Mosfet de Enriquecimiento Canal P Enero-mayo

7/30/2019 Mosfet de Enriquecimiento Canal P Enero-mayo

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Instituto Tecnológico de Puebla

Física de Semiconductores

Profesor: Víctor Manuel Perusquía Romero

Equipo 4

Tema: Mosfet de Enriquecimiento de Canal P

INTRODUCCIÓN

Por sus siglas en Inglés MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)Un transistor MOSFET es una barra de silicio con un sector oxidado (el óxido de silicio seconoce vulgarmente como vidrio) sobre el que se produce un metalizado.Este metalizado está por lo tanto aislado de la barra de silicio pero suficientementecercano como para cambiar la magnitud de la corriente circulante por la barra.

Fig.5.1 Aislamiento “DE OXIDO DE SILICIO COMPUERTA”



Fig. 5.2 circuito de prueba

Existen diferentes versiones de MOSFET en función del tipo de barra de silicio (canal tipo Py canal tipo N) y del funcionamiento del dispositivo, ya que existen MOSFET deensanchamiento de canal y otros de estrechamiento del canal (los primeros tiene unaresistencia intrínseca alta, que se reduce al aplicar tensión a la compuerta y los segundostienen una resistencia intrínseca baja, que aumenta al aplicar tensión a la compuerta). Loscuatro tipos se individualizan por el símbolo, la flecha hacia el canal significa tipo N y laflecha hacia el lado contrario al canal significa tipo P; los de ensanchamiento seindividualizan porque el símbolo del canal está cortado en contraposición con los deestrechamiento en donde el canal se dibujó completo. También existen MOSFET de 4patas en donde el substrato está desconectado del terminal de fuente y tiene su pataindividual. Para conocer los dibujos de cada MOSFET vea la siguiente figura (Figura 5.3).



FIGURA 5.3 DIFERENTES TIPOS DE MOSFET

El principio de funcionamiento de un transistor MOSFET es muy simple: de acuerdo a latensión existente entre los terminales de compuerta y fuente la barra de silicio se torna unconductor de muy baja resistencia intrínseca o un aislador casi perfecto. Además se debemencionar que la compuerta no consume energía ya que se trata de una lámina metálicaaislada. El dispositivo MOSFET es perfectamente capaz de amplificar señal eléctrica y dehecho existen amplificadores de potencia basados en ellos; sin embargo en el caso quenos ocupa solo se los utiliza como llave electrónica cerrada o abierta dejando la función deamplificación de potencia en manos de transistores Darlington complementarios quetambién presentan excelentes características de excitación (alta impedancia de entradaaunque no tan elevada como los MOSFET).Para entender el funcionamiento completo de las llaves reales, es conveniente primero

estudiar un circuito didáctico que luego aplicaremos al caso real. Este circuito está basadoen un MOSFET de estrechamiento de canal N.

Figura 5.4



1. CONDICIONES PARA POLARIZAR:

Un MOS está constituido por un substrato de silicio N donde se han difundido dosregiones P, llamadas respectivamente surtidor (S) y drenador (D).

Encima del espacio drenador-surtidor se deposita una capa delgada de óxido, de 0.1 a 0.2m de espesor aproximadamente, metalizada en superficie con aluminio para construirlaCompuerta (G). Las demás regiones no activas, se recubren de una capa gruesa de óxido.El sustrato.

Polaricemos el MOS aplicando La masa a la conexión del surtidor Una tensión negativa –VD al drenador Una tensión negativa variable –VG al graduador El substrato a masa

Hagamos varia VG a partir de una tensión nula. Mientras no se alcance cierto umbralnegativo, no llega corriente alguna al drenador: ID es nula y el MOS está cortado.Al evolucionar negativamente la tensión VG, alcanza un nivel VT (tensión umbral) para elcual el transistor entra en conducción. El nivel de la tensión umbral es del orden de – 4para una ID = 10μA, si VG sigue evolucionando, la corriente ID toma el aspecto de la curvasiguiente



Para VG> VT, el MOS está cortado.

Para VG< VT, el MOS conduce.

