EL MOSFET DE EMPOBRECIMIENTO

Transcripción

1 MOSFET El MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET), tiene tres terminales fuente, puerta y drenador. Sin embargo, a diferencia del JFET, la puerta está aislada eléctricamente del canal. Por esta causa, la corriente de puerta es incluso menor que en un FET. El MOSFET frecuentemente se llama IGFET, que quiere decir FET de puerta aislada. Existen dos tipos de MOSFET, el de empobrecimiento y el de enriquecimiento. Aparte de algunas aplicaciones específicas, el MOSFET de empobrecimiento se usa muy poco. El MOSFET de enriquecimiento se utiliza tanto en circuitos discretos como integrados. En circuitos discretos se usan como interruptores de potencia, en circuitos integrados su uso principal es en conmutación digital. El MOSFET de enriquecimiento ha revolucionado la industria de los ordenadores. Por su tensión umbral es ideal para emplearse como dispositivo de conmutación. Cuando la tensión de puerta es mayor que la tensión umbral, el dispositivo conduce. Esta acción de corteconducción es fundamental en la electrónica digital. Los ordenadores utilizan millones de MOSFET de enriquecimiento como conmutadores de conexión-desconexión para procesar datos. EL MOSFET DE EMPOBRECIMIENTO En la figura 14-1 se muestra un MOSFET de empobrecimiento, también denominado MOSFET de deplexión. 1

2 Se compone de una pieza de material tipo n con una zona p a la derecha y una puerta aislada a la izquierda. La zona p se denomina substrato (o cuerpo). Los electrones que circulan desde la fuente hacia el drenador deben pasar a través del estrecho canal entre la puerta y la zona p. Sobre el lado izquierdo del canal se deposita una capa de dióxido de silicio (SiO 2 ), el dióxido de silicio es aislante. La puerta en un MOSFET es metálica y por lo tanto estará aislada eléctricamente del canal. Cuando la tensión de puerta es positiva, circula un pequeña corriente despreciable. En la figura 14-2ª aparece un MOSFET de empobrecimiento con una tensión de puerta negativa. La alimentación V DD obliga a los electrones libres a circular desde la fuente hacia el drenador. Éstos circulan por el canal estrecho a la izquierda del sustrato p. Como sucede con el JFET, la tensión de puerta controla el ancho del canal. Cuanto más negativa sea la tensión de puerta, menor será la corriente de drenador. Cuando la tensión de puerta es los suficientemente negativa, la corriente de drenador se interrumpe. En consecuencia, el 2

3 funcionamiento de un MOSFET es similar al de un JFET cuando V GS es negativa. Al estar la puerta de un MOSFET aislada eléctricamente del canal, podemos aplicar una tensión positiva a la puerta, como se muestra en la figura 14-2b. La tensión positiva de puerta incrementa el número de electrones libres que circulan a través del canal. Cuanto más positiva sea la tensión de puerta, mayor será la conducción desde la fuente hacia el drenador. La formula a utilizar para calcular ID es la misma del JFET: I D = I DSS VGS (1 ) V GS(OFF ) 2 3

4 SÍMBOLO ELECTRICO CANAL N CANAL P 4

5 EL MOSFET DE ENRIQUECIMIENTO El MOSFET de empobrecimiento fue parte de la evolución hacia el MOSFET de enriquecimiento, también llamado MOSFET de acumulación. La figura representa un MOSFET de enriquecimiento, de canal N. El substrato p se extiende a lo ancho hasta el dióxido de silicio. Como se puede ver, ya no existe canal n entre la fuente y el drenador La siguiente figura representa un MOSFET de enriquecimiento, de canal P. El substrato n se extiende a lo ancho hasta el dióxido de silicio. 5

6 La figura siguiente muestra la distribución interna del MOSFET, en un MOSFET de canal N el sustrato es semiconductor tipo P y tiene unos electrones libres, a los cuales se les llama impurezas y son la clave para la operación del MOSFET. La puerta G esta aislada eléctricamente del material P. Si montamos el siguiente circuito; MOSFET, R 1, interruptor, fuentes de alimentación V DD y la fuente de alimentación variable V GS. Cuando el interruptor esta abierto no hay ninguna tensión aplicada entre G y S, además observamos que la intensidad I D =0 Si cerramos el interruptor y ajustamos la fuente V GS a 0 voltios continuamos observando que I D =0, empezamos a variar el valor de V GS hacia valores de tensión V GS >0, continuamos observando que la intensidad I D =0. Seguimos aumentando el valor de V GS y observamos 6

7 que a partir de un cierto valor empieza a circular corriente por I D. El valor de la tensión V GS a partir el MOSFET empieza a conducir se llama tensión umbral (en inglés: Threshold Voltaje). La única forma de obtener corriente en I D es mediante una tensión de puerta positiva, V GS >0. Cuando la puerta es positiva, atrae electrones libres dentro de la región p, y estos se recombinan con los huecos cercanos al dióxido de silicio. Cuando la tensión de puerta es lo suficientemente positiva, todos los huecos próximos al dióxido de silicio desaparecen y los electrones libres empiezan a circular desde la fuente hacia el drenador. El efecto es idéntico al de crear una capa delgada de material tipo n próxima al dióxido de silicio. Esta capa conductora se denomina capa de inversión tipo n. Cuando existe, los electrones libres pueden circular fácilmente desde la fuente hacia el drenador. 7

8 La siguiente figura muestra la relación entre V GS y la intensidad I D tensiones de polarización normales. Cuando la tensión de puerta es nula, la corriente entre la fuente y el drenador es nula. Por esta razón el MOSFET de enriquecimiento está normalmente en corte cuando la tensión de puerta es cero. 8

