El Transistor MOSFETINTRODUCCIN.Los problemas que vienen presentando los transistores bipolares o BJT, como son la corriente que soportan y la dependencia de la temperatura a la que se ven sometidos, unas veces por su emplazamiento, otras por un mal trazado y la mas evidente, el efecto llamado de avalancha. Estas evidencias, han llevado a que se sustituyan por otros transistores ms avanzados, hasta la llegada de los MOSFET.Las ventajas que presentan este tipo de transistor, han llevado a que ocupen un lugar importante dentro de la industria, desplazando a los viejos BJT a otros fines. Los MOSFET de potencia son muy populares para aplicaciones de baja tensin, baja potencia y conmutacin resistiva en altas frecuencias, como fuentes de alimentacin conmutadas, motores sin escobillas y aplicaciones como robtica, CNC y electrodomsticos.La mayora de sistemas como lmparas, motores, drivers de estado slido, electrodomsticos, etc. utilizan dispositivos de control, los cuales controlan el flujo de energa que se transfiere a la carga. Estos dispositivos logran alta eficiencia variando su ciclo de trabajo para regular la tensin de salida. Para realizar la parte de conmutacin, existen varios dispositivos semiconductores, a continuacin se muestra una tabla con algunos de ellos.La siguiente es una tabla comparativa de las diversas capacidades entre potencia y velocidad de conmutacin de los tipos de dispositivos.

LOS TRANSISTORES MOSFET.Vamos a estudiar un transistor cuyo funcionamiento no se basa en uniones PN, como el transistor bipolar, ya que en ste, el movimiento de carga se produce exclusivamente por la existencia de campos elctricos en el interior del dispositivo. Este tipo de transistores se conocen como, efecto de campo JFET (del ingls,Juntion Field Effect Transistor).El transistor MOSFET, como veremos, est basado en la estructura MOS. En los MOSFET deenriquecimiento, una diferencia de tensin entre el electrodo de la Puerta y el substrato induce un canal conductor entre los contactos de Drenador y Surtidor, gracias al efecto de campo. El trminoenriquecimientohace referencia al incremento de la conductividad elctrica debido a un aumento de la cantidad de portadores de carga en la regin correspondiente al canal, que tambin es conocida como lazona de inversin.LA ESTRUCTURA MOS.La estructura MOS esta compuesta de dos terminales y tres capas: Un Substrato de silicio, puro o poco dopadopon, sobre el cual se genera una capa deOxido de Silicio(SiO2) que, posee caractersticas dielctricas o aislantes, lo que presenta una alta impedancia de entrada. Por ltimo, sobre esta capa, se coloca una capa deMetal(Aluminio o polisilicio), que posee caractersticas conductoras. En la parte inferior se coloca un contacto hmico, en contacto con la capsula, como se ve en la figura.

La estructura MOS, acta como un condensador de placas paralelas en el que G y B son las placas y el xido, el aislante. De este modo, cuando VGB=0, la carga acumulada es cero y la distribucin de portadores es aleatoria y se corresponde al estado de equilibrio en el semiconductor.Cuando VGB>0, aparece un campo elctrico entre los terminales de Puerta y substrato. La regin semiconductorapresponde creando una regin de empobrecimiento de cargas libresp+(zona de deplexin), al igual que ocurriera en la reginPde una uninPNcuando estaba polarizada negativamente. Esta regin de iones negativos, se incrementa con VGB.Al llegar a la regin de VGB, los iones presentes en la zona semiconductora de empobrecimiento, no pueden compensar el campo elctrico y se provoca la acumulacin de cargas negativas libres (e-) atrados por el terminal positivo. Se dice entonces que la estructura ha pasado de estar eninversin dbilainversin fuerte.El proceso de inversin se identifica con el cambio de polaridad del substrato, debajo de la regin de Puerta. Eninversin fuerte, se forma as unCANALdee-libres, en las proximidades del terminal de Puerta (Gate) y de huecosp+en el extremo de la Puerta.La intensidad de Puerta IG, es cero puesto que, en continua se comporta como un condensador (GB). Por lo tanto, podemos decir que,la impedancia desde la Puerta al substrato es prcticamente infinitae IG=0 siempre en esttica. Bsicamente, la estructura MOS permite crear una densidad de portadores libres suficiente para sustentar una corriente elctrica.MOSFET DE ENRIQUECIMIENTO DE CANAL N.Bajo el terminal de Puerta existe una capa de xido (SiO2) que impide prcticamente el paso de corriente a su travs; por lo que, el control de puerta se establece en forma de tensin. La calidad y estabilidad con que es posible fabricar estas finas capas de xido es la principal causa del xito alcanzado con este transistor, siendo actualmente el dispositivo ms utilizado.Adems, este transistor ocupa un menor volumen que el BJT, lo que permite una mayor densidad de integracin. Comencemos con la estructura bsica del MOSFET, seguido de sus smbolos.Se trata de una estructura MOS, de cuatro terminales, en la que el substrato semiconductor es de tipoppoco dopado. A ambos lados de la interfaseOxido-Semiconductorse han practicado difusiones de materialn, fuertemente dopado (n+).

