Este tutorial proporciona una breve introducción a los MOSFET o transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico. Aprenderá sobre los diferentes tipos de mejora y agotamiento (MOSFET), su estructura interna, ejemplos de circuitos que usan MOSFET como interruptores y algunas aplicaciones comunes.
Tabla de contenido
Introducción
El transistor, el invento que cambió el mundo. Es un dispositivo semiconductor que actúa como un interruptor controlado eléctricamente o un amplificador de señal. Los transistores vienen en una variedad de formas, tamaños y diseños, pero básicamente todos los transistores pertenecen a dos familias principales. Ellos fueron:
- Transistores de unión bipolar o BJT
- Transistores de efecto de campo o FET
Para obtener más información sobre los conceptos básicos de los transistores y su historia, lea nuestro tutorial de Introducción a los transistores.
Hay dos diferencias principales entre BJT y FET. La primera diferencia es que en los BJT, tanto los portadores de carga mayoritarios como los minoritarios son responsables de conducir la corriente, mientras que en los FET, solo los portadores de carga mayoritarios están involucrados.
Otra diferencia muy importante es que un BJT es esencialmente un dispositivo de control de corriente, donde la corriente de la base del transistor determina la cantidad de corriente que fluye entre el colector y el emisor. En el caso de un FET, el voltaje de la puerta (el terminal del FET que corresponde a la base del BJT) determina el flujo de corriente entre los otros dos terminales.
A su vez, los FET se dividen en dos tipos:
- Transistores de efecto de campo de unión o JFET
- Transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico o MOSFET
En este tutorial, nos centraremos en los MOSFET.
FET semiconductores de óxido metálico
Los transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico (MOSFET) son un tipo de transistor FET. En este transistor, los terminales de la puerta están aislados eléctricamente del canal portador de corriente, por lo que también se conocen como FETS de puerta aislados (IG-FET). Debido al aislamiento entre la puerta y el terminal de la fuente, la resistencia de entrada de los MOSFET puede ser muy alta (normalmente alrededor de 1014 ohmios).
Al igual que los JFET, los MOSFET también actúan como resistencias controladas por voltaje cuando no fluye corriente a través de los terminales de la puerta. Un pequeño voltaje en el terminal de la puerta controla el flujo de corriente a través del canal entre el terminal de la fuente y el terminal de drenaje. Actualmente, los transistores MOSFET se utilizan principalmente en aplicaciones de circuitos electrónicos en lugar de JFET.
Los MOSFET también tienen tres terminales: drenaje (D), fuente (S) y puerta (G), y uno o más terminales (opcionales) llamados placa o cuerpo (B). Los MOSFET también están disponibles en dos tipos: canal N (NMOS) y canal P (PMOS). Los MOSFET se clasifican básicamente en dos formas. Ellos fueron:
- Tipo de agotamiento
- Tipo de mejora
Tipo de agotamiento
Los transistores MOSFET de agotamiento son el equivalente a los interruptores “siempre encendidos”. El tipo de agotamiento del transistor incluye un voltaje de fuente de puerta (VGS) para apagar el dispositivo.
Los símbolos de modo de agotamiento de los MOSFET de tipo canal N y canal P son los siguientes: En el símbolo de arriba, puede ver que el cuarto terminal (placa) está conectado a tierra, pero en los MOSFET individuales está conectado al terminal de origen. Una línea continua en negrita entre los terminales de drenaje y fuente indica el tipo de agotamiento. El símbolo de flecha indica el tipo de canal, como canal N o canal P.
En este tipo de MOSFET, se deposita una fina capa de silicio debajo del terminal de la puerta. Los transistores MOSFET en modo de agotamiento suelen estar encendidos a un voltaje de fuente de puerta cero (VGS). En los MOSFET de agotamiento, la conductividad de los canales es menor en comparación con el tipo de intensificación de los MOSFET.
Tipo de mejora
Los MOSFET de modo de mejora son el equivalente a los interruptores “normalmente abiertos”, y estos tipos de transistores requieren un voltaje de puerta a fuente para encender el dispositivo. Los símbolos para los MOSFET en modo de mejora de canal N y canal P son los siguientes:
Aquí, hay una línea punteada conectada entre la fuente y el drenaje, que indica el tipo de modo de mejora. En un MOSFET de modo intensivo, la capa de óxido aumenta, lo que resulta en un aumento de la conductividad, lo que agrega un portador al canal.