La conducción se manifiesta porque la zona situada debajo de la puerta, llamada canal, seenriquece de cargas positivas por acción de la polarización creciente delacompuerta. En

efecto: si se aplica una polarización negativa la compuerta repele los electrones libres delsubstrato subyacente, pero, por el contrario, atrae las cargas positivas, o huecos P.Cuando se ha acumulado en la superficie el suficiente número de huecos, esta zona, queinicialmente era N, tiende a hacerse P: hay pues inversión de portadores. Y si –VG essuficiente, se forma un canal P entre el drenador y el surtidor que asegura la conduccióndel MOS. La corriente que atraviesa el transistor puede ahora tomar un camino continuoP: surtidor, canal y drenador.Adviértase que la polaridad del canal es (siempre) la inversa de la del sustrato.

Condición para el enriquecimiento de un MOS de canal P (a)Características ID, VD de un MOS (b)



Distribución de portadores y creación del canal

Acción de la tensión del drenador.

La tensión VG puede controlar la conducción. Pero también se puede hacer variar la formadel canal actuando sobre la tensión VD (sobre la diferencia de tensión drenador –surtidorVDS). Así manteniendo constante VG y variando VD se llega a distintas formas de canal.

Si VD es nula y VG es suficientemente negativa, la capa de inversión a lo largo delcanal P, es prácticamente uniforme.

Si VD se hace negativa, el canal se empieza a estrangularse. Se acerca a la superficiede la zona de drenador pues la diferencia de tensión compuerta-sustratodetermina la anchura de la capa de inversión.

Si V

Dse hace aun más negativa, la capa de inversión desaparece de la zona de

drenador. El momento preciso en que el canal deja de unir el surtidor al drenadorse obtiene cuando VG – VD = VT.

Si VD sigue creciendo negativamente, el canal se interrumpe. En este momento setiene VG – VD< VT. Sin embargo, y tenemos aquí un fenómeno importante, puedetodavía circular entre esos dos electrodos una corriente prácticamenteindependiente de la tensión surtidor-drenador, debido al empobrecimiento queexiste en la unión inversa drenador y sustrato.

Cuando la corriente del drenador aumenta al punto de que no existan portadores móvilesen la zona de drenador, hay saturación. Si se incrementa la densidad de portadoresaumentando VGS, la corriente de saturación aumenta.

En conclusión, las condiciones son, refiriendo las tensiones a la fuente:I VGS – VT I = I VDS I zona de transición.

I VGS – VT I I VDS I región de saturación (pentodo)

I VGS – VT I I VDS I región tríodo (no saturada).



2. PROCEDIMIENTO ANALÍTICO PARA POLARIZAR Y PUNTO DE OPERACIÓN.

REGIÓN TRIODO.

La ecuación para la corriente del drenador IDS (I drenador surtidor) en función de las

tensiones es:

2

I2

DS DS GS T DS

W V K V V V

L

Dónde: pb K

LW

b =Ancho del canal

p = Movilidad de los electrones

= Permitividad eléctrica de la capa deóxidoL= Longitud del canal

W = el espesor de capa de óxido.

REGIÓN PENTODO

En la región del pentodo (saturación), el valor de la corriente de drenador ya no dependede la tensión VDS. Viene dada por:

2

I2

DS GS T

KW V V

L

Puesto que la condición de saturación es VDS VGS – VT, también podemos escribir, en elcaso en que VDS = VGS – VT.

2

I2

DS DS

KW V

L

VDS < VGD –VTH VDS> VGS –VTH



IDS = - KW (VGS -VTH)2 L

RDS = d VDS

d VDS

O para VDS 0

3. OBTENCIÓN DEL PUNTO DE OPERACIÓN

Observe que las curvas superiores tiene una VGS superior negativa y la inferiores tiene un aVGS positiva, la curva superior se da para VGS = VGS (OFF.). En esta curva de corte lacorriente drenador es prácticamente cero. Cuando VGSestá entre VGS (OFF) ycero, tenemosel modo de empobrecimiento. Mientras que un a VGS mayor que cero proporcionafuncionamiento en modo de enriquecimiento. Estas curvas presentan nuevamente una

zona óhmica, una zona de fuente de corriente y una zona de corte. Al igual que el JFET, elMOSFET de empobrecimiento tiene dos aplicaciones principales: como la de fuente decorriente o como resistencia.

