En los MOSFET de enriquecimiento, una diferencia de tensión entre el electrodo de la compuerta y el substrato induce un canal conductor entre los contactos de drenador y surtidor, gracias al efecto de campo. El término enriquecimiento hace referencia al incremento de la conductividad eléctrica debido a un aumento de la cantidad de portadores de carga en la región correspondiente al canal, que también es conocida como la zona de inversión. El canal puede formarse con un incremento en la concentración de electrones (en un nMOSFET o nMOS), o huecos (en un pMOSFET o pMOS), en donde el sustrato tiene el tipo de dopado opuesto: un transistor nMOS se construye con un sustrato tipo p, mientras que un transistor pMOS se construye con un sustrato tipo n. Los MOSFET de empobrecimiento tienen un canal conductor que se debe hacer desaparecer mediante la aplicación de la tensión eléctrica en la compuerta, lo cual ocasiona una disminución de la cantidad de portadores de carga y una disminución respectiva de la conductividad
El término 'metal' en el nombre de los transistores MOSFET es actualmente incorrecto debido a que el material de la compuerta, que antes era metálico, ahora se construye con una capa de silicio policristalino. En sus inicios se utilizó aluminio para fabricar la compuerta, hasta mediados de 1970 cuando el silicio policristalino comenzó a dominar el mercado gracias a su capacidad de formar compuertas auto-alineadas. Las compuertas metálicas están volviendo a ganar popularidad, debido a que es complicado incrementar la velocidad de operación de los transistores sin utilizar componentes metálicos en la compuerta.
De manera similar, 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 transistor de efecto de campo de compuerta aislada o IGFET (Insulated-gate field-effect transistor) es un término relacionado que es equivalente a un MOSFET. El término IGFET es un poco más inclusivo, debido a que muchos transistores MOSFET utilizan una compuerta que no es metálica, y un aislante de compuerta que no es un óxido. Otro dispositivo relacionado es el MISFET, que es un transistor de efecto de campo metal-aislante-semiconductor (Metal-insulator-semiconductor field-effect transistor).
Existen distintos símbolos que se utilizan para representar el transistor MOSFET. El diseño básico consiste en una línea recta para dibujar el canal, con líneas que salen del canal en ángulo recto y luego hacia afuera del dibujo de forma paralela al canal, para dibujar el surtidor y el drenador. En algunos casos, se utiliza una línea segmentada en tres partes para el canal del MOSFET de enriquecimiento, y una línea sólida para el canal del MOSFET de empobrecimiento. Otra línea es dibujada en forma paralela al canal para destacar la compuerta.La conexión del sustrato, en los casos donde se muestra, se coloca en la parte central del canal con una flecha que indica si el transistor es PMOS o NMOS. La flecha siempre apunta en la dirección P hacia N, de forma que un NMOS (Canal N en una tina P o sustrato P) tiene la flecha apuntando hacia adentro (desde el sustrato hacia el canal). Si el sustrato está conectado internamente al surtidor (como generalmente ocurre en dispositivos discretos) se conecta con una línea en el dibujo entre el sustrato y el surtidor. Si el sustrato no se muestra en el dibujo (como generalmente ocurre en el caso de los diseños de circuitos integrados, debido a que se utiliza un sustrato común) se utiliza un símbolo de inversión para identificar los transistores PMOS, y de forma alternativa se puede utilizar una flecha en el surtidor de forma similar a como se usa en los transistores bipolares (la flecha hacia afuera para un NMOS y hacia adentro para un PMOS).
En esta figura se tiene una comparación entre los símbolos de los MOSFET de enriquecimiento y de empobrecimiento, junto con los símbolos para los JFET (dibujados con el surtidor y el drenador ordenados de modo que las tensiones más elevadas aparecen en la parte superior de la página).
Un transistor MOSFET consiste en un sustrato de material semiconductor dopado en el que, mediante técnicas de difusión de dopantes, se crean dos islas de tipo opuesto separadas por un área sobre la cual se hace crecer una capa de dieléctrico culminada por una capa de conductor. Los transistores MOSFET se dividen en dos tipos fundamentales dependiendo de cómo se haya realizado el dopaje:
- Tipo nMOS: Sustrato de tipo p y difusiones de tipo n.
- Tipo pMOS: Sustrato de tipo n y difusiones de tipo p.
Las áreas de difusión se denominan fuente(source) y drenador(drain), y el conductor entre ellos es la puerta(gate).
El transistor MOSFET tiene tres estados de funcionamiento:
Corte
Cuando la tensión de la puerta es idéntica a la del sustrato, el MOSFET está en estado de no conducción: ninguna corriente fluye entre fuente y drenador. También se llama mosfet a los aislados por juntura de dos componentes
Región lineal
Al polarizarse la puerta con una tensión negativa (pMOS) o positiva (nMOS), se crea una región de deplexión en la región que separa la fuente y el drenador. Si esta tensión crece lo suficiente, aparecerán portadores minoritarios (huecos en pMOS, electrones en nMOS) en la región de deplexión que darán lugar a un canal de conducción. El transistor pasa entonces a estado de conducción, de modo que una diferencia de potencial entre fuente y drenador dará lugar a una corriente. El transistor se comporta como una resistencia controlada por la tensión de puerta.
Saturación
Cuando la tensión entre drenador y fuente supera cierto límite, el canal de conducción bajo la puerta sufre un estrangulamiento en las cercanías del drenador y desaparece. La corriente entre fuente y drenador no se interrumpe, ya que es debido al campo eléctrico entre ambos, pero se hace independiente de la diferencia de potencial entre ambos terminales.
Para un MOSFET de canal inducido tipo n en su región lineal:
es la permitividad eléctrica de la capa de óxido, L la longitud del canal
y W el espesor de capa de óxido.
- Cuando el transistor opera en la región de saturación, la fórmula pasa a ser la siguiente:
Estas fórmulas son un modelo sencillo de funcionamiento de los transistores MOSFET, pero no tienen en cuenta un buen número de efectos de segundo orden, como por ejemplo:
- Saturación de velocidad: La relación entre la tensión de puerta y la corriente de drenador no crece cuadráticamente en transistores de canal corto.
- Efecto cuerpo o efecto sustrato: La tensión entre fuente y sustrato modifica la tensión umbral que da lugar al canal de conducción
- Modulación de longitud de canal.
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