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Tutorial de semiconductores de óxido de metal y MOSFET

Transistores

Así como el transistor de efecto de campo de unión(JFET), hay otro tipo de transistor de efecto de campo disponible cuya entrada de puerta está aislada eléctricamente del canal principal que lleva corriente y, por lo tanto, se denomina Transistor de efecto de campo de puerta aislada.

El tipo más común de FET de puerta aislada que se utiliza en muchos tipos diferentes de circuitos electrónicos se denomina Transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido de metal o MOSFET para abreviar.

los IGFET o MOSFET es un transistor de efecto de campo controlado por voltajeque difiere de un JFET en que tiene un electrodo de compuerta de "óxido de metal" que está eléctricamente aislado del canal de semiconductores o canal p principal por una capa muy delgada de material aislante, generalmente dióxido de silicio, comúnmente conocido como vidrio.

Este electrodo de puerta de metal aislado ultra delgado se puede considerar como una placa de un capacitor. El aislamiento de la puerta de control hace que la resistencia de entrada de la MOSFET Muy arriba en la región de Mega-ohmios (MΩ), por lo que es casi infinita.

Como la terminal de la puerta está aislada eléctricamentedesde el canal principal que lleva la corriente entre el drenaje y la fuente, “NO fluye corriente en la compuerta” y al igual que el JFET, el MOSFET también actúa como una resistencia controlada por voltaje donde la corriente que fluye a través del canal principal entre el Drenaje y la Fuente es proporcional a la tensión de entrada. También al igual que el JFET, la muy alta resistencia de entrada de los MOSFET puede acumular grandes cantidades de carga estática dando como resultado la MOSFET se daña fácilmente a menos que se maneje o proteja con cuidado.

Al igual que el tutorial anterior de JFET, los MOSFET sonestán disponibles tres dispositivos terminales con puerta, drenaje y fuente y ambos MOSFET de canal P (PMOS) y canal N (NMOS). La principal diferencia esta vez es que los MOSFET están disponibles en dos formas básicas:

  • Tipo de agotamiento: el transistor requiere el voltaje Puerta-Fuente, (VGS ) para apagar el dispositivo. El modo de agotamiento MOSFET es equivalente a un interruptor "Normalmente cerrado".
  • Tipo de mejora: el transistor requiere un voltaje de fuente de entrada, (VGS ) para encender el dispositivo. El modo de mejora MOSFET es equivalente a un interruptor "Normalmente abierto".

Los símbolos y la construcción básica para ambas configuraciones de MOSFET se muestran a continuación.

símbolo mosfet

Los cuatro símbolos MOSFET anteriores muestran un adicionalel terminal se denomina sustrato y normalmente no se usa como entrada ni como conexión de salida, sino que se usa para conectar a tierra el sustrato. Se conecta al canal semiconductor principal a través de una unión de diodo al cuerpo o pestaña metálica del MOSFET.

Por lo general, en MOSFET de tipo discreto, este cable de sustrato está conectado internamente al terminal de origen. Cuando este es el caso, como en los tipos de mejora, se omite en el símbolo para aclaración.

La línea en el símbolo MOSFET entre el desagüe.Las conexiones (D) y fuente (S) representan el canal semiconductor de los transistores. Si esta línea de canal es una línea continua continua, representa un MOSFET de tipo “depleción” (normalmente activado) ya que la corriente de drenaje puede fluir con un potencial de polarización de puerta cero.

Si la línea del canal se muestra como un punto olínea discontinua, entonces representa un tipo de "Mejora" (normalmente desactivado) MOSFET ya que la corriente de drenaje cero fluye con un potencial de puerta cero. La dirección de la flecha que apunta a esta línea de canal indica si el canal conductor es un dispositivo semiconductor de tipo P o de tipo N.

Estructura y símbolo básicos del MOSFET

construcción mosfet

La construcción del Semiconductor de Óxido de Metal.FET es muy diferente a la de Junction FET. Los MOSFET de tipo de reducción y mejora utilizan un campo eléctrico producido por un voltaje de compuerta para alterar el flujo de portadores de carga, electrones para canal n o agujeros para canal P, a través del canal de fuente de drenaje semiconductor. El electrodo de la puerta se coloca sobre una capa aislante muy delgada y hay un par de pequeñas regiones tipo n justo debajo de los electrodos de drenaje y fuente.

Vimos en el tutorial anterior, que la puerta deUn transistor de efecto de campo de unión, JFET debe estar polarizado de tal manera que invierta la polarización pn. Con un dispositivo MOSFET de puerta aislada, no se aplican tales limitaciones, por lo que es posible desviar la puerta de un MOSFET en polaridad, positiva (+ ve) o negativa (-ve).

Esto hace que el dispositivo MOSFET sea especialmente valioso.como interruptores electrónicos o para hacer puertas lógicas, ya que sin bies, normalmente no son conductores y esta alta resistencia de entrada de puerta significa que se necesita muy poca o ninguna corriente de control, ya que los MOSFET son dispositivos controlados por voltaje. Tanto el MOSFET de canal p como el canal n están disponibles en dos formas básicas, el Mejora tipo y el Agotamiento tipo.

