Transistores MOSFET Los transistores MOSFET o Metal-Oxido-Semiconductor (MOS) son dispositivos de efecto de campo que utilizan un campo un campo eléctrico para crear una canal de conducción. Son dispositivos más importantes que los JFET ya que la mayor parte de los circuitos integrados digitales se construyen con la tecnología MOS. Existen dos tipos de transistores MOS: MOSFET de canal N o NMOS y MOSFET de canal P o PMOS. A su vez, estos transistores pueden ser de acumulación (enhancement) o deplexion (deplexion); en la actualidad los segundos están prácticamente en desuso y aquí únicamente serán descritos los MOS de acumulación también conocidos como de enriquecimiento. La figura 1.14 indica los diferentes símbolos utilizados para describir los transistores MOS.
Símbolos de circuito Existen distintos símbolos que se utilizan para representar el transistor MOSFET. El diseño básico consiste en una línea recta para dibujar el canal, con líneas que salen del canal en ángulo 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 línea segmentada en tres partes para el canal del MOSFET de enriquecimiento, y una línea sólida para el canal del MOSFET de empobrecimiento. Otra línea es dibujada en forma paralela al canal para destacar la compuerta. La conexión 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 dirección 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 está conectado internamente al surtidor (como generalmente ocurre en dispositivos discretos) se conecta con una línea 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 diseños de circuitos integrados, debido a que se utiliza un sustrato común) se utiliza un símbolo de inversión 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 comparación entre los símbolos de los MOSFET de enriquecimiento y de empobrecimiento, junto con los símbolos para los JFET
(dibujados con el surtidor y el drenador ordenados de modo que las tensiones más elevadas aparecen en la parte superior de la página).
Canal P
Canal N
JFET
MOSFET Enriq.
MOSFET Enriq. (sin sustrato)
MOSFET Empob.
En la figura 1.15 se describe la estructura física de un MOSFET de canal N con sus cuatro terminales: puerta, drenador fuente y substrato; normalmente el sustrato se encuentra conectado a la fuente. La puerta, cuya dimensión es W·L, está separado del substrato por un dieléctrico (Si02) formando una estructura similar a las placas de un condensador.
Al aplicar una tensión positiva en la puerta se induce cargas negativas (capa de inversión) en la superficie del substrato y se crea un camino de conducción entre los terminales drenador y fuente. La tensión mínima para crear ese capa de inversión se denomina tensión umbral o tensión de threshold (VT) y es un parámetro característico del transistor. Si la VGS
Dificultades en la reducción de tamaño del MOSFET
Históricamente, las dificultades de reducir el tamaño del MOSFET se han asociado con el proceso de fabricación de los dispositivos semiconductores, la necesidad de utilizar tensiones cada vez más bajas, y con bajo desempeño eléctrico, requiriendo el rediseño de los circuitos y la innovación (los MOSFETs pequeños presentan mayor corriente de
fuga, e impedancia de salida más baja). Producir MOSFETs con longitudes de canal mucho más pequeñas que un micrómetro es todo un reto, y las dificultades de la fabricación de semiconductores son siempre un factor que limita el avance de la tecnología de circuitos integrados. En los años recientes, el tamaño reducido del MOSFET, más allá de las decenas de nanómetros, ha creado diversos problemas operacionales. Algunos de los factores que limitan el escalamiento del MOSFET son las siguientes:
Aumento de la corriente de subumbral Aumento en las fugas compuerta-óxido Aumento en las fugas de las uniones surtidor-sustrato y drenador-sustrato Reducción de la resistencia de salida Reducción de la transconductancia Capacitancia de interconexión Producción y disipación de calor Variaciones en el proceso de fabricación Retos en el modelado matemático
JFET
Esquema interno del transistor JFET canal P.
El JFET ( Junction Field-Effect Transistor , en español transistor de efecto de campo de juntura o unión) es un dispositivo electrónico, esto es, un circuito que, según unos valores eléctricos de entrada, reacciona dando unos valores de salida. En el caso de los JFET, al ser transistores de efecto de campo eléctrico, estos valores de entrada son las tensiones eléctricas, en concreto la tensión entre los terminales S (fuente) y G (puerta), VGS. Según este valor, la salida del transistor presentará una curva característica que se simplifica definiendo en ella tres zonas con ecuaciones definidas: corte, óhmica y saturación. Físicamente, un JFET de los denominados "canal P" está formado por una pastilla de semiconductor tipo P en cuyos extremos se sitúan dos patillas de salida (drenador y fuente) flanqueada por dos regiones con dopaje de tipo N en las que se conectan dos terminales conectados entre sí (puerta).
Al aplicar una tensión positiva V GS entre puerta y fuente, las zonas N crean a su alrededor sendas zonas en las que el paso de electrones (corriente I D) queda cortado, llamadas zonas de exclusión. Cuando esta V GS sobrepasa un valor determinado, las zonas de exclusión se extienden hasta tal punto que el paso de electrones I D entre fuente y drenador queda completamente cortado. A ese valor de VGS se le denomina Vp. Para un JFET "canal N" las zonas p y n se invierten, y las V GS y Vp son negativas, cortándose la corriente para tensiones menores que Vp. Así, según el valor de VGS se definen dos primeras zonas; una activa para tensiones negativas mayores que V p (puesto que Vp es también negativa) y una zona de corte para tensiones menores que Vp. Los distintos valores de la I D en función de la V GS vienen dados por una gráfica o ecuación denominada ecuación de entrada. En la zona activa, al permitirse el paso de corriente, el transistor dará una salida en el circuito que viene definida por la propia I D y la tensión entre el drenador y la fuente VDS. A la gráfica o ecuación que relaciona estás dos variables se le denomina ecuación de salida, y en ella es donde se distinguen las dos zonas de funcionamiento de activa: óhmica y saturación.
Ecuaciones del transistor J-FET
Gráfica de entrada y de salida de un transistor JFET canal n. Las correspondientes al canal p son el reflejo horizontal de éstas.
Mediante la gráfica de entrada del transistor se pueden deducir las expresiones analíticas que permiten analizar matemáticamente el funcionamiento de este. Así, existen diferentes expresiones para las distintas zonas de funcionamiento. Para |VGS| < |Vp| (zona activa), la curva de valores límite de I D viene dada por la expresión:
Siendo la IDSS la I D de saturación que atraviesa el transistor para V GS = 0, la cual viene dada por la expresión:
Los puntos incluidos en esta curva representan las I D y VGS (punto de trabajo, Q) en zona de saturación, mientras que los puntos del área inferior a ésta representan la zona óhmica. Para |VGS| > |Vp| (zona de corte): Ecuación de salida
En la gráfica de salida se pueden observar con más detalle los dos estados en los que el JFET permite el paso de corriente. En un primer momento, la I D va aumentando progresivamente según lo hace la tensión de salida V DS. Esta curva viene dada por la expresión:
que suele expresarse como
,
siendo: Por tanto, en esta zona y a efectos de análisis, el transistor puede ser sustituido por una resistencia de valor Ron, con lo que se observa una relación entre la I D y la VDS definida por la Ley de Ohm. Esto hace que a esta zona de funcionamiento se le denomina zona óhmica. A partir de una determinada V DS la corriente ID deja de aumentar, quedándose fija en un valor al que se denomina I D de saturación o I DSAT. El valor de V DS a partir del cual se entra en esta nueva zona de funcionamiento viene dado por la expresión: . Esta I DSAT, característica de cada circuito, puede calcularse mediante la expresión:
Resistencia del canal RDS Como Vgs es el voltaje que controla el paso de la corriente ID (regula el ancho del canal), se puede comparar este comportamiento como un resistor cuyo valor depende del voltaje VDS. Esto es sólo válido para Vds menor que el voltaje de estricción (ver punto A en el gráfico). Entonces si se tiene la curva característica de un transistor FET, se puede encontrar La resistencia RDS con la siguiente fórmula: RDS = VDS/ID Los símbolos del FET son:
Fet canal N
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Fet canal P
