Electrónica de Potencia/MOSFET/Estructura y principio de funcionamiento

El MOSFET posee cuatro terminales llamados surtidor (S), drenador (D), compuerta (G) y sustrato (B). Generalmente el sustrato está conectado internamente al terminal del surtidor, por lo que se pueden encontrar dispositivos MOSFET de tres terminales.

Estructura del MOSFET donde se muestran los terminales de compuerta (G), sustrato (B), surtidor (S) y drenador (D). La compuerta está separada del cuerpo por medio de una capa de aislante (blanco).

El material de la compuerta, que antes era metálico, ahora se construye con una capa de silicio policristalino. La compuerta se fabricaba en aluminio hasta mediados de los 70, cuando empezó a ser sustituido por el silicio policristalino en favor de su capacidad de formar compuertas auto-alineadas. Sin embargo la mayor velocidad alcanzable de las puertas metálicas esta haciendo que se vuelvan a emplear. Además, el 'óxido' utilizado como aislante en la compuerta también se ha reemplazado por otros materiales con el propósito de obtener canales fuertes con la aplicación de tensiones más pequeñas.

Un MOSFET de potencia es un dispositivo controlado por voltaje, y sólo requiere una pequeña corriente de entrada. La velocidad de conmutación es muy alta, y los tiempos de conmutación son del orden de nanosegundos. Los MOSFET no tienen problemas de fenómenos de segunda avalancha como los BJT pero sí los de descarga electrostática además de que son difícil de proteger en condiciones de falla por cortocircuito.

Los MOSFET tienen tres terminales. Las tres terminales son compuerta, drenaje y fuente. En el caso normal, el substrato se conecta a la fuente. Si el voltaje de compuerta a fuente V_GS es lo suficiéntemente negativo no pasa corriente del drenaje a la fuente I_DS. Si V_GS es positivo, la I_DS circulará del drenaje a la fuente. Requieren poca energía de compuerta. Por el contrario, tienen grandes pérdidas en estado activo.

Hay dos tipos de MOSFET:

• MOSFET decrementales: se forman sobre un substrato de silicio tipo p, con dos regiones de silicio n- muy dopado,, para formar conexiones de baja resistencia. La compuerta está aislada del canal por una capa muy delgada de óxido. En función de si la V_GS es positiva o negativa, el canal se ensanchará o estrechará permitiendo el paso o no de corriente.

• MOSFET incrementales: no tienen canal físico. SI V_GS es positiva, un voltaje inducido atrae a los electrones del substrato p y los acumula en la superficie. Si VGS es mayor o igual a un valor llamado voltaje umbral, se acumula una cantidad suficiente de electrones para formar un canal N virtual, y la corriente circula del drenaje a la fuente.

Ya que éstos permanecen apagados con voltaje igual a cero, se utilizan en la conmutación.

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.

Tiene una versión NPN y otra PNP. El NPN es llamado MOSFET de canal N y el PNP es llamado MOSFET de canal P, En el MOSFET de canal N la parte "N" está conectado a la fuente (source) y al drenaje (drain) En el MOSFET de canal P la parte "P" está conectado a la fuente (source) y al drenaje (drain):

Estructura Metal-óxido-semiconductor construida con un sustrato de silicio tipo p

Se coloca una capa de material dieléctrico (SiO2) sobre un sustrato de silicio, y luego una capa de metal o silicio policristalino. Debido al dieléctrico, esta estructura funciona de manera similar a un condensador plano. Al aplicar un potencial a la estructura MOS modificamos la distribución de las cargas en el semiconductor. Se considera un semiconductor de tipo P con densidad de aceptores NA. Una tensión positiva VGB entre la compuerta y la tierra (sustrato) creará una región de agotamiento debido a los huecos positivamente cargados, que son repelidos por el aislante de compuerta y semiconductor, de esta manera queda expuesta una región libre de portadores, en esta zona se encuentran los iones de los átomos aceptores con carga negativa. A la vista de esto, se deduce que para VGB elevadas, habrá una alta concentración de portadores negativos que formaran la región de inversión situada entre el semiconductor y el aislante, como se ve en la figura. Esta estructura MOS descrita hasta aquí es la base de funcionamiento de los MOSFET.

