El MOSFET

Introducción al MOSFET

Los MOSFET, o simplemente MOS (Metal-Oxide Semiconductor, Field Effect Transistor) son muy parecidos a los JFET. La diferencia entre estos estriba en que, en los MOS, la puerta está aislada del canal, consiguiéndose de esta forma que la corriente de dicho terminal sea muy pequeña, prácticamente despreciable. Debido a este hecho, la resistencia de entrada de este tipo de transistores es elevadísima, del orden de 10.000 MW , lo que les convierte en componentes ideales para amplificar señales muy débiles.
Existen dos tipos de MOSFET en función de su estructura interna: los de empobrecimiento y los de enriquecimiento. Los primeros tienen un gran campo de aplicación como amplificadores de señales débiles en altas frecuencias o radio-frecuencia (RF), debido a su baja capacidad de entrada. Los segundos tienen una mayor aplicación en circuitos digitales y sobre todo en la construcción de circuitos integrados, debido a su pequeño consumo y al reducido espacio que ocupan.

MOSFET de empobrecimiento

Para que un transistor de efecto de campo funcione no es necesario suministrar corriente al terminal de puerta o graduador. Teniendo en cuenta esto, se puede aislar totalmente la estructura de la puerta de la del canal. Con esta disposición se consigue eliminar prácticamente la corriente de fuga que aparecía en dicho terminal en los transistores JFET. En la siguiente figura se puede apreciar la estructura de un MOSFET de canal N.

Este componente, puede funcionar tanto en la forma de empobrecimiento como de enriquecimiento, como puede observarse en la siguiente figura:
La forma de trabajo de empobrecimiento se explica debido a que los electrones de la fuente pueden circular desde el surtidor hacia el drenador a través del canal estrecho de material semiconductor tipo N. Cuanto mayor sea la diferencia de potencial V_DD aplicada por la fuente, mayor será esta corriente. Como ocurría con el JFET, la tensión negativa, aplicada a la puerta, produce un estrechamiento en el canal, debido al empobrecimiento de portadores, lo que hace que se reduzca la corriente de drenador. Aquí se aprecia claramente que, el fenómeno de control se realiza a través del efecto del campo eléctrico generado por la tensión V_GG de la puerta.
Debido a que la puerta está aislada del canal, se puede aplicar una tensión positiva de polarización al mismo. De esta manera, se consigue hacer trabajar al MOSFET en enriquecimiento. Efectivamente, la tensión positiva del graduador provoca un aumento o enriquecimiento de electrones libres o portadores en el canal, de tal forma que, al aumentar la tensión positiva V_GG, aumenta también la corriente de drenador.

Curvas características

En la siguiente figura, abajo a la izquierda, se muestra el ejemplo de una familia de curvas de drenador de un MOSFET de empobrecimiento de canal N.

Obsérvese cómo en esta curva aparecen tanto tensiones negativas de V_GS (trabajo en modo de empobrecimiento), como positivas (trabajo en modo de enriquecimiento). La corriente más elevada se consigue con la tensión más positiva de V_GS y el corte se consigue con tensión negativa de V_GS(apag).
De esta familia de curvas se puede obtener la curva de transconductancia, que nos indica la relación que existe entre V_GS e I_D. Ésta posee la forma que se muestra en la siguiente curva abajo a la derecha:

Obsérvese cómo esta curva aparece dibujada en los dos cuadrantes del eje de tensiones. Esto es debido a que el MOSFET puede operar tanto con tensiones positivas como negativas. Por esta razón, la corriente I_DSS, correspondiente a la entersección de la curva con el eje I_D, ya no es la de saturación.
Como ocurría con el JFET, esta curva de trasconductancia es parabólica y la ecuación que la define es también:
Según se puede apreciar en la curva de transconductancia de un MOSFET, este tipo de transistor es muy fácil de polarizar, ya que se puede escoger el punto correspondiente a V_GS=0, I_D=I_DSS. Cuando éste queda polarizado así, el transistor queda siempre en conducción o, normalmente, encendido.

