MOSFET en saturación: transconductancia y efectos de segundo orden

Funcionamiento del MOSFET en la Región Activa y de Saturación

En la zona activa, se genera una zona de agotamiento con una carga neta almacenada. La corriente de drenador sigue siendo cero. Cuando la zona de agotamiento se ha formado y se sigue aumentando la tensión de puerta, los huecos del sustrato ya no son repelidos por la tensión de puerta aplicada. A partir de ese momento, los electrones del drenador y del sustrato se sienten atraídos por la tensión de puerta positiva e invaden la interfase puerta-sustrato de la zona activa, formando el canal de inversión o canal de conducción. La corriente de drenador es prácticamente cero.

A medida que aumenta V_GS, la resistencia entre drenador y surtidor disminuye, ya que estamos aumentando la concentración de portadores de carga libres. Como V_DS no es muy elevada, la geometría del canal es la misma en toda la zona activa, por lo que se comporta como una resistencia del mismo valor en toda la zona activa.

Transición a la Región de Saturación

A medida que aumenta V_DS para una V_GS determinada, la geometría del canal cambia, de modo que ya no tiene el mismo valor resistivo en todos sus puntos. Eso hace que la corriente no varíe linealmente con la tensión aplicada. Esta región de funcionamiento acaba al pinzar el canal de conducción.

Una vez se pinza el canal de conducción, la tensión en ese