La estructura MOSFET

Formación del canal en un MOSFET NMOS: Superior: Una tensión de compuerta dobla las bandas de energía, y se agotan los huecos de la superficie cercana a la compuerta (izquierda). La carga que induce el doblamiento de bandas se equilibra con una capa de cargas negativas de iones aceptores (derecha). Inferior: Una tensión todavía mayor aplicada en la compuerta agota los huecos, y la banda de conducción disminuye de forma que se logra la conducción a través del canal.

Formación del canal en un MOSFET NMOS: Superior: Una tensión de compuerta dobla las bandas de energía, y se agotan los huecos de la superficie cercana a la compuerta (izquierda). La carga que induce el doblamiento de bandas se equilibra con una capa de cargas negativas de iones aceptores (derecha). Inferior: Una tensión todavía mayor aplicada en la compuerta agota los huecos, y la banda de conducción disminuye de forma que se logra la conducción a través del canal.

 Un transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET) se basa en controlar la concentración de portadores de carga mediante un condensador MOS existente entre los electrodos del sustrato y la compuerta. La compuerta está localizada encima del sustrato y aislada de todas las demás regiones del dispositivo por una capa de dieléctrico, que en el caso del MOSFET es un óxido, como el dióxido de silicio. Si se utilizan otros materiales dieléctricos que no sean óxidos, el dispositivo es conocido como un transistor de efecto de campo metal-aislante-semiconductor (MISFET). Comparado con el condensador MOS, el MOSFET incluye dos terminales adicionales (surtidor y drenador), cada uno conectado a regiones altamente dopadas que están separadas por la región del sustrato. Estas regiones pueden ser de tipo P o N, pero deben ser ambas del mismo tipo, y del tipo opuesto al del sustrato. El surtidor y el drenador (de forma distinta al sustrato) están fuertemente dopadas y en la notación se indica con un signo '+' después del tipo de dopado.

• Si el MOSFET es de canal n (NMOS) entonces las regiones de dopado para el surtidor y el drenador son regiones 'n+' y el sustrato es una región de tipo 'p'.
• Si el MOSFET es de canal p (PMOS) entonces las regiones de dopado para el surtidor y el drenador son regiones 'p+' y el sustrato es una región de tipo 'n'.

El surtidor se denomina así porque es la fuente de los portadores de carga (electrones en el canal n, huecos en el canal P que fluyen a través del canal; de forma similar, el drenador es el punto en el cual los portadores de carga abandonan el canal.

La ocupación de las bandas de energía en un semiconductor está determinada por la posición del nivel de Fermi con respecto a los bordes de las bandas de energía del semiconductor. Como se describe anteriormente, y como se puede apreciar en la figura, cuando se aplica una tensión de compuerta suficiente, el borde de la banda de valencia se aleja del nivel de Fermi, y los huecos presentes en el sustrato son repelidos de la compuerta. Cuando se polariza todavía más la compuerta, el borde de la banda de conducción se acerca al nivel de Fermi en la región cercana a la superficie del semiconductor, y esta región se llena de electrones en una región de inversión o un canal de tipo N originado en la interfaz entre el sustrato tipo P y el óxido. Este canal conductor se extiende entre el drenador y el surtidor, y la corriente fluye a través del dispositivo cuando se aplica un potencial entre el drenador y el surtidor. Al aumentar la tensión en la compuerta, se incrementa la densidad de electrones en la región de inversión y por lo tanto se incrementa el flujo de corriente entre el drenador y el surtidor.

Para tensiones de compuerta inferiores a la tensión de umbral, el canal no tiene suficientes portadores de carga para formar la zona de inversión, y de esta forma sólo una pequeña corriente de subumbral puede fluir entre el drenador y el surtidor.

Cuando se aplica una tensión negativa entre compuerta-surtidor (positiva entre surtidor-compuerta) se crea un canal de tipo p en una superficie del sustrato tipo n, de forma análoga al canal n, pero con polaridades opuestas para las cargas y las tensiones. Cuando una tensión menos negativa que la tensión de umbral es aplicada (una tensión negativa para el canal tipo p) el canal desaparece y sólo puede fluir una pequeña corriente de subumbral entre el drenador y el surtidor.

