LOS TRANSISTORES MOSFET

Los lectores que siguen el curso de fuentes conmutadas pueden observar que muchos circuitos comerciales incluyen transistores de efecto de campo de compuerta aislada y muchos desconocen la diferencia entre éstos y los transistores bipolares. En esta nota describiremos básicamente a los dos modelos clásicos dando sus símbolos y curvas características.

EL TRANSISTOR MOSFET DE EMPOBRECIMIENTO

Existen cuatro tipos principales de transistores MOSFET. Didácticamente conviene analizar primero el más común de todos que es el de canal N de empobrecimiento (o de deplexión), prácticamente el único usado en fuentes de alimentación y luego se hará una referencia a los otros tipos en futuras entregas.

El FET de semiconductor–oxidometal, o MOSFET posee cuatro electrodos llamados “fuente” “compuerta” “drenaje” y “sustrato”. A diferencia del JFET, FET de juntura o simplemente FET o transistor de efecto de campo, la compuerta está aislada galvánicamente del canal. Por esta causa, la corriente de compuerta es extremadamente pequeña, tanto cuando la tensión de compuerta es positiva como cuando es negativa. La idea básica se puede observar en la figura 1, en donde se muestra un corte de un MOSFET de empobrecimiento de canal N. Se compone de un material N (silicio con impurezas dadoras) con una zona tipo P a la derecha y una compuerta aislada a la izquierda. A similitud de una válvula electrónica, en donde los electrones libres circulan desde el cátodo a la placa, en un MOSFET circulan desde el terminal de “fuente” al de “drenaje”, es decir desde abajo hacia arriba en el dibujo. En la válvula lo hacen por el vacío y en el MOSFET por el silicio tipo N. La zona P se llama sustrato (algunos autores la llaman cuerpo) y opera como si fuera una pared que presenta una dificultad a la circulación electrónica. Los electrones deben pasar por un estrecho canal entre la compuerta y el sustrato. La idea es que el silicio tipo N es un buen conductor, pero en la zona del sustrato se agregan impurezas tipo P que cancelan esa conductividad haciendo que esa zona sea aisladora.

Sobre el canal se agrega una delgada capa de dióxido de silicio (vulgarmente vidrio) que opera como aislante. Sobre esta finísima capa de vidrio se realiza una metalización que opera como compuerta. Dado que la compuerta es aislada, se puede colocar en ella un potencial tanto negativo como positivo, tal como se puede observar en la figura 2:

  • a) Tensión de puerta negativa
  • b) Tensión de puerta positiva

En la parte (a) se muestra un MOSFET de empobrecimiento con una tensión de compuerta negativa.

La alimentación VDD, obliga a los electrones libres a circular desde la fuente hacia el drenaje. Estos circulan por el canal estrecho a la izquierda del sustrato P. La tensión de compuerta controla el ancho del canal. Cuanto más negativa sea la tensión de compuerta, menor será la corriente que circula por el MOSFET debido a que el campo eléctrico empuja a los electrones contra el sustrato. Inclusive una tensión suficientemente negativa podrá, eventualmente, cortar la circulación de corriente.

Cuando se pone tensión positiva en la compuerta, el canal N tiene toda su capacidad libre y el MOSFET se comporta como una llave cerrada. En las curvas de la figura 3 se puede observar el paralelismo extremo entre una válvula y un MOSFET. En “a” se puede observar la familia de curvas para diferentes tensiones de compuerta.

Observe que la corriente de drenaje se mantiene prácticamente constante independientemente de la tensión de “drenaje-fuente”, salvo en la zona inicial que se llama zona óhmica y que no es utilizada cuando el transistor funciona como llave.

La familia de curvas se suele dividir en dos secciones. Las que están por debajo de cero y hasta VGSoff se llama sección de empobrecimiento y las que están por encima sección de enriquecimiento. Esto significa que el canal no sólo se puede angostar; en efecto, si se colocan tensiones positivas en la compuerta las lagunas del sustrato son repelidas y el canal se ensancha.

En “b” se puede observar la curva de transferencia de un MOSFET de empobrecimiento en donde Idss es la corriente de drenaje con la puerta en cortocircuito.

Como la curva se extiende hacia la derecha, ésta no es la máxima corriente de drenaje. En efecto, tensiones positivas de compuerta generan una corriente de drenaje mayor.

El símbolo eléctrico de un MOSFET de canal N de empobrecimiento puede observarse en la figura 4 al lado de su dibujo en corte.

La compuerta se representa como una línea vertical con una salida hacia la izquierda. A su derecha se dibuja el canal como otra línea vertical fina, con una salida superior que es el drenaje y otra inferior que es la fuente. La flecha, en el sustrato P, apunta hacia adentro en el MOSFET de canal N de estrechamiento como indicando que el canal es estrecho.

 
CONCLUSIONES

En esta entrega nos introdujimos en el mundo de los transistores MOSFET, presentando a aquel que más se utiliza en la fuentes de alimentación modernas: el MOSFET de empobrecimiento de canal N. En efecto, éste es el más adecuado para realizar llaves digitales y salvo cuando se necesiten MOSFET complementarios, los otros no tienen aplicación práctica. Si Ud. Desea más información sobre este tema, la puede tomar sin cargo de nuestra web, con la clave “mosfet”.

 
Autor: Ing. Alberto H. Picerno
FIGURA 1
 
FIGURA 2
 
FIGURA 3
 
FIGURA 4