2. Semiconductor de óxido de metal FET (MOSFET)
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Semiconductor de óxido de metal FET (MOSFET)
El FET (MOSFET) de semiconductor de óxido metálico es un dispositivo de cuatro terminales. Los terminales son los fuente (S), puerta (G) y drenar (D). sustrato or cuerpo Forma la cuarta terminal. El MOSFET está construido con el terminal de puerta aislado del canal con un dieléctrico de dióxido de silicio. Los MOSFET pueden ser agotamiento or modo de mejora. Definimos estos dos términos en breve.
Figura 1 - MOSFET de agotamiento de canal n
Los MOSFET a veces se denominan IGFET (transistores de efecto de campo de puerta aislada) debido a la SiO2 Capa utilizada como aislante entre la puerta y el sustrato. Comenzamos nuestro análisis con el MOSFET en modo de agotamiento. Así como los BJT pueden ser npn or PNP, MOSFETs pueden ser cualquiera n-canal (NMOS) o p-canal (PMOS). La figura 1 ilustra la estructura física y el símbolo de una nMOSFET de agotamiento de canales. Observe que el sustrato está conectado al terminal de origen. Este será casi siempre el caso.
El MOSFET de agotamiento se construye con un los libros físicos Canal insertado entre el desagüe y la fuente. Como resultado, cuando un voltaje, vDS, se aplica entre drenaje y fuente, una corriente, iD, existe entre el drenaje y la fuente a pesar de que el terminal de puerta G permanece desconectado (vGS = 0 V).
La construcción de la n-el canal de agotamiento MOSFET comienza con pDopado de silicona. los nLos pozos de fuente y drenaje de dopado forman conexiones de baja resistencia entre los extremos de la n-canal, como se muestra en la figura 1. Se deposita una capa delgada de dióxido de silicio que cubre el área entre la fuente y el drenaje. El sio2 es un aislante Una capa de aluminio se deposita en el aislador de dióxido de silicio para formar el terminal de la puerta. En funcionamiento, un negativo. vGS empuja a los electrones fuera de la región del canal, agotando así el canal. Cuando vGS alcanza un cierto voltaje, VT, el canal es pellizcó. Valores positivos de vGS aumentar el tamaño del canal, lo que resulta en un aumento de la corriente de drenaje. El MOSFET de agotamiento puede funcionar con valores positivos o negativos de vGS. Como la puerta está aislada del canal, la corriente de la puerta es insignificante (del orden de 10).-12 LA).
Figura 2 - MOSFET de agotamiento de canal p
La Figura 2 es comparable a la Figura 1, excepto que hemos cambiado la nde MOSFET de agotamiento de canal a un pMOSFET de agotamiento de canales.
La nmejora de canal MOSFET se ilustra en la Figura 3 junto con el símbolo del circuito. Esta es la forma más utilizada de transistor de efecto de campo.
Figura 3 - MOSFET de mejora de canal n
La nMOSFET de mejora de canal difiere del MOSFET de agotamiento por no tener el delgado n-capa. Requiere un voltaje positivo entre la puerta y la fuente para establecer un canal. Este canal está formado por la acción de un voltaje positivo de puerta a fuente, vGS, que atrae electrones de la región del sustrato entre la nDrenaje dopado y la fuente. Positivo vGS hace que los electrones se acumulen en la superficie debajo de la capa de óxido. Cuando la tensión alcanza un umbral, VT, esta región atrae a un número suficiente de electrones para que actúe como un conductor n-canal. Sin corriente de drenaje apreciable, iD existe hasta vGS excede VT.
La Figura 4 es comparable a la Figura 3, excepto que hemos cambiado la nMOSFET de mejora de canal a un pMOSFET de mejora de canal.
Figura 4 - MOSFET de mejora de canal p
Como resumen, la familia MOSFET exhibe la identificación iD vGS Las curvas se muestran en la figura 5. Cada curva característica se desarrolla con suficiente voltaje de fuente de drenaje vDS para mantener el dispositivo en la región de funcionamiento normal de la iD vDS curvas. La discusión en secciones posteriores definirá el umbral de voltaje. VT Tanto para los MOSFET de mejora como para los MOSFET de agotamiento.
Figura 5 - iD vGS Características de la familia MOSFET para una tensión de fuente de drenaje suficiente. VDS
Características del terminal MOSFET en modo de mejora 2.1
Ahora que hemos presentado la estructura básica y la base para el funcionamiento del MOSFET, usamos un enfoque para examinar el comportamiento del terminal del dispositivo en modo de mejora. Primero hagamos algunas observaciones generales de la Figura 1. Piense en el flujo normal de corriente en el MOSFET como si fuera del drenaje a la fuente (al igual que en el BJT, está entre el colector y el emisor). Como con el npn BJT, existen dos diodos consecutivos entre el drenaje y la fuente. Por lo tanto, debemos aplicar voltajes externos a la compuerta para permitir que la corriente fluya entre el drenaje y la fuente.