MOSFET en modo de agotamiento

los MOSFET en modo de agotamiento, que es menos común que los tipos de modo de mejora, normalmente se enciende (ON) (conducción) sin la aplicación de una tensión de polarización de compuerta. Ese es el canal que conduce cuando VGS = 0 por lo que es un dispositivo "normalmente cerrado". El símbolo del circuito que se muestra arriba para un transistor MOS de agotamiento utiliza una línea de canal sólido para indicar un canal conductor normalmente cerrado.

Para el transistor MOS de agotamiento de canal n, una tensión de fuente de compuerta negativa, -VGS agotará (de ahí su nombre) el canal conductor de sus electrones libres que apagan el transistor "OFF". Del mismo modo, para un transistor MOS de agotamiento de canal p, una tensión de fuente de puerta positiva, + VGS agotará el canal de sus orificios libres y lo pondrá en "OFF".

En otras palabras, para un modo de agotamiento de canal n MOSFET: + VGS Significa más electrones y más corriente. Mientras que un -VGS Significa menos electrones y menos corriente. Lo contrario también es cierto para los tipos de canal p. Entonces, el modo de agotamiento MOSFET es equivalente a un interruptor "normalmente cerrado".

MOSFET de canal N y modos de agotamiento y símbolos de circuito

modo de agotamiento mosfet

modo de agotamiento de los símbolos Mosfet

El MOSFET en modo de agotamiento se construye en unde manera similar a sus homólogos de transistores JFET donde el canal de la fuente de drenaje es inherentemente conductor con los electrones y agujeros ya presentes dentro del canal tipo n o tipo p. Este dopaje del canal produce una trayectoria conductora de baja resistencia entre el drenaje y la fuente con un sesgo de puerta cero.

MOSFET de modo de mejora

Lo mas comun MOSFET de modo de mejora o eMOSFET, es el reverso del modo de agotamientotipo. Aquí el canal conductor está ligeramente dopado o incluso sin doparse, lo que lo hace no conductivo. Esto hace que el dispositivo esté normalmente "APAGADO" (no conductor) cuando la tensión de polarización de la puerta, VGS es igual a cero El símbolo del circuito que se muestra arriba para un transistor MOS de mejora utiliza una línea de canal rota para indicar un canal no conductor normalmente abierto.

Para el transistor MOS de mejora de canal n, una corriente de drenaje solo fluirá cuando una tensión de compuerta (VGS ) se aplica al terminal de puerta mayor que la tensión de umbral (VTH ) nivel en el que se lleva a cabo la conductancia, lo que lo convierte en un dispositivo de transconductancia.

La aplicación de una tensión de compuerta positiva (+ ve)a un tipo n, eMOSFET atrae más electrones hacia la capa de óxido alrededor de la compuerta, aumentando o mejorando (de ahí su nombre) el grosor del canal que permite que fluya más corriente. Esta es la razón por la que este tipo de transistor se denomina dispositivo de modo de mejora ya que la aplicación de un voltaje de compuerta mejora el canal.

El aumento de este voltaje de compuerta positivo causará que la resistencia del canal disminuya aún más, lo que aumentará la corriente de drenaje, Ire a través del canal. En otras palabras, para un modo de mejora de canal n MOSFET: + VGS enciende el transistor, mientras que un cero o -VGS apaga el transistor. Por lo tanto, el MOSFET en modo de mejora es equivalente a un interruptor "normalmente abierto".

Lo contrario es cierto para el transistor MOS de mejora de canal p. Cuando vGS = 0 el dispositivo está “APAGADO” y el canal está abierto. La aplicación de un voltaje de compuerta negativo (-ve) al eMOSFET de tipo p mejora la conductividad de los canales y la pone en “ON”. Entonces para un modo de mejora de canal p MOSFET: + VGS apaga el transistor, mientras que -VGS enciende el transistor.

MOSFET de canal N y modos de mejora y símbolos de circuito

modo de mejora de curvas de mosfet

modo de mejora del símbolo mosfet

Los MOSFET de modo de mejora son excelenteslos interruptores electrónicos debido a su baja resistencia de "ENCENDIDO" y su resistencia extremadamente alta de "APAGADO", así como su resistencia de entrada infinitamente alta debido a su compuerta aislada. Los MOSFET de modo de mejora se utilizan en circuitos integrados para producir el tipo CMOS Puertas lógicas y circuitos de conmutación de potencia en forma de puertas PMOS (canal P) y NMOS (canal N). CMOS en realidad significa MOS complementarios lo que significa que el dispositivo lógico tiene tanto PMOS como NMOS dentro de su diseño.

El amplificador MOSFET

Al igual que el efecto de campo de unión anteriortransistor, los MOSFET se pueden usar para hacer circuitos amplificadores de clase “A” de una sola etapa, siendo el amplificador de fuente común MOSFET de canal n en modo de mejora el circuito más popular. Los amplificadores MOSFET en modo de agotamiento son muy similares a los amplificadores JFET, excepto que el MOSFET tiene una impedancia de entrada mucho mayor.

