flujo de electrones entre cátodo y ánodo.

Simulación SPICE de IGFET Tipo D

Las siguientes ejecuciones SPICE ilustran la naturaleza reguladora de corriente de un IGFET tipo agotamiento.

Primero, con la compuerta cortocircuitada a la fuente (0 V) y la alimentación barrida de 0 V a 50 V, la corriente de drenaje se establece en una corriente regulada de 10 µA sobre todo el rango:

n-channel igfet characteristic curve 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 

Aplicar un voltaje de compuerta negativo de –0,5 V mientras se barre la alimentación de nuevo reduce la corriente de drenaje regulada a 2,5 µA:

n-channel igfet characteristic curve 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 

Por el contrario, un voltaje de compuerta positivo de +0,5 V aumenta la corriente a 22,5 µA:

n-channel igfet characteristic curve 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 

Estos resultados confirman la relación no lineal entre voltaje compuerta-fuente y corriente de drenaje, análoga a la vista en JFETs. Un voltaje de agotamiento de aproximadamente –1 V puede pellizcar el canal, reduciendo la corriente de drenaje virtualmente a cero. El voltaje exacto de pellizco varía con las especificaciones de cada dispositivo.

Curva Característica del IGFET

Graficar múltiples curvas características para diferentes voltajes de compuerta produce un patrón similar a la familia de curvas de un JFET:

HOJA DE TRABAJO RELACIONADA:

• Hoja de trabajo Transistores de Efecto Campo de Compuerta Aislada