Si conectamos a tierra la fuente y aplicamos un voltaje positivo a la compuerta, ese voltaje es efectivamente el voltaje de la puerta a la fuente. La tensión de la puerta positiva atrae electrones y repele los agujeros. Cuando la tensión supera el umbral (VT), se atraen suficientes electrones para formar un canal conductor entre el drenaje y la fuente. En este punto, el transistor se enciende y la corriente es una función de ambos vGS y vDS. Debe quedar claro que VT es un número positivo para un ndispositivo de canal, y un número negativo para un pDispositivo de canal.
Una vez que se crea un canal (es decir, vGS >VT), el flujo de corriente puede ocurrir en ese canal entre el drenaje y la fuente. Este flujo de corriente depende de vDS, pero también depende de vGS. Cuando el vGS apenas supera el voltaje de umbral, puede fluir muy poca corriente. Como vGS aumenta más allá del umbral, el canal contiene más portadoras y son posibles corrientes más altas. La figura 6 muestra la relación entre iD y vDS donde vGS es un parametro Tenga en cuenta que para vGS Menos que el umbral, no hay flujos de corriente. Para mayor vGS, La relación entre iD y vDS es aproximadamente lineal, lo que indica que el MOSFET se comporta como una resistencia cuya resistencia depende de vGS.
Figura 6 -iD vDS para un modo de mejora nMOSFET de canal cuando vDS es pequeño
Las curvas de la figura 6 se ven como líneas rectas. Sin embargo, no continuarán como líneas rectas cuando vDS se hace más grande Recuerde que se utiliza un voltaje de compuerta positivo para crear el canal de conducción. Lo hace atrayendo electrones. El voltaje de drenaje positivo está haciendo lo mismo. A medida que nos acercamos al extremo de drenaje del canal, la tensión que crea el canal se acerca vGS–vDS ya que las dos fuentes se oponen entre sí. Cuando esta diferencia es menor que VT, el canal ya no existe para todo el espacio entre la fuente y el drenaje. El canal es constreñido en el extremo del desagüe, y aumenta aún más en vDS no dar lugar a ningún aumento en iD. Esto se conoce como la región de operación normal o saturación Región mostrada en la Figura 7 por la sección horizontal de las curvas características. Cuando la diferencia es mayor que VT, llamamos a esto el triodos Modo, porque los potenciales en los tres terminales afectan fuertemente la corriente.
La discusión anterior conduce a las curvas de operación de la Figura 7.
Figura 7 -iD vGS para un modo de mejora MOSFET
La transición entre el tríodo y la región operativa normal (denominada región de saturación y, a menudo, identificada como operación en el modo de pellizco) se muestra como la línea discontinua en la Figura 7, donde
(1)
En el borde de la región del triodo, las rodillas de las curvas siguen aproximadamente la relación,
(2)
En la ecuación (2), K es una constante para un dispositivo dado. Su valor depende de las dimensiones del dispositivo y de los materiales utilizados en su construcción. La constante está dada por,
(3)
En esta ecuación, μn es la movilidad del electrón; Cóxido, la capacitancia de óxido, es la capacitancia por unidad de área de la puerta; W es el ancho de la puerta; L es la longitud de la puerta. La ecuación indica una relación complicada y no lineal entre iD y los dos voltajes, vDS y vGS. Como nos gustaría que la corriente de drenaje varíe aproximadamente linealmente con vGS (independiente de vDS), el FET no se utiliza generalmente en la región del triodo.
Ahora deseamos encontrar una ecuación para las curvas de operación en la región de saturación. Podemos establecer los valores en la transición entre el tríodo y la región de saturación mediante la evaluación de la Ecuación (2) en la transición (rodilla). Es decir,
(4)
Esta ecuación establece la magnitud de la corriente de drenaje en el límite (línea discontinua en la Figura 8) como una función del voltaje de la puerta a la fuente vGS. Si es necesario, podemos explicar la ligera pendiente de las curvas características en la región de saturación agregando un factor lineal.
(5)
En la ecuación (5), λ es una pequeña constante (la pendiente de la sección casi horizontal de las curvas características que se muestra en la Figura 8). Suele ser menor que 0.001 (V-1). Entonces
(6)
Toda nuestra discusión anterior trató sobre el transistor NMOS. Ahora discutimos brevemente las modificaciones necesarias para PMOS. Para PMOS, los valores de vDS será negativo Adicionalmente, para crear un canal en PMOS, 
.
Figura 8 - Características terminales de un transistor MOSFET
El único cambio de las características de los transistores NMOS (Figura 7) es que el eje horizontal es ahora -vDS en lugar de + vDS, y las curvas paramétricas representan una mayor corriente de drenaje a medida que la tensión de la compuerta disminuye (en lugar de aumentar para el transistor NMOS). Las curvas para aumentar los valores de corriente corresponden a una tensión de compuerta más negativa. Cuando vGS > VT, el transistor está cortado. Para la mejora de PMOS, VT es negativo, y por agotamiento de PMOS, VT es positivo.
