ELECTRÓNICA AVANZADA.

Un FET de semiconductor óxido metal, o MOSFET por sus siglas en inglés (Metal-Oxide Semiconductor FET), es un FET que tiene puerta, fuente y drenador pero con la peculiaridad de que su puerta está aislada del canal, por lo que la corriente que circulará de puerta será mucho menor que la que se puede obtener con un FET. Por eso los MOSFET se suelen usar en circuitos de control de potencia (conectar o desconectar grandes corrientes), y en circuitos de conmutación digital como ordenadores modernos.

Existen dos tipos fundamentales de MOSFET, como verás a continuación.

Mosfet de empobrecimiento.

En la siguiente figura puedes ver un MOSFET de empobrecimiento.

Se compone de una pieza de material tipo N con una zona P y una zona aislada. La zona P se denomina susbtrato (o cuerpo). Los electrones circulan de la fuente al drenador como en el FET normal, pero tienen que pasar entre el estrecho canal producido entre la puerta y el cuerpo.

El aislante de la puerta está formado por una capa de dióxido de silicio (SiO₂. En el MOSFET la puerta es metáliza, por lo que se produce una circulación de corriente despreciable cuando la corriente es positiva.

En la siguiente figura podemos ver un circuito habitual de mosfet de empobrecimiento con una tensión de puerta negativa.

La alimentación positiva B1, obliga a los electrones libres a circular desde la fuente hasta el drenador. Estos circulan por el estrecho canal que permite el substrato P.

Al igual que ocurre en el JFET, una tension de puerta controla el paso de corriente ya que la tensión de puerta controla el ancho del canal. Cuanto más negativa sea la tensión de puerta, menor será la corriente de drenador, porque menor será el canal.

Cuando la tensión de puerta es suficientemente negativa, la tensión de puerta se interrumpe, lo que equivale a la tensión V_GS de un JFET.

Al estar la tensión de la puerta aislada eléctricamente, se puede aplicar una tensión positiva a la puerta. De hecho, cuanto mayor sea la tensión positiva de puerta, mayor será el paso de corriente hacia el drenador, ya que se ampliará el canal de conducción.

MOSFET de enriquecimiento.

Éste es una versión más avanzada del MOSFET de empobrecimiento. La estructura básica de un MOSFET de enriquecimiento es la siguiente:

Observa que son muy parecidos ambos MOSFET, pero en el MOSFET de enriquecimiento el substrato tipo P se extiende hasta la capa de dióxido de silicio de la puerta, con lo que desaparece completamente el canal de conducción.

Cuando la tensión de la puerta es cero, la corriente hacia el drenador es nula. El MOSFET se encuentra al corte cuando la tensión de puerta es cero. Para obtener corriente de la fuente al drenador, la única manera es conectar la puerta a una tensión positiva. El proceso es que la puerta atrea los electrones libres del substrato P y estos se recombinan con los huecos cercanos al dióxido de silicio. Cuando la tensión de la puerta es lo suficientemente positiva, todos los huecos proximos al dióxido de silicio desaparecen y los electrones libres empiezan a circular desde la fuente al drenador.

El efecto es que, cuando los electrones libres se recombinan con los huecos, se genera una pista electrónica llamada capa de inversión tipo n. En este momento, los electrones pueden circular por de la fuente al drenador.

En el siguiente gráfico puedes ver el relleno de huecos. Observa como una vez rellenado se ha generado la capa de inversión por la que podrán circular los electrones. Mientras mayor sea la tension poisitiva de la fuente, mayor será la capa de inversión y mayor el paso de corriente de fuente a drenador.

La tensión mínima para generar la capa de inversión se llama tensión umbral V_GS(th). Cuando la tensión umbral es inferior a V_GS(th), la corriente de drenador es mínima. Pero cuando la tensión es mayor que V_GS(th), la capa de inversión tipo n conecta la fuente y drenador.

Los valores típicos para dispositivos de pequeña señal son entre 1 y 3V.

Características de salida.

Un MOSFET de enriquecimiento para señal pequeña tiene una limitación de 1W como mucho. En las figuras siguientes se muestran un conjunto de curvas de salida para un MOSFET de enriquecimiento típico.

Puedes ver dos graficas en las que en la gráfica de la izquierda se representa la intensidad de drenador en función de la tensión de puerta y la tensión drenador - surtidor. En la gráfica de la derecha se puede ver la zona de funcionamiento tal cual como si se tratase de un JFET. En la gráfica de la izquierda puedes ver que cuando la tensión es menor que V_GS(th) el MOSFET se encuentra al corte practicamente. Cuando la tensión de puerta es mayor que V_GS(th), el MOSFET conduce y la conducción se controla con la tensión de la puerta.

En la gráfica de la derecha puedes ver la zona activa y la zona óhmica del MOSFET. El MOSFET de enriquecimiento puede funcionar en cualquiera de las zonas, es decir puede actuar como una resistencia o como una fuente de corriente. Su uso principal es la zona óhmica.

Puedes ver que la corriente de drenador no empieza a crecer hasta que se alcanza la tensión umbral V_GS(th). En dicho momento, la corriente aumenta rapidamente hasta que alcanza la corriente de saturación. Mas allá de éste punto, la corriente se polariza en la zona óhmica lo que significa que la corriente de drenador no va a aumentar aunque lo haga la tensión de la puerta.

Simbolo eléctrico.

Cuando la tensión de puerta es cero, el MOSFET está al corte. Eso significa que la línea de conducción entre fuente y drenador está cortada, condición que se muestra en la línea vertical a trazos del interior de el símbolo del MOSFET. La flecha del símbolo apunta hacia la capa de inversión, por lo que si el substrato es tipo P, la flecha apunta hacia el interior (penetra), y si es tipo N, apunta hacia el exterior (No penetra), tal cual puedes ver en las imagenes.

 

Zóna óhmica.

Aunque el MOSFET se suele utilizar en la zona activa, su mayor uso es en la zona óhmica, ya que el MOSFET es un dispositivo de conmutación. Es decir, la tensión de entrada típica es un valor alto o bajo.

Drenador-fuente en resistencia.

En la figura anterior puedes ver el punto Q_test en la zona óhmica de la curva Vgs = Vgs(on). El fabricante mide la Id(on) y Vds(on). A partir de ahí, el fabricante puede calcular el valor de Rds(on) según la fórmula siguiente:

Si realizamos los calculos para un VN2406L, con una V_DS(on) = 1V y I_D(on) = 100mA, devolverá con la ecuación anterior el valor de 10Ω.

Polarización de la zona óhmica.

La tensión de corte de drenador es V_DD. La figura anterior muestra la recta de carga para continua de los valores de saturación máxima Id(max), y la tensión de corte Vdd. Cuando V_GS = 0, el punto Q está en la zona inferior del extremo izquierdo. Cuando V_GS = V_GS(on), el punto Q está en la parte superior del punto de la recta de carga. Cuando el punto Q se encuentra por debajo del punto Qtest (como se muestra en el gráfico anterior), el dispositivo está configurado en la zona óhmica. Es decir un MOSFET de enriquecimiento está polarizado en la zona activa cuando cumple:

ID(sat) < ID(on)

Esta ecuación es importante ya que nos indica si un mosfet de enriquecimiento está funcionando en la zona activa o la zona óhmica. Dado un circuito con MOSFET podremos calcular la ID(sat). Si ID(sat) es menor que ID(on) cuando VGS = VGS(on), sabremos que el dispositivo está polarizado en la zona óhmica, equivalente a una pequeña resistencia.