Esta alta impedancia de entrada es controlada por elRed resistiva de polarización de puerta formada por R1 y R2. Además, la señal de salida para el amplificador MOSFET de fuente común en modo de mejora se invierte porque cuando Vsol está bajo, el transistor está apagado y Vre (Vout) es alta. Cuando vsol está alto, el transistor está encendido y encendidore (Vout) es bajo como se muestra.

Amplificador MOSFET de canal N en modo de mejora

amplificador mosfet

La polarización de DC de esta fuente común (CS) MOSFETEl circuito del amplificador es virtualmente idéntico al amplificador JFET. El circuito MOSFET está polarizado en modo clase A por la red divisora ​​de voltaje formada por las resistencias R1 y R2. La resistencia de entrada de CA se da como REN = Rsol = 1MΩ.

Efecto de campo de semiconductor de óxido de metalLos transistores son tres dispositivos activos terminales hechos de diferentes materiales semiconductores que pueden actuar como aislantes o como conductores por la aplicación de una pequeña señal de voltaje.

La capacidad de los MOSFET para cambiar entre estos dosestados le permite tener dos funciones básicas: "conmutación" (electrónica digital) o "amplificación" (electrónica analógica). Luego, los MOSFET tienen la capacidad de operar dentro de tres regiones diferentes:

  • 1. Región de corte - con VGS <Vlímite la tensión de la fuente de la compuerta es mucho más baja que la tensión de umbral de los transistores, por lo que el transistor MOSFET se apaga "completamente", por lo tanto, Ire = 0, con el transistor actuando como un interruptor abierto independientemente del valor de VDS.
  • 2. Región lineal (óhmica) - con VGS > Vlímite y VDS <VGS el transistor se encuentra en su región de resistencia constante comportándose como una resistencia controlada por voltaje cuyo valor resistivo está determinado por el voltaje de la compuerta, VGS nivel.
  • 3. Región de saturación - con VGS > Vlímite y VDS > VGS el transistor está en su región de corriente constante y, por lo tanto, está "totalmente ENCENDIDO". La corriente de drenaje Ire = Máximo con el transistor actuando como un interruptor cerrado.

Resumen del tutorial de MOSFET

El transistor de efecto de campo del semiconductor de óxido de metal, o MOSFET Para abreviar, tiene una puerta de entrada extremadamente alta.La resistencia con la corriente que fluye a través del canal entre la fuente y el drenaje está controlada por el voltaje de la compuerta. Debido a esta alta impedancia y ganancia de entrada, los MOSFET pueden dañarse fácilmente con la electricidad estática si no se protegen o manipulan con cuidado.

MOSFET Son ideales para su uso como interruptores electrónicos o comoAmplificadores de fuente común ya que su consumo de energía es muy pequeño. Las aplicaciones típicas de los transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido metálico se encuentran en microprocesadores, memorias, calculadoras y puertas CMOS lógicas, etc.

Además, observe que una línea discontinua o discontinua dentro del símbolo indica un tipo de mejora normalmente "DESACTIVADO" que muestra que la corriente "NO" puede fluir a través del canal cuando la tensión V de la fuente de la puerta es cero.GS Está aplicado.

Una línea continua ininterrumpida dentro del símbolo.indica un tipo de agotamiento normalmente "ON" que muestra que la corriente "CAN" fluye a través del canal con voltaje de puerta cero. Para los tipos de canal p, los símbolos son exactamente iguales para ambos tipos, excepto que la flecha apunta hacia afuera. Esto se puede resumir en la siguiente tabla de conmutación.

Tipo MOSFET VGS = + ve VGS = 0 VGS = -ve
Agotamiento del canal N EN EN APAGADO
Mejora de canal N EN APAGADO APAGADO
Agotamiento del canal P APAGADO EN EN
Mejora del canal P APAGADO APAGADO EN

Así que para los tipos MOSFET de mejora de tipo n, unla tensión de la compuerta positiva pone en “ON” el transistor y con una tensión de compuerta cero, el transistor estará “OFF”. Para un tipo de mejora de canal p MOSFET, un voltaje de compuerta negativo encenderá "ON" el transistor y con voltaje de compuerta cero, el transistor estará "OFF". El punto de voltaje en el que el MOSFET comienza a pasar la corriente a través del canal está determinado por el voltaje de umbral VTH del dispositivo.

En el siguiente tutorial sobre Transistores de efecto de campo En lugar de utilizar el transistor como amplificadordispositivo, veremos el funcionamiento del transistor en sus regiones de saturación y corte cuando se utiliza como un interruptor de estado sólido. Los interruptores de transistores de efecto de campo se usan en muchas aplicaciones para encender o apagar una corriente de CC, como los LED que requieren solo unos pocos miliamperios a bajos voltajes de CC, o motores que requieren mayores corrientes a mayores voltajes.

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