En la siguiente figura representa la curva de transferencia de un MOSFET deempobrecimiento de canal P,IDSSes la corriente de drenador con la puerta en cortocircuito.Como la curva se extiende a la derecha del origen, IDSSya no es la máxima corriente posiblede drenador. Matemáticamente esta curva es aun parte de una parábola y existe la mismarelación de la ley cuadrática que la que existe para el JFET. De hecho, el MOSFET deempobrecimiento tiene una corriente de drenador dada por la misma ecuación de

transferencia.

R DS = 1 . - 1 .K W VGS -VTH

L

gm= K W V

DSL

IDS = -K W [(VGS – VTH) VDS – VDS ]L 2

R DS = 1 . - 1 .

K W VGS -VTH - VDS

L 2

gm = K W VGS - VTH

L



MOSFET de enriquecimiento de CANAL PResponde a una estructura dual de la del MOS de canal N: intercambian las regionesdopadas n por regiones dopadas p y viceversa. En este caso el canal se forma gracias a laexistencia de cargas positivas libres (huecos ). El funcionamiento es similar. Es necesariocolocar el sustrato a la tensión positiva, formándose el canal para valores de V GS.Negativo, atrayendo a cargas +. La corriente de drenador-fuente, ISO , se origina si V DS<O.

MOSFET de tipo de decremento de canal P

La construcción de este tipo es exactamente el inverso del que aparece en la construcciónbásica del canal N

Las características de drenaje podrían aparecer iguales que el canal N, pero con valoresnegativos de VDS, IDpositiva como se define (debido a que la dirección definida ahora estáinvertida y VGcon las polaridades opuestas.



OPERACIONES BÁSICAS Y CARACTERÍSTICAS

Debido a que el canal no existe con VGS = 0 V y se forma al "incrementar" la conductividadmediante la aplicación de un voltaje compuerta-surtidor, este tipo de MOSFET se la llamaMOSFET de tipo incrementar. Tanto los MOSFET de tipo decremental como incrementartiene regiones de tipo incrementar, pero el nombre se aplicó alultimo debido a que ese essu único modo de operación, Cuando VGS se incrementa más allá del nivel de umbral, ladensidad de los portadores libres en el canal inducido se incrementa, dando por resultado

un nivel mayor de corriente del drenador. Sin embargo, si se mantiene VGSconstante y sólose aumenta el nivel de VDS, la corriente del drenador eventualmente alcanzará un nivel desaturación así como ocurrió al JFET y al MOSFET de tipo decremental. La saturación de I DS debe a un proceso de estrechamiento descrito por un canal más angosto al final deldrenaje del canal inducido.



Al aplicar la ley de voltaje de Kirchhoff a los voltajes de las terminales del MOSFET seencuentra que:

Las características del drenador revelan que para el dispositivo, el nivel de saturación para

VDSestá relacionado él con el nivel de VGSaplicado por:VDSsat= VGS – Vt

4.EJERCICIOS.Ejercicio 1: Determine el voltaje drenaje-fuente en el circuito. La hoja de datos delMOSFET proporciona VGS (apag)= -8V e IDS=12mA.



EJERCICIO 2Diseñe el circuito de la siguiente figura para que el transistor opere en saturación con y . Si el transistor PMOS del tipo de enriquecimiento tiene

y . Suponga . ¿Cuál es el mayor valor que puede tener

mientras se mantiene la operación en la región de saturación?FIGURA

Solución:

Debido a que el MOSFET habrá de estar en saturación, es posible escribir

Si se sustituye y y y se recuerda que para un transistor

PMOS es negativo, se obtiene

SOLUCIÒN:

VDS= VDD-IDSSR D

VDS=18V-(12Ma) (620Ω) VDS=18v-7.44v

VDS=10.56v



Y

Debido a que la fuente está en +5V, el voltaje de la compuerta debe establecerse en +3V.Esto se logra mediante la selección apropiada de los valores de . Una selección

posible es y El valor de puede encontrarse con

La operación en el modo de saturación se mantendrá hasta el punto en que exceda en ; es decir, hasta que

Este valor del voltaje del drenaje se obtiene con dado por

EJERCICIO 3

Los transistores NMOS y PMOS del circuito de la figura a) son coincidentes con

y . Suponiendo para ambos dispositivos,

encuentre las corrientes del drenaje e , además del voltaje para y .

Solución:



En la figura b) se muestra el circuito para el caso en que Se observa que debido aque y coinciden perfectamente y operan a igual El circuito essimétrico, lo que define que . Por tanto, y operan con y, portanto, en saturación. Ahora pueden encontrarse las corrientes del drenaje a partir

A continuación, considere el circuito con El transistor tendrá un decero y, por tanto, estará en corte, reduciendo el circuito al mostrando en la figura c). Será negativo y por ello, será mayor que haciendo que opere en la regióndel tríodo. Por razones de simplicidad se supone que es pequeño y, por tanto, se usa

[ [ ] Estas dos ecuaciones pueden resolverse por simultáneamente para arrojar

que es pequeño, como se puso.

Por último, la situación para el caso en que (ver figura d)) será elcomplemento exacto del caso el transistor estará en corte. Por tanto, operará en la región del tríodo con

EJERCICIO 4El Transistor PMOS del circuito de la siguiente figura tiene Encuentre los valores requeridos para W y R con fin de establecer una corriente dedrenaje de 115 y un voltaje de 3.5V.

( )



EJERCICIO 5

Empleando Un transistor PMOS del tipo de enriquecimiento con

y 0 , diseñe un circuito empleando una fuente de alimentación de 10V para un

voltaje de compuerta de +6V, una corriente de drenaje de 0.5mA y voltaje de drenaje de+5V. Encuentre los valores de RS y RD

1 26 4M , 6MG G GV V R R

50.5 10K

0.5 D D I mA R

2.5GS V o 0.5

10 8.52.5 8.5 3K

0.5GS S S V V V R

EJERCICIO 6

Diseñe el circuito de la siguiente figura para que el transistor opere en saturación conVDpolarizado en 1V a partir del extremo de la región del tríodo, con ID=1mA y VD= 3V, paracada uno de los dispositivos siguientes (use una corriente de 10µA en el divisor de voltaje)

a) 1VT V , 2

m' 0.5W A

k L V

b) 2VT V , 2

m' 1.25W A

k L V



Para MOSFET de canal P, siendo 1V el borde de saturación; 1 DS GS T V V V ,desde

3 DV V y 1 D I mA ;3

31

D R K ,

1 2

10V1M

10 A R R

a) 1VT V ,2

m' 0.5W A

k L V

21

0.5 1 1 3V2

D GS GS I V V

3 1 1 3 DS V V

6VS V , 3VGV ,10 6

4K 1

S R

21

1 2

30.7M

10

R R

R R

, 2

0.3M R

b) 2VT V ,2

m' 1.25W A

k L V

21

1 1.25 2 3.26V2

GS GS V V o 0.74V

La segunda solución no es aceptable

3.26VGS V

3.26 2 1 2.26V DS V

3 2.26 5.26VS V

2VGV

10 5.264.74K

1S R

, 3K D R

22

1 2

20.2M

10

R R

R R

, 1

0.8M R

EJERCICIO 7: Calcular la corriente de saturación (región pentodo) de un MOS con: W/L =15

K = 30*10-6

VT = 4v

VGS = 12 v

Solución:



0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 2 4 6 8 10 12 14

I D ( m A )

VDS (V)

RECTA DE CARGA

Aplicando la formula tenemos:

IDS = - ½ *(3*10-6)*15*(12 – 4)21.5mA

EJERCICIO 8

Hallar IDS y VDS para el circuito de la figura si IDSS = 5mA y VT = -3v y RD = 2K

PUNTO Q



La cual tiene dos soluciones:

Sol 1: Para VDS1 = 2.4 v se obtiene IDS1 = 3.8 mA y VDS1< VT = 3V.