En general, esta capa de óxido se denomina “capa invertida”. Los canales se forman entre el drenaje y la fuente en el tipo opuesto al sustrato, por ejemplo, los canales N están hechos de sustratos de tipo P y los canales P están hechos de sustratos de tipo N. La conductividad del canal debido a electrones o huecos depende del canal de tipo N o tipo P, respectivamente.
Estructura de los MOSFET
- La estructura básica de un MOSFET se muestra en la figura anterior. La estructura de los MOSFET es muy diferente en comparación con la de los JFET. Tanto en el modo de intensificación como en el de agotamiento de los MOSFET, el voltaje de la puerta genera un campo eléctrico que altera los portadores de carga de flujo, como los electrones en el canal N y los huecos en el canal P.
Aquí, se puede observar que el terminal de la puerta está ubicado encima de una fina capa de aislamiento de óxido metálico, y se utilizan dos regiones de tipo N debajo de los terminales de drenaje y fuente.
En la estructura MOSFET anterior, el canal entre el drenaje y la fuente es de tipo N, formado frente al sustrato de tipo P. Los terminales de puerta MOSFET se pueden polarizar fácilmente para la polaridad de los polos positivo (+ve) o negativo (-ve).
Si no hay polarización en los terminales de la puerta, los MOSFET suelen ser no conductores, por lo que estos MOSFET se utilizan para crear interruptores y puertas lógicas. Tanto el modo de auspiración como el de refuerzo de los MOSFET están disponibles en los tipos de canal N y P.
Modo de agotamiento
Los MOSFET en modo de agotamiento se conocen comúnmente como dispositivos de “encendido” porque los transistores generalmente se cierran cuando no hay voltaje de polarización en los terminales de la puerta. Cuando el voltaje de la puerta aumenta a un número positivo, el ancho del canal aumenta en el modo de agotamiento.
Como resultado, la corriente de drenaje ID Aumenta a través del canal. Si el voltaje de la puerta aplicado es más negativo, el ancho del canal será muy pequeño y el MOSFET podrá ingresar al área de corte. Los MOSFET en modo de agotamiento son un tipo de transistor que rara vez se usa en circuitos electrónicos.
El siguiente gráfico muestra las curvas características de un MOSFET en modo de agotamiento.
Las características VI del transistor MOSFET en modo de agotamiento se muestran arriba. Esta característica se debe principalmente a la tensión de la fuente de drenaje (VSS) y corriente de drenaje (ID). Un pequeño voltaje en la puerta controla el flujo de corriente a través del canal.
El canal entre el drenaje y la fuente actúa como un buen conductor con voltaje de polarización cero en los terminales de la puerta. Si el voltaje de la puerta es positivo, el ancho del canal y la corriente de drenaje aumentarán, y si el voltaje de la puerta es negativo, estos dos (ancho del canal y corriente de drenaje) disminuirán.
Modo de mejora
Los MOSFET de modo de mejora son un tipo de transistor de uso común. Este tipo de MOSFET es lo mismo que un interruptor siempre abierto porque no conduce cuando el voltaje de la puerta es cero. Tensión positiva (+VGS) se aplica al terminal de compuerta del canal N, el canal conduce y la corriente de drenaje fluye a través del canal.
Si este voltaje de polarización aumenta a un número más positivo, el ancho del canal y la corriente de drenaje a través del canal aumentarán aún más. Sin embargo, si el voltaje de polarización es 0 o negativo (-VGS) Los transistores pueden apagarse y el canal puede dejar de ser conductor. Ahora podemos decir que el voltaje de puerta del MOSFET de modo mejorado mejora el canal.
Modo de mejora Los transistores MOSFET se utilizan principalmente como interruptores en circuitos electrónicos debido a su baja resistencia de encendido y alta resistencia de apagado, así como a su alta resistencia de puerta. Estos transistores se utilizan para crear puertas lógicas y se utilizan en circuitos de conmutación de potencia, como las puertas CMOS que tienen transistores NMOS y PMOS.
Las características V-I de los MOSFET de modo multiplico indican la relación entre la corriente de drenaje (ID) y el voltaje de drenaje a fuente (VDS). En la figura anterior, hemos observado el comportamiento de los MOSFET de mejora en varias áreas, como la sarna, la saturación y las zonas de bloqueo.
Los transistores MOSFET están hechos de una variedad de materiales semiconductores. Estos MOSFET pueden funcionar tanto en modo conductor como no conductor, dependiendo del voltaje de polarización de la entrada. Estas capacidades de los MOSFET se pueden utilizar para la conmutación y la amplificación.