Modos de operación El funcionamiento de un transistor MOSFET se puede dividir en tres diferentes regiones de operación, dependiendo de las tensiones en sus terminales. En la presente discusión se utiliza un modelo ?algebraico que es válido para las tecnologías básicas antiguas, y se incluye aquí con fines didácticos. En los MOSFET modernos se requieren modelos computacionales que exhiben un comportamiento mucho más complejo.

Para un transistor NMOS de enriquecimiento se tienen las siguientes regiones:

NMOS en modo de corte. La región blanca indica que no existen portadores libres en esta zona, debido a que los electrones son repelidos del canal.

• Corte Cuando VGS < Vth ; donde Vth es la tensión de umbral del transistor

De acuerdo con el modelo básico del transistor, en esta región el dispositivo se encuentra apagado. No hay conducción entre el surtidor y el drenador, de modo que el MOSFET se comporta como un interruptor abierto. Un modelo más exacto considera el efecto de la energía térmica descrita por la distribución de Boltzmann para las energías de los electrones, en donde se permite que los electrones con alta energía presentes en el surtidor ingresen al canal y fluyan hacia el drenador. Esto ocasiona una corriente subumbral, que es una función exponencial de la tensión entre compuerta-surtidor. La corriente subumbral sigue aproximadamente la siguiente ecuación:

$I_{D}\approx I_{D0}e^{\begin{matrix}{\frac {V_{GS}-V_{th}}{nV_{T}}}\end{matrix}}$

donde I_D0 es la corriente que existe cuando V_GS = V_th,

V_T = kT/q es el voltaje térmico,

n = 1 + C_D/C_OX

donde C_D es la capacidad de la región de agotamiento, y

C_OX es la capacidad de la capa de óxido.

NMOS en la región lineal. Se forma un canal de tipo n al lograr la inversión del sustrato, y la corriente fluye de drenador a surtidor.

• Región lineal u óhmica Cuando VGS > Vth y VDS < ( VGS – Vth ) ;

Al polarizarse la puerta con una tensión mayor que la tensión de umbral, se crea una región de agotamiento en la región que separa el surtidor y el drenador. Si esta tensión crece lo suficiente, aparecerán portadores minoritarios (huecos en PMOS, electrones en NMOS) en la región de agotamiento, que darán lugar a un canal de conducción. El transistor pasa entonces a estado de conducción, de modo que una diferencia de potencial entre drenador y surtidor dará lugar a una corriente. El transistor se comporta como una resistencia controlada por la tensión de compuerta. La corriente que entra por el drenador y sale por el surtidor es modelada por medio de la ecuación:

$I_{D}=\mu _{n}C_{ox}{\frac {W}{L}}\left((V_{GS}-V_{th})V_{DS}-{\frac {V_{DS}^{2}}{2}}\right)$

donde $\mu _{n}$ es la movilidad efectiva de los portadores de carga,

$C_{ox}$ es la Capacidad del óxido por unidad de área,

$W$ es el ancho de la compuerta,

$L$ es la longitud de la compuerta.

NMOS en la región de saturación. Al aplicar una tensión de drenador más alta, los electrones son atraídos con más fuerza hacia el drenador y el canal se deforma.

• Saturación o activa Cuando VGS > Vth y VDS > ( VGS – Vth ) ;

Cuando la tensión entre drenador y surtidor supera cierto límite, el canal de conducción bajo la puerta sufre un estrangulamiento en las cercanías 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 eléctrico entre ambos, pero se hace independiente de la diferencia de potencial entre ambos terminales. En esta región la corriente de drenador se modela con la siguiente ecuación:

$I_{D}={\frac {\mu _{n}C_{ox}}{2}}{\frac {W}{L}}(V_{GS}-V_{th})^{2}\left(1+\lambda (V_{DS}-V_{DSsat})\right)$

Página principal de MOSFET.

Fuentes

• “ELECTRÓNICA DE POTENCIA 3ED” (Muhammad H. Rashid)
• Wikipedia
• monografías.com

Enlaces Externos

• Animación 3D sobre el MOSFET (vídeo publicado con licencia Creative Commons)

Commons

• Wikimedia Commons alberga contenido multimedia sobre Electrónica de Potencia/MOSFET/Estructura y principio de funcionamiento.
• Símbolos de transistores MOSFET

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