Cuando se aplica una tensin positiva al terminal de puerta de un MOSFET de tipo N, se crea un campo elctrico bajo la capa de xido que incide perpendicularmente sobre la superficie del semiconductor P. Este campo, atrae a loselectroneshacia la superficie, bajo la capa de xido, repeliendo los huecos hacia el sustrato. Si el campo elctrico es muy intenso se logra crear en dicha superficie una regin muy rica en electrones, denominada canal N, que permite el paso de corriente de la Fuente al Drenador. Cuanto mayor sea la tensin de Puerta (Gate) mayor ser el campo elctrico y, por tanto, la carga en el canal. Una vez creado el canal, la corriente se origina, aplicando una tensin positiva en el Drenador (Drain) respecto a la tensin de la Fuente (Source).En un MOSFET tipo P, el funcionamiento es a la inversa, ya que los portadores son huecos (cargas de valor positivas, el mdulo de la carga del electrn). En este caso, para que exista conduccin el campo elctrico perpendicular a la superficie debe tener sentido opuesto al del MOSFET tipo N, por lo que la tensin aplicada ha de ser negativa. Ahora, loshuecosson atrados hacia la superficie bajo la capa de xido, y los electrones repelidos hacia el sustrato. Si la superficie es muy rica en huecos se forma el canal P. Cuanto ms negativa sea la tensin de puerta mayor puede ser la corriente (ms huecos en el canal P), corriente que se establece al aplicar al terminal de Drenador una tensin negativa respecto al terminal de Fuente. La corriente tiene sentido opuesto a la de un MOSFET tipo N.

Si con tensin de Puerta nula no existe canal, el transistor se denomina de acumulacin; y de vaciamiento en caso contrario. Mientras que la tensin de Puerta a partir de la cual se produce canal, se conoce como tensin umbral, VT. El terminal de sustrato sirve para controlar la tensin umbral del transistor, y normalmente su tensin es la misma que la de la Fuente.El transistor MOS es simtrico: los terminales de Fuente y Drenador son intercambiables entre s. En el MOSFET tipo N el terminal de mayor tensin acta de Drenador (recoge los electrones), siendo el de menor tensin en el tipo P (recoge los huecos). A modo de resumen, la figura anterior, muestra el funcionamiento de un transistor MOS tipo N de enriquecimiento.El smbolo ms utilizado para su representacin a nivel de circuito se muestra en la figura siguiente. La flecha en el terminal de Fuente (Gate) nos informa sobre el sentido de la corriente.

Smbolos de circuitoExisten distintos smbolos que se utilizan para representar el transistor MOSFET. El diseo bsico consiste en una lnea recta para dibujar el canal, con lneas que salen del canal en ngulo recto y luego hacia afuera del dibujo de forma paralela al canal, para dibujar el surtidor y el drenador. En algunos casos, se utiliza una lnea segmentada en tres partes para el canal del MOSFET de enriquecimiento, y una lnea slida para el canal del MOSFET de empobrecimiento. Otra lnea es dibujada en forma paralela al canal para destacar la compuerta.La conexin del sustrato, en los casos donde se muestra, se coloca en la parte central del canal con una flecha que indica si el transistor es PMOS o NMOS. La flecha siempre apunta en la direccin P hacia N, de forma que un NMOS (Canal N en una tina P o sustrato P) tiene la flecha apuntando hacia adentro (desde el sustrato hacia el canal). Si el sustrato est conectado internamente al surtidor (como generalmente ocurre en dispositivos discretos) se conecta con una lnea en el dibujo entre el sustrato y el surtidor. Si el sustrato no se muestra en el dibujo (como generalmente ocurre en el caso de los diseos de circuitos integrados, debido a que se utiliza un sustrato comn) se utiliza un smbolo de inversin para identificar los transistores PMOS, y de forma alternativa se puede utilizar una flecha en el surtidor de forma similar a como se usa en los transistores bipolares (la flecha hacia afuera para un NMOS y hacia adentro para un PMOS).En esta figura se tiene una comparacin entre los smbolos de los MOSFET de enriquecimiento y de empobrecimiento, junto con los smbolos para losJFET(dibujados con el surtidor y el drenador ordenados de modo que las tensiones ms elevadas aparecen en la parte superior del smbolo y la corriente fluye hacia abajo).Canal P