9 La V GS mínima que crea la capa de inversión (Threshold Voltaje), simbolizada por V GS(TH). Cuando V GS es menor que V GS(TH), la corriente de drenador es nula. Pero cuando V GS es mayor que V GS(TH), una capa de inversión tipo n conecta la fuente al drenador y la corriente de drenador es grande. Los valores típicos de V GS(TH), para dispositivos de pequeña señal pueden variar entre 1 y 3 V. 9

10 CARACTERÍSTICAS DE SALIDA La figura 14-1-a muestra un conjunto de curvas de salida de un MOSFET de enriquecimiento típico. La curva inferior es la curva V GS(TH). Cuando V GS es menor que V GS(TH), la corriente de drenador es aproximadamente cero. Cuando V GS es mayor que V GS(TH), el dispositivo conduce y la corriente de drenador se controla por medio de la tensión de puerta. La parte casi vertical corresponde a la zona óhmica, y la parte casi horizontal corresponde a la zona de saturación. El MOSFET de enriquecimiento puede funcionar en cualquiera de estas zonas. En otras palabras puede actuar como una resistencia o como una fuente de corriente. 10

11 Canal N Canal P MOSFET DE ENRIQUECIMIENTO V GS positiva V GS negativa V GS Controla I D Tension Umbral V GS(th) Valor de V GS al cual I D 0 Característica de Transferencia 2 I = K V V ) D ( GS GS(Th) La figura 14-4b se corresponde a la curva característica de transferencia típica. No hay corriente de drenador hasta que V GS es mayor que V GS(TH). A partir de este punto, la corriente de drenador se incrementa rápidamente hasta que alcanza la corriente de saturación I DSAT. A partir de este punto el dispositivo esta polarizado en la región de saturación. Por lo tanto I D no podrá crecer aunque crezca V GS. Utilizaremos la fórmula siguiente para calcular I D en la zona de saturación: I D = K (V GS - V GS(th) ) 2 La constante K se calcula por medio de datos de la Hoja de Características del componente, K resultará despejando la formula anterior sustituyendo I D por una I DON para una V GS dada. Por ejemplo para el E-MOSFET 2N7008 tenemos de las hojas de características datasheet I D = 500mA para una V GS = 10V y una V GS(th)= 1V. Por lo tanto K será igual: 11

12 500mA ma K = = 6, ( 10V 1V ) V SÍMBOLOS ELÉCTRICOS Dispositivo de canal N Dispositivo de canal P PARAMETROS DEL MOSFET MAXIMA CORRIENTE DE DRENADOR (I Dmax ): Se encuentra entre valores desde 0,1 A hasta 200 A. En general los MOSFET pueden soportar mayor cantidad de corriente que los BJT. MAXIMO VOLTAJE DRENADOR FUENTE V DSmax : Si sobrepasamos este valor el MOSFET puede entrar en zona de avalancha y destruirse. VOLTAJE UMBRAL V GSth : Cuando V GS es menor que V GS(TH), la corriente de drenador I D es nula. 12

13 RESISTENCIA DE ENCENDIDO R Dson : Tiene utilidad cuando trabajo en la zona ohmica. Su valor varia entre 5mΩ a 10Ω POTENCIA MAXIMA DE DISIPACION: En general va a depender del encapsulado. MÁXIMA TENSIÓN PUERTA-FUENTE Los dispositivos MOSFET se pueden destruir si se aplica una tensión puerta-fuente excesiva. También se puede destruir el dispositivo si se retira o inserta en un circuito mientras la alimentación está conectada, las tensiones transitorias debidos a efectos inductivos y a otras causas puede suceder que se supere la V GSMAX. Puede suceder que el dispositivo se destruya, simplemente tocándolo con las manos, esto es debido a que depositemos suficiente carga estática que supere la V GSMAX. Por esta razón muchos MOSFET frecuentemente son empaquetados con un anillos metálico alrededor de los terminales de conexión, envueltos en papel de aluminio o insertados en espuma conductora. Muchos MOSFET están protegidos con diodos zener internos en paralelo con la puerta y la fuente. La tensión zener es menor que la V GSMAX, por 13

14 lo tanto el diodo zener entra en ruptura antes de que se produzca cualquier daño a la capa de aislamiento. La desventaja de estos diodos zener internos, es que producen una reducción de la impedancia de entrada de los MOSFET. En conclusión los dispositivos MOSFET son delicados y se destruyen fácilmente, de tal manera que se han de manejar cuidadosamente. Nunca se deben conectar o desconectar mientras la alimentación este conectada. Finalmente antes de coger con la mano un dispositivo MOSFET, debemos poner a masa nuestro cuerpo tocando el chasis del equipo donde este montado. 14

15 POLARIZACION DEL MOSFET POR DIVISOR DE TENSION En los MOSFET de enriquecimiento V GS tiene que ser mayor que la tensión umbral V GS(th). Para el circuito polarizado por divisor de tensión tememos las siguientes formulas: V GS = (R 2 /R 1 +R 2 ) V DD V DS = V DD I D R D VDD R1 RD Q1 R2 2N7000 DIVISOR DE TENSIÓN POLARIZACION POR REALIMENTACION DE DRENADOR Podemos polarizarlo realimentando la tensión de drenador, donde la corriente a través de R G será despreciable y por lo tanto no hay caída de tensión en R G. Por lo que V GS = V DS VDD RD RG Q1 2N

16 CIRCUITOS DE CONMUTACION PARA MOSFET CANAL N Y CANAL P MOSFET CANAL P RD VDD Q1 VGG RGG BST120 VDD MOSFE CANAL N RD VGG RG 16