Significado de \ $ V_ {GS} -V_ {th} \ $ para MOSFET

Bueno, la explicación no es extremadamente significativa sin matemáticas y sin estar familiarizada con la estructura física de un MOSFET . De todos modos, intentaré mantener a raya las matemáticas, ¡pero no esperes una respuesta cuantitativa, sin embargo!

Centrémonos en un dispositivo de canal N (el razonamiento es el mismo para uno de canal P, pero todas las polaridades están invertidas). \ $ V_ {GS} - V_ {th} \ $ recibe el nombre de voltaje del variador o también del voltaje de saturación del FET (esto también es válido para los JFET) . Por ahora, restringamos el análisis a un dispositivo en modo de mejora, para el cual \ $ V_ {th} > 0 \ $.

Como parece saber, \ $ V_ {th} \ $ es el voltaje de umbral: por debajo de eso, el MOSFET es apenas conductor (solo hay una pequeña corriente y el MOSFET se encuentra en el denominado umbral inferior región ). Cuando el voltaje GS alcanza ese umbral, el comportamiento del MOSFET cambia, porque bajo la puerta se forma un canal que va desde el drenaje a la fuente. Ese canal es el resultado de que la compuerta es positiva con respecto al semiconductor a granel debajo de la capa de óxido. Por lo tanto, la puerta atrae electrones que terminan acumulándose bajo esa capa de óxido. Piense en la compuerta y el volumen como dos placas de un condensador que se está cargando.

Si \ $ V_ {GS} \ $ está por debajo del umbral, los electrones son muy pocos y el canal no está completamente formado. Alcanzando el umbral, se ha acumulado suficiente carga debajo de la capa de óxido para formar un canal completo.

A partir de ese momento, un mayor aumento de la tensión aumenta la densidad de carga en el canal, lo que lo hace más conductor. Por lo tanto, el aumento de la conductividad depende de la tensión de sobremarcha. En esta situación, el MOSFET puede estar en la región óhmica (es decir, lineal) o en la región de saturación, dependiendo del valor de \ $ V_ {DS} \ $. Si \ $ V_ {DS} < V_ {overdrive} \ $ el MOSFET está en la región óhmica, de lo contrario está en saturación.

¿Por qué? Bueno, desde un punto de vista intuitivo es así. Si \ $ V_ {DS} \ $ es exactamente cero, el canal puede verse como una resistencia cuya conductividad (por lo tanto, la resistencia) depende de su densidad de carga, es decir, del voltaje de saturación. Si \ $ V_ {DS} \ $ es lo suficientemente pequeño, la corriente que inyecta a través del canal es pequeña, y este flujo de electrones no interrumpirá la situación en el canal, lo que se mantiene como una resistencia.

A medida que \ $ V_ {DS} \ $ aumenta, las cargas inyectadas son más energéticas y causan una caída de voltaje sensible a lo largo del canal, que tiende a contrastar la acción de \ $ V_ {GS} \ $. Al final, esta caída de voltaje llega a ser tan grande que la corriente en el canal deja de ser proporcional a \ $ V_ {DS} \ $, es decir, el canal ya no se comporta como una resistencia. Ahora el MOSFET ha entrado en saturación, es decir, la corriente en el canal no puede crecer más por la acción de \ $ V_ {DS} \ $ (si descuidamos los efectos de orden superior como modulación de la longitud del canal , análogo al efecto inicial en BJTs).

¿Por qué el límite entre la región óhmica y la de saturación es exactamente el voltaje de saturación? Bueno, eso necesitaría más matemáticas para ser explicado de manera rigurosa. Intuitivamente, puede pensar en el voltaje de saturación como el "voltaje de compuerta de acceso" que evita que el canal se "sature" por \ $ V_ {DS} \ $. Una vez que \ $ V_ {DS} \ $ haya "consumido" ese margen, el canal se "rendirá" y saturará.

Para los dispositivos de agotamiento, el principio es el mismo, pero como el canal ya está configurado para \ $ V_ {GS} = 0 \ $, entonces el umbral es negativo, es decir, \ $ V_ {th} < 0 \ $. Por lo tanto, incluso para el voltaje de compuerta cero tiene un overdrive y tiene que usar voltajes de compuerta negativos para que el MOSFET entre en corte.

Abordemos el último fragmento de su pregunta: " ¿Pero dónde se encuentra \ $ V_ {GS} - V_ {th} \ $ en las curvas? ". Como dije anteriormente, el voltaje de saturación determina el valor de \ $ V_ {DS} \ $ que separa el ohmico de la región de saturación. Este punto de separación, por supuesto, depende de \ $ V_ {GS} \ $, por lo que depende de la curva particular que considere en las características de salida. Puede determinar fácilmente este punto para cada curva. Aproximadamente es el punto donde termina la rodilla que une la región óhmica con la región de saturación. Pero puede dibujarlo con precisión calculando el voltaje de saturación para cada curva e intersectando esa curva con una línea de ecuación vertical \ $ V_ {DS} = V_ {overdrive} \ $ (vea los puntos rojos en la imagen de abajo). Resulta que todos esos puntos se encuentran en una parábola, por lo tanto, ¡no son tan "bizarros" después de todo!