Transistores de efecto de campo MOSFET y MESFET Christian Cárdenas Guaraca,
[email protected] Grupo 3 Área de: Ingeniería Electrónica Resumen El presente informe trata acerca de los dispositivos MOSFET tipo empobrecimiento, y enriquecimiento, así como su polarización y aplicaciones; además de los MESFET que veremos una breve explicación de su funcionamiento y características principales. 1.INTRODUCCION En la clasificación de los FET, tenemos JFET, MOSFET y MESFET, y de esta división, por parte del MOSFET tenemos una subdivisión extra que es de tipo empobrecimiento, y de tipo enriquecimiento, a parte de ya tener la división por tipo n y tipo p, así veremos que estos nombres enriquecimiento y empobrecimiento provienen de sus características, funcionamiento y su principio básico de operación, con lo refiere a aplicaciones ya veremos a continuación cuales han sido encontradas y en la parte que hablaremos de MESFET de sus características básicas y su modo de funcionamiento. 2.MOSFET TIPO EMPOBRECIMIENTO. Al analizar los MOSFET de tipo empobrecimiento veremos que sus características son parecidas a las de los JFET, como en las condiciones condicio nes de corte y saturación con IDss y también adicionalmente que tiene las características que se extienden hasta la región de polaridad opuesta de VGS. Como ya habíamos mencionado antes tiene algunos aspectos muy parecidos a los transistores de tipo unión que son los JFET, están comprendidos por una fuente, una compuerta y un drenador. El MOSFET de empobrecimiento está conduciendo normalmente cuando VGS es nula. Tiene curvas de salida y circuitos semejantes al FET. La única diferencia es que puede funcionar con tensiones de puerta tanto positivas como negativas. Fig1. CURVAS CARACTERISTICAS DEL MOSFET DE EMPOBRECIMIENTO. ____________________________ _____________________________________________ ________________________________________________________ _________________ ____________________________________________________ ____________________________ ________________________
1,* Estudiante de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones, en la Universidad Politécnica Salesiana, sede Cuenca. Autor Por Correspondencia.
[email protected] Enviado 19 – Enero – 2013.
La característica constructiva común a todos los tipos de transistor MOS es que el terminal de puerta
(G) está formado por una estructura de tipo Metal/Óxido/Semiconductor. El óxido es aislante, con lo que la corriente de puerta es prácticamente nula, mucho menor que en los JFET. Por ello, los MOS se emplean para tratar señales de muy baja potencia. [1] Existen 2 tipos de transistores MOSFETde empobrecimiento: ∑ Empobrecimiento de canal N ∑ Empobrecimiento de canal P 1 material dieléctrico, lo que quiere decir que mientras este aislante este presente no habrá conexión eléctrica entre el terminal de compuerta y el canal de un MOSFET. Fig3. ILUSTRACION DE UN MOSFET DE EMPOBRECIMIENTO TIPO N. En este caso el canal ya está creado. Por lo tanto, si con VGS = 0 aplicamos una tensión VDS aparecerá una corriente de drenaje ID. Para que el transistor pase al estado de corte será necesario aplicar una tensión VGS menor que cero, que expulse a los electrones del canal. Fig2. SIMBOLOS DE MOSFET EMPOBRECIMIENTO CANAL N Y CANAL P. 2.1 CONSTRUCCION BASICA DE UN MOSFET DE EMPOBRECIMIENTO CANAL N. La construcción básica de un MOSFET de empobrecimiento canal n, consta de una placa base donde se construye el dispositivo que es de tipo p a partir de una base de silicio conocida como sustrato. Se pueden encontrar dispositivos de 4 terminales o simplemente de 3 terminales, ya que los dispositivos de 3 terminales vienen en su parte interna conectada la parte del sustrato a la de fuente. La fuente y el drenaje están conectados mediante contactos metálicos a metales tipo n dopadas vinculadas a un canal n, la compuerta también se encuentra conectada a una placa metálica solo que se mantiene aislada del canal n por un recubrimiento de bióxido de silicio que es un Fig4. CARACTERISTICA VDS-ID DE UN MOSFET DE
EMPOBRECIMIENTO CANAL N.
2.2 CONSTRUCCION BASICA DE UN MOSFET DE EMPOBRECIMIENTO CANAL P. La construcción de un MOSFET empobrecimiento tipo p es exactamente opuesta a la de un tipo n, las terminales no cambian, pero las polaridades de voltaje y las direcciones de corriente se invierten, es decir para las características de drenaje serian igual a las de tipo n solo que ahora VDS será negativo e ID positivo, y la dirección definida esta invertida, además que VGS también estará con las polaridades opuestas, es decir la corriente de drenaje se incrementara desde el valor de corte con VGS= Vp en la región positiva de VGS hasta IDss luego continuara incrementándose con los valores negativos crecientes de VGS. La ecuación de Shockley sigue siendo aplicable y solo requiere que se coloque el signo correcto tanto para VGS como para Vp en la ecuación. 2 3.MOSFET TIPO ENRIQUECIMIENTO.
A diferencia de un JFET, en el MOSFET de enriquecimiento inicialmente no existe canal, por lo cual debe ser inducido mediante un campo eléctrico originado por la tensión VGS aplicada. Los MOSFET tipo enriquecimiento poseen características muy diferentes a las vistas hasta ahora por los otros tipos de MOSFET, la curva de transferencia no está definida por la ecuación de Shockley y la ID ahora es la de corte hasta que el VGS alcance una magnitud específica, entones ahora a comparación con los otros FETS vistos antes, el control de la corriente en un canal n será mediante VGS positivo. Existen 2 tipos de transistores MOSFET de emriquecimiento: ∑Enriquecimiento de canal N ∑Enriquecimiento de canal P
Fig7. SIMBOLOS DE MOSFET ENRIQUECIMIENTO CANAL N Y CANAL P. Fig5. ILUSTRACION DE UN MOSFET DE EMPOBRECIMIENTO TIPO
Fórmulas para MOSFET Empobrecimiento.
P. Fig6. CARACTERISTICA VDS-ID DE UN MOSFET DE EMPOBRECIMIENTO CANAL P.
3 k = constante de construcción del dispositivo. 3.1 CONSTRUCCION BASICA DE UN MOSFET DE ENRIQUECIMIENTO CANAL N. La construcción de un MOSFET tipo enriquecimiento es muy parecida a la de un MOSFET tipo empobrecimiento con la única excepción de que no existe un canal entre el drenaje y la fuente. Fig8. ILUSTRACION DE UN MOSFET ENRIQUECIMIENTO TIPO N. - Con la ausencia de canal n producirá una corriente de 0A VT = voltaje de umbral El voltaje de umbral aparece del incremento de VGS que hace que incremente la corriente de drenaje. Entonces el nivel de saturación viene dado por VDS(sat) = VGS – VT Para valores de VGS menores que el nivel de umbral, la corriente de drenaje de un MOSFET tipo enriquecimiento es 0mA. Para niveles VGS > VT, la corriente de drenaje esta relacionada con el voltaje de la compuerta a la fuente dada por la siguiente relación: ID = k (VGS - VT)^2 Fig9. CARACTERISTICAS DE TRANSFERENCIA DE UN MOSFET ENRIQUECIMIENTO A PARTIR DE LAS CARACTERISTICAS DE DRENAJE. 3.2 CONSTRUCCION BASICA DE UN MOSFET DE ENRIQUECIMIENTO CANAL P. La construcción es opuesta a la del MOSFET enriquecimiento canal n, pero las conexiones de drenaje y la fuente se mantienen, haciendo que las polaridades del voltaje y las direcciones de corriente cambien de dirección. Fig10. ILUSTRACION DE UN MOSFET ENRIQUECIMIENTO TIPO P. Las características de drenaje serán las siguientes: Fig11. CARACTERISTICAS DE DRENAJE MOSFET ENRIQUECIMIENTO TIPO P.
Los valores de corriente serán crecientes mientras más negativo sea VGS. Y las ecuaciones son las mismas que las del canal n. Fórmulas para MOSFET Enriquecimiento. Fig12. FORMULAS MOSFET ENRIQUECIMIENTO. 4. APLICACIONES 4.1 MOSFET EMPOBRECIMIENTO -Amplificar señales pequeñas casi como los JFET. -Excelentes propiedades de bajo ruido.
-Si la impedancia de entrada de un JFET no es suficientemente alta se puede utilizar un MOSFET. -Un MOSFET es un amplificador separador casi ideal por que el SIO2 nos dará una resistencia de entrada que tienda a infinito. 4.2 MOSFET ENRIQUECIMIENTO -Es utilizado en Microprocesadores y memorias de computadoras por funcionar como interruptor. -Los circuitos digitales realizados con MOSFET no necesitan resistencias, con el ahorro de superficie que conlleva. 4 -La velocidad de conmutación es muy alta, siendo del orden de los nanosegundos. -Se usan en los convertidores de alta frecuencias y baja potencia. Aplicaciones de los MOSFET en general. [2] -Resistencia controlada por tensión. -Circuitos de conmutación de potencia -Mezcladores de frecuencia, con MOSFET de doble puerta. -Inversores -Fuentes conmutadas -Equipos de computo -Circuitos de modulación por amplitud de pulso(PWM) 5.MESFET. Substituye la unión PN del JFET con una barrera Schottky, que son barreras establecidas mediante la instalación de un metal como el tungsteno sobre un canal de tipo n, además mediante esta barrera se realiza el control de flujo de corriente, su construcción es tal como está en la figura. Fig13. CONSTRUCCION MESFET EMPOBRECIMIENTO CANAL N.
Puede operar en frecuencias bastante más altas a comparación del JFET, en la región de las microondas, son construidos casi en su totalidad con arseniuro de galio. [3]
5 MESFET enriquecimiento. Fig16. FORMULAS MESFET ENRIQUECIMIENTO CANAL N. Fig14. CONSTRUCCION MESFET ENRIQUECIMIENTO CANAL N 6. CONCLUSIONES Fig15. FORMULAS MESFET EMPOBRECIMIENTO CANAL N Los MOSFET tanto en empobrecimiento como enriquecimiento, podemos ver que son de gran ayuda para la edificación de muchos implementos que usamos hoy en día, como computadores microprocesadores y en si todo equipo electrónico que tenga microcomponentes en su interior. Como pudimos apreciar en las diferentes configuraciones de MOSFETS, cuentan con cálculos fáciles y sencillos de lograr, solo se debe conocer su funcionamiento su forma de trabajo, y la manera en la que internamente están compuestos ya que varían dependiendo si son de tipo n o p su polaridad en el voltaje y su dirección en la corriente. Los MOSFET vimos que pueden ser usados como conmutadoras ya que lo que manipulan es el voltaje que y en base a esto también la corriente. 7. REFERENCIAS [1]Robert L. Boylestad and Louis Nashelsky, Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos, 10ma edición Pearson Education México 2009. [2]ECURED home page (Enciclopedia por el estado cubano). [Online]. Available Mosfet IRFZ44N on Search http://www.ecured.cu/index.php/Mosfet_IRFZ44N [3]ICMM home page (Instituto de ciencia de materiales de Madrid). [Online]. Available Transistores de efecto campo by Jose Maria Albella http://www.icmm.csic.es/fis/gente/josemaria_albella /electronica/8%20Transistores%20de%20Efecto%2 0Campo.pdf Convert PDF to HTML