Amplificadores MOSFET de canal N
En comparación con los BJT, los MOSFET no tienen una ganancia de voltaje significativa debido a su muy baja transductancia. Por lo tanto, los MOSFET (todos los FET para este caso) no se utilizan normalmente en circuitos amplificadores.
Pero echemos un vistazo a un circuito amplificador de ‘Clase A’ de una sola etapa que, sin embargo, utiliza MOSFET de mejora de canal N. Los MOSFET de modo de refuerzo de canal N en una configuración de fuente común son un tipo de circuito amplificador que se usa más predominantemente que otros circuitos. Los amplificadores MOSFET en modo de agotamiento son muy similares a los amplificadores JFET.
La resistencia de entrada de un MOSFET está controlada por la resistencia de polarización de puerta, que es creada por la resistencia de entrada. La señal de salida de este circuito amplificador se basa en el voltaje de la puerta (VG) es alto, el transistor se enciende y el voltaje (VG) es bajo, el transistor está apagado.
Arriba se muestra un amplificador MOSFET típico con una configuración de fuente común. Se trata de un lificador en modo clase A. Aquí, la red divisora de voltaje está formada por las resistencias de entrada R1 y R2, y la resistencia de entrada a la señal de CA se da como Rin = RG = 1MΩ.
La ecuación para calcular el voltaje de la puerta y la corriente de drenaje para el circuito amplificador anterior es la siguiente:
VG = (R2 /(r1 + R2))*VDD
Soy yoD = VS/RS
Dónde es
VG = Voltaje de la puerta
VS = Voltaje de la fuente de entrada
VDD Diddy = Tensión de alimentación en el drenaje
RS = Resistencia de la fuente
R1 & R2 = Resistencia de entrada
A continuación se describen las distintas áreas en las que los MOSFET funcionan a pleno rendimiento.
Área de corte: Si el voltaje de la fuente de puerta es menor que el voltaje umbral, se dice que el transistor está operando en la zona de corte (es decir, completamente apagado). En esta región, la corriente de drenaje es cero y los transistores actúan como un circuito abierto.
VGS < VTrabajo => ISS = 0
Área de ohmios (lineal): Si el voltaje de la puerta es mayor que el voltaje umbral y el voltaje de la fuente de drenaje está entre VTH y (VGS – VTH), entonces el transistor está en una región lineal y en este estado se dice que el transistor funciona como un reóstato.
VGS > VTrabajo y VTrabajo < VSS < (VGSVGS – VTrabajo)=> Los MOSFET funcionan como reóstatos.
Área de saturación: En esta región, el voltaje de la puerta es mucho mayor que el voltaje umbral, la corriente de drenaje es máxima y el transistor está completamente encendido. En esta área, los transistores actúan como circuitos cerrados.
VGS >> VTrabajo y (VGS – VTrabajo) < VSS < 2(VGS – VTrabajo) = > yoSS = valor máximo
El voltaje de puerta al que se enciende el transistor e inicia el flujo de corriente a través del canal se denomina voltaje umbral. Para los dispositivos de canal N, este valor de voltaje umbral oscila entre 0,5 V y 0,7 V, y para los dispositivos de canal P, oscila entre -0,5 V y -0,8 V.
El comportamiento de los transistores MOSFET en modo de agotamiento y refuerzo según el voltaje de la puerta se resume de la siguiente manera:
| Agotamiento del canal N | |||
| Mejora del canal N | |||
| Agotamiento del canal P | |||
| Mejora del canal P |
aplicación
- Los MOSFET se utilizan en circuitos integrados digitales, como los microprocesadores.
- Se utiliza para calculadoras.
- Se utiliza para puertas CMOS lógicas y de memoria.
- Se utiliza como interruptor analógico.
- Se utiliza como amplificador.
- Se utiliza en aplicaciones de electrónica de potencia y fuentes de alimentación conmutadas.
- Los MOSFET se utilizan como osciladores en sistemas inalámbricos.
- Se utiliza en sistemas de sonido para automóviles y sistemas de refuerzo de sonido.
conclusión
Una guía completa para principiantes sobre la introducción de los MOSFET. Ha aprendido sobre la estructura de los MOSFET, los diferentes tipos de MOSFET, los símbolos de circuito, ejemplos de circuitos que utilizan MOSFET para controlar los LED y algunas aplicaciones.