Transistores MOSFET: Estructura y operación del NMOS de enriquecimiento
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Definición y terminales del MOSFET
Un transistor MOSFET (metal‑oxide‑semiconductor field‑effect transistor, transistor de efecto de campo metal‑óxido‑semiconductor) es un dispositivo de cuatro terminales: sustrato, puerta o gate, surtidor o source y drenador o drain.
En la electrónica discreta, el terminal sustrato está siempre conectado al surtidor. Por eso normalmente hablaremos del MOS como un dispositivo de tres terminales: puerta o gate, surtidor o source y drenador o drain.
Fabricación y sustrato
Los transistores MOSFET se fabrican sobre obleas de silicio con estructura cristalina (100) débilmente dopadas.
Tipos según transportadores
Si la corriente en los transistores MOS se debe a portadores de carga negativos (electrones) hablaremos de transistores NMOS, y si la corriente se debe a portadores de carga positivos (huecos) hablaremos de transistores PMOS.
Subdivisión: enriquecimiento y vaciamiento
Dentro de estos dos tipos de transistores MOS existe una subdivisión adicional en la que distinguimos entre MOS de enriquecimiento o de vaciamiento, según si su canal de conducción se genera al aplicar una tensión de puerta o si ya existe sin ella.
- NMOS de enriquecimiento
- NMOS de vaciamiento
- PMOS de enriquecimiento
- PMOS de vaciamiento
Enfoque: NMOS de enriquecimiento
Para comenzar a familiarizarnos con los transistores MOS nos centraremos en los transistores NMOS de enriquecimiento, que son los más usados habitualmente.
Estructura interna del NMOS de enriquecimiento
Comencemos viendo la estructura interna de un transistor NMOS de enriquecimiento:
La zona activa del transistor es en la que se genera el canal de conducción y se caracteriza por una longitud L y una anchura W.
El óxido de puerta se genera por una oxidación térmica seca.
Para poder acceder eléctricamente al sustrato, al surtidor y al drenador hay que depositar sobre ellos un metal para generar el contacto óhmico.
Símbolo y terminales
Esta estructura interna de un transistor NMOS de enriquecimiento tiene asociado un símbolo eléctrico. Como vemos, el transistor NMOS de enriquecimiento tiene cuatro terminales (puerta, drenador, surtidor y sustrato), pero normalmente sustrato y surtidor están conectados internamente, por lo que solo tendremos acceso a tres terminales: puerta, drenador y surtidor.
Corriente y polarización en NMOS
En el transistor NMOS la corriente se debe a un único tipo de portadores de carga: los electrones, y la corriente va de drenador a surtidor.
Para que esto sea así, los diodos drenador‑sustrato y surtidor‑sustrato deben estar inversamente polarizados.
Además, el condensador de puerta formado por el contacto de puerta (gate), el óxido de puerta y el sustrato debe estar cargado. Es decir, debe formarse el canal de conducción con electrones libres entre surtidor y drenador.
Veamos cómo se genera el canal de conducción.
Generación del canal de conducción
No hay canal de conducción generado: No hay electrones libres entre drenador y sustridor.
Para generar el canal de conducción atravesamos dos fases:
- Generación de una zona de agotamiento que abarca toda la zona activa.
- Generación de la capa de inversión o del canal de conducción: en la zona activa, partiendo de una zona con carácter P se pasa a una zona con carácter N, que es lo que llamamos canal de conducción.
Formación del canal (detalle)
No hay canal de conducción generado: No hay electrones libres entre drenador y sustridor.
Los diodos drenador‑sustrato y surtidor‑sustrato son diodos inversamente polarizados unidos por la resistencia de canal de valor muy elevado. Aunque haya una VDS>0, no habrá paso de portadores de carga libres entre drenador y surtidor, por lo que la ID = 0.
Al aplicar una tensión de puerta positiva en la zona activa, algunos huecos son repelidos por esta tensión positiva y algunos huecos se recombinan con electrones provenientes de las zonas de drenador y surtidor, de modo que generamos una zona sin portadores de carga libres.
Información adicional / Notas
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ID
IS
Diodo surtidor‑sustrato
Diodo drenador‑sustrato