Canal N

JFETMOSFET Enriq.MOSFET Enriq. (sin sustrato)MOSFET Empob.

Modos de operacin]El funcionamiento de un transistor MOSFET se puede dividir en tres diferentes regiones de operacin, dependiendo de las tensiones en sus terminales. En la presente discusin se utiliza un modelo?algebraico que es vlido para las tecnologas bsicas antiguas, y se incluye aqu con fines didcticos. En los MOSFET modernos se requieren modelos computacionales que exhiben un comportamiento mucho ms complejo.Para un transistorNMOSdeenriquecimientose tienen las siguientes regiones:Corte

NMOS en modo de corte.La regin blanca indica que no existen portadores libres en esta zona, debido a que los electrones son repelidos del canal.Cuando VGS< Vthdonde Vthes la tensin de umbral del transistorDe acuerdo con el modelo bsico del transistor, en esta regin el dispositivo se encuentra apagado. No hay conduccin entre el surtidor y el drenador, de modo que el MOSFET se comporta como un interruptor abierto.Un modelo ms exacto considera el efecto de la energa trmica descrita por la distribucin de Boltzmann para las energas de los electrones, en donde se permite que los electrones con alta energa presentes en el surtidor ingresen al canal y fluyan hacia el drenador. Esto ocasiona una corriente subumbral, que es una funcin exponencial de la tensin entre compuerta-surtidor. La corriente subumbral sigue aproximadamente la siguiente ecuacin:

donde ID0es la corriente que existe cuando VGS= Vth,VT= kT/q es el voltaje trmico,n = 1 + CD/COXdonde CDes la capacidad de la regin de agotamiento, yCOXes la capacidad de la capa de xido.Regin lineal u hmica

NMOS en la regin lineal.Se forma un canal de tipo n al lograr la inversin del sustrato, y la corriente fluye de drenador a surtidor.Cuando VGS> Vthy VDS< ( VGS Vth)Al polarizarse la puerta con una tensin mayor que la tensin de umbral, se crea una regin de agotamiento en la regin que separa el surtidor y el drenador. Si esta tensin crece lo suficiente, aparecern portadores minoritarios (huecos en PMOS, electrones en NMOS) en la regin de agotamiento, que darn lugar a un canal de conduccin. El transistor pasa entonces a estado de conduccin, de modo que una diferencia de potencial entre drenador y surtidor dar lugar a una corriente. El transistor se comporta como una resistencia controlada por la tensin de compuerta.La corriente que entra por el drenador y sale por el surtidor es modelada por medio de la ecuacin:

dondees la movilidad efectiva de los portadores de carga,es lacapacidaddel xido por unidad de rea,es el ancho de la compuerta,es la longitud de la compuerta.Saturacin o activa[editar]

NMOS en la regin de saturacin.Al aplicar una tensin de drenador ms alta, los electrones son atrados con ms fuerza hacia el drenador y el canal se deforma.Cuando VGS> Vthy VDS> ( VGS Vth)Cuando la tensin entre drenador y surtidor supera cierto lmite, el canal de conduccin bajo la puerta sufre un estrangulamiento en las cercanas del drenador y desaparece. La corriente que entra por el drenador y sale por el surtidor no se interrumpe, ya que es debida al campo elctrico entre ambos, pero se hace independiente de la diferencia de potencial entre ambos terminales.En esta regin la corriente de drenador se modela con la siguiente ecuacin:

Ejemplo