Sol 2: Para VDS2 = 4.5 V se obtiene IDS2 = 3.75 mA y VDS2 no es menor de 3v, por lo tanto

Esta solución no es válida.

PUNTO

0

1

2

3

4

5

6

0 1 2 3 4 5 6 7

I D ( m A )

VDS (V)

RECTA DE CARGA

Solución:

M1 esta es óhmica. Se cumple entonces

22 DS DS T

T

DSS

DS V V V V

I I

Y además se cumple la ecuación,

VDD = ID*R D+VDS

Con ambas se llega a una ecuación de segundo

grado en VDS,

0))((

2

2

2

DD DS

DSS D

T

T DS V V I R

V V V



5. SIMULACIONES



CUESTIONARIO

(Preguntas)

1. Físicamente,¿cómo se encuentra un transformador MOSFET?

2. El dispositivo MOSFET,¿Qué es lo que amplifica?

3. ¿Cuál es el símbolo de MOSFET con canal N?

4. ¿Cuál es el símbolo de MOSFET con canal P?

5. ¿Qué ecuación muestra los voltajes en las terminales del MOSFET?

6. ¿Qué muestra la siguiente ecuación VDS sat= VGS – VT?

7. ¿Cómo está constituido un MOSFET?

8. La siguiente ecuación,¿qué es lo que demuestra?

IDS = - PCOW (VGS – VT) VDS – V2DS

L 2

9. ¿Qué significa p?

10. ¿Qué ocurre cuando la corriente aumenta al drenador?



(Preguntas y respuestas)

1. Físicamente, ¿cómo se encuentra un transformador MOSFET?Es una barra de silicio con un sector oxidado (oxido de silicio) se como vidrio.

2. El dispositivo MOSFET, ¿Qué es lo que amplifica?Amplifica señales eléctricas y de hecho existen amplificadores de potencia basados enellos.

3. ¿Cuál es el símbolo de MOSFET con canal N?

4. ¿Cuál es el símbolo de MOSFET con canal P?

5. ¿Qué ecuación muestra los voltajes en las terminales del MOSFET?

6. ¿Qué muestra la siguiente ecuación VDS sat= VGS – VT?

Muestra las características de drenaje revelan que para el dispositivo, el nivel desaturación para VDSestá relacionado él con el nivel de VGS.

7. ¿Cómo está constituido un MOSFET?Está constituido por un substrato de silicio N donde se han difundido dos regiones P,

llamadas respectivamente surtidor (S) y drenador (D).Encima del espacio drenador-surtidor se deposita una capa delgada de óxido, de 0.1 a 0.2

m de espesor aproximadamente, metalizada en superficie con aluminio para construir lacompuerta (G). Las demás regiones no activas, se recubren de una capa gruesa de óxido.

8. La siguiente ecuación, ¿qué es lo que demuestra?

IDS = - PCOW (VGS – VT) VDS – V2DS

L 2



Determina la corriente del a drenador IDS

9. ¿Qué significa p?Es la movilidad de los huecos en el canal

10. ¿Qué ocurre cuando la corriente aumenta al drenador?Al punto de que no existan portadores móviles en la zona de drenador, hay saturación. Sise incrementa la densidad de portadores aumentando VGS, la corriente de saturaciónaumenta.



FUENTES:

1. Henry J. Zimmermann (1967)Teoría de circuitos electrónicos.

Editorial: continental.

Primera edición.Número de capítulos: 11.Número de páginas: 628.Impreso en México.

2. H. Lilen (1980)Circuitos integrados MOS y CMOS.Editorial: Marcombo.Segunda edición.Número de capítulos: 20.Número de páginas: 462.Impreso en España.

3. Sedra y Smith (1980)Circuitos Microelectrónicos.Editorial: McGraw Hill.Quinta edición.Número de capítulos: 14.Número de páginas: 1283.Impreso en México.

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