La ecuación de la corriente en la transición de la región del triodo para el transistor PMOS es idéntica a la del NMOS. Es decir,
(7)
Tenga en cuenta que vGS y vDS Son ambas cantidades negativas. La ecuación para la región de saturación en el transistor PMOS también es idéntica a la de NMOS. Es decir,
(8)
Tenga en cuenta que λ es negativo para los transistores PMOS ya que la tasa de cambio de la curva (
) es negativo.
Tomando la derivada parcial de ambos lados de la ecuación (6) con respecto a vGS, 
, obtenemos
(9)
Preferimos el valor de gm Para ser constante, especialmente para grandes oscilaciones de señal. Sin embargo, solo podemos aproximarnos a esta condición si usamos el FET para aplicaciones de pequeña señal. Para condiciones de señales grandes, la distorsión de la forma de onda puede ser inaceptable en algunas aplicaciones.
MOSFET de modo de agotamiento 2.2
La sección anterior trata sobre el modo MOSFET de mejora. Ahora contrastamos esto con el MOSFET en modo de agotamiento. Para el n-modo de mejora de canal, para adquirir un canal tuvimos que aplicar un voltaje positivo en la puerta. Este voltaje tenía que ser lo suficientemente grande como para forzar un número suficiente de electrones móviles para producir una corriente en un canal inducido.
Figura 9 - Modo de agotamiento MOSFET de canal n
En nMOSFET de modo de agotamiento de canal, no necesitamos este voltaje positivo ya que tenemos un canal implantado físicamente. Esto nos permite tener corriente entre los terminales de drenaje y fuente incluso con voltajes negativos aplicados a la puerta. Por supuesto, existe un límite en la cantidad de voltaje negativo que se puede aplicar a la puerta sin dejar de tener flujo de corriente entre el drenaje y la fuente. Este límite se identifica nuevamente como el voltaje umbral, VT. El cambio desde el modo de mejora es que el voltaje de puerta a fuente ahora puede ser negativo o positivo, como se muestra en la Figura 9.
Las ecuaciones que definen el funcionamiento del MOSFET en modo de agotamiento son muy similares a las del modo de mejora. El valor de la corriente de drenaje cuando vGS es cero se identifica como IDSS. Esto se refiere a menudo como la corriente de saturación de la fuente de drenaje, o el cero - corriente de drenaje de la puerta. Al comparar las ecuaciones del MOSFET en modo de mejora con las del modo de agotamiento, encontramos
(10)
Entonces encontramos
(11)
Los MOSFET de modo de agotamiento están disponibles en forma discreta, o se pueden fabricar en chips de circuitos integrados junto con los tipos de modo de mejora. Esto incluye tanto p-tipo y n-tipo. Esto permite una mayor flexibilidad en las técnicas de diseño de circuitos.
2.3 Circuito equivalente de gran señal
Ahora deseamos desarrollar un circuito equivalente que represente las características de gran señal de la Figura 8 [Ecuación (5) o (8)] en la región de saturación. Tenga en cuenta que la corriente de drenaje, iD, depende de vGS y vDS. Para un voltaje constante de puerta a fuente, operamos a lo largo de una de las curvas paramétricas de la figura y la relación es aproximadamente una línea recta. Una relación en línea recta entre corriente y voltaje se modela mediante una resistencia. Por lo tanto, el circuito equivalente consiste en una resistencia en paralelo con la fuente de corriente donde el valor de la fuente de corriente establece la porción de la corriente de drenaje debida a vGS. La pendiente de la curva depende de vGS. La pendiente es la derivada parcial,
(12)
donde r0 Es la resistencia de salida incremental. Vemos en la ecuación [(5) o (8)] que esta resistencia viene dada por
(13)
donde usamos mayúsculas VGS para indicar que la resistencia se define para un valor constante particular de voltaje de puerta a fuente. La aproximación final en la ecuación (13) resulta de la ecuación (5) con el supuesto de que λ es pequeño. La resistencia es por lo tanto inversamente proporcional a la corriente de polarización, ID. El modelo equivalente de señal grande se muestra en la Figura 11, donde r0 Es como se desarrolla en la ecuación (13).
Figura 11 - Circuito equivalente de señal grande
2.4 Modelo de señal pequeña de MOSFET
Ahora deseamos ver los efectos incrementales relacionados con la ecuación. Los tres parámetros del circuito en esa ecuación, iD, vGS y vDS se componen de ambos dc (sesgo) y ac componentes (es por eso que hemos utilizado subíndices en mayúsculas en las expresiones). Estamos interesados en el ac Componentes para el modelo de pequeña señal. Vemos que la corriente de drenaje depende de dos voltajes, la puerta a la fuente y el drenaje a la fuente. Para valores incrementales, podemos escribir esta relación como
(14)
En la ecuación (14), gm is la transconductancia delantera y r0 Es la resistencia de salida. Sus valores se encuentran tomando derivadas parciales en la ecuación (5). Así,
(15)
La aproximación en la ecuación (15) resulta de la observación de que λ si es pequeño La ecuación (14) conduce al modelo de pequeña señal de la Figura 12.
Figura 12 - Modelo MOSFET de señal pequeña