seegongsik
D1 · MOSFET

Estructura y umbral del MOSFET: el voltaje abre un canal

Si el BJT gobernaba con corriente, el MOSFET abre su canal solo con la tensión aplicada en la puerta. En esta unidad subes tú mismo la tensión de puerta y compruebas en qué umbral aparece el camino que une la fuente y el drenador.

Sube la tensión de puerta para abrir el canal

Arriba del todo está la puerta, la franja delgada de debajo es el óxido aislante, más abajo está el sustrato de tipo p, y a los lados están la fuente y el drenador. Sube la tensión de puerta y, por debajo del umbral Vth, no se acumula nada en la superficie; por encima, los electrones se juntan en la superficie y aparece un canal dorado que une la fuente y el drenador. Busca la tensión en que aparece el canal por primera vez.

Voltaje compuerta-fuente VgsVgs = 0.3 V
Estado del canal
Vgs = 0.3 V (Vth = 1.0 V)
Vov = Vgs - Vth = 0.0 V
Vgs está por debajo del umbral. El campo de la puerta es débil, los electrones no se juntan en la superficie y la fuente y el drenador quedan desconectados.
Sin canal · apagado

Una compuerta aislada, campo no corriente

La puerta de un MOSFET descansa sobre una delgada capa aislante de óxido. Como el aislante la bloquea, prácticamente no entra corriente continua por la puerta, justo lo contrario del BJT, que necesitaba corriente en la base para funcionar. La puerta trabaja con campo eléctrico en lugar de corriente. Como casi no entra corriente, su impedancia de entrada es muy alta y apenas carga a la fuente de señal.

Cruza el umbral y se forma un canal

El sustrato bajo la puerta es de tipo p, así que casi no hay electrones en la superficie. Si se aplica a la puerta una tensión positiva, su campo empuja los huecos y atrae hacia la superficie a los portadores minoritarios, los electrones. Con tensión baja llegan muy pocos, pero al pasar cierto umbral se juntan suficientes en la superficie para formar una delgada capa de tipo n, la capa de inversión. Esta capa se convierte en el canal que une la fuente y el drenador de tipo n a ambos lados, y solo entonces se abre un camino para la corriente.

Voltaje de umbral Vth y sobreimpulso

La tensión de puerta con la que el canal empieza a formarse es la tensión umbral Vth. Su valor lo fijan el espesor del óxido, el dopaje del sustrato y los materiales. Cuanto más supera Vgs a Vth, es decir, cuanto mayor la sobretensión Vgs - Vth, más electrones se atraen, más grueso es el canal y mayor la corriente que puede llevar. Este interruptor, que abre y cierra un canal solo con tensión en una puerta aislada que casi no consume corriente, sostiene los chips digitales y la conversión de potencia.

ObservaVov = Vgs - Vth
La sobretensión es la tensión de puerta por encima del umbral.
EligeQch ∝ Cox (Vgs - ?)
La carga del canal es proporcional solo al exceso sobre el umbral.
CompletaIg ≈ ?
Con la puerta aislada, la corriente de puerta es casi 0.
Por tu cuentaVgs > ?
El canal conduce solo pasada esta condición.

De vuelta a la primera pantalla

Mientras la tensión de puerta estaba por debajo del umbral, la superficie estaba vacía y la fuente y el drenador desconectados. En el instante en que subiste la tensión por encima del umbral, los electrones fueron atraídos a la superficie y un canal dorado unió las dos regiones de tipo n. Lo que abrió ese camino no fue una corriente entrando por la puerta sino el campo de la puerta actuando a través del aislante. El umbral es el límite en que el canal empieza a formarse, y la sobretensión añadida por encima lo engrosa. Este interruptor, que abre y cierra el flujo solo con tensión sin apenas consumir corriente, es el punto de partida del MOSFET.

Un MOSFET es un transistor controlado por tensión y no por corriente. Su puerta descansa sobre un delgado óxido aislante, así que casi no entra corriente y su impedancia de entrada es muy alta. Cuando la tensión puerta-fuente Vgs supera la tensión umbral Vth, el campo de la puerta atrae portadores minoritarios a la superficie y forma un canal (capa de inversión) que une la fuente y el drenador. Por debajo de Vth no hay canal y está apagado; por encima, conduce. El exceso, la sobretensión Vgs − Vth, fija la intensidad del canal.

Lo que sigue

Pasado el umbral, el canal está abierto. Pero cuánto circula de verdad una vez formado el canal depende también de la tensión de drenador. En la siguiente unidad subes la tensión de drenador y ves cómo se divide el funcionamiento: la región lineal, donde el canal se comporta como una resistencia, y la región de saturación, donde el canal se estrecha en su extremo y la corriente deja de crecer.