Símbolos de los MOSFET

En la siguiente figura, podemos ver un transistor MOSFET de canal N (punta hacia adentro) con cuatro terminales disponibles. El terminal de sustrato está libre, en algunos casos, para dar al transistor un mayor control sobre la corriente de drenador.

Tipo de enriquecimiento

Este tipo de MOSFET está diseñado de tal manera que sólo adminte la forma de trabajo en modo de enriquecimiento. La aplicación fundamental de este transistor se realiza en circuitos digitales, microprocesadores, etc.
En las siguientes figura (a), se muestran un ejemplo de las curvas de drenador y en la (b) las de transconductancia de este tipo de MOSFET.

Como se podrá observar en las curvas características, este transistor sólo conduce cuando son aplicadas tensiones positivas al drenador, por lo que normalmente estará en no conducción o apagado.
El símbolo que representa al MOSFET de enriquecimiento son los que se indican en las siguientes figuras, siendo el (a) de enriquecimiento y canal N y en el (b) MOSFET de enriquecimiento y canal P.
Observa cómo la línea del canal en estos transistores se representa como una línea punteada.

Protección de los MOSFET

Tanto los MOSFET de empobrecimiento como los de enriquecimiento, poseen una capa extremadamente delgada de aislante que separa la puerta del canal. Esta capa se destruye con suma facilidad si se aplica una tensión V_GS por encima de la máxima soportable. Por esta razón, nunca debe operarse con una tensión superior a la V_GS(max) prescrita en las características del MOSFET.
Aún así, dicha capa aislante es tan delicada que puede destruirse por otras causas, como pueden ser las sobretensiones provocadas al insertar o retirar un MOSFET del circuito sin haber desconectado la fuente de alimentación. También puede ocurrir, en ciertos casos, que al tocar con las manos los terminales de un MOSFET se produzca una descarga electrostática entre ellos, que los destruya. Por esta razón los MOSFET se almacenan con un conductor que cortocircuita sus terminales. Este conductor se retira una vez conectado el MOSFET a su circuito.

Consideraciones sobre el MOSFET

En un transistor de unión de efecto campo, se aplica al canal un campo eléctrico a través de un diodo p-n. Empleando un electrodo de puerta metálico separado del canal semiconductor por una capa de óxido, como se muestra en la figura, se obtiene el efecto de un campo básicamente distinto. La disposición Metal-Óxido-Semiconductor (MOS) permite que un campo básicamente distinto afecte al canal si se aplica una tensión externa entre puerta y sustrato, y ésto, también posee un efecto negativo sobre el comportamiento del MOSFET.

En efecto, si observamos la figura de la derecha, donde en azul marino se representa la capa de Dióxido del Silicio y en Rojo las zonas tipo N y el canal, vemos que al aplicar una tensión sobre la puerta se necesitará un campo mínimo que inversione el canal. Esta tensión, llamada tensión umbral y representada por V_TH es aquella que acumula una concentración de cargas capaz de invertir el canal.
Esto da lugar a que los niveles entre los circuitos digitales MOS y TTL sean incompatibles, porque los MOS no pueden trabajar a 5 V, puesto que quedaría un margen de ruido muy pequeño para su trabajo.
Se puede buscar entonces, reducir esa tensión umbral para la compatibilidad de las dos familias de dispositivos, y se ataca este problema en la fase de fabricación del dispositivo, teniendo en cuenta que la tensión umbral se debe a:

• El espesor del SiO₂: A más espesor, menos campo aplicado.
• A los espacios de registro de la puerta. El contacto de puerta, en su fabricación, no cubre el 100% de la capa, por lo que baja su efectividad.

Para reducir la tensión umbral del dispositivo, hemos de atacar estos dos conceptos, en la fase de fabricación de estos dispositivos, por ejemplo, mediante fabricación con la técnica SATO.
Además, los dispositivos MOS, presentan otro problema: las capacidades asociadas al contacto de puerta y los contactos de drenador y surtidor por el hecho de estar solapados. Esta capacidad, introduce cortes o polos a altas frecuencias. Si disminuimos las capacidades, el transistor, podrá trabajar a más altas frecuencias, sobre todo dirigido para aplicaciones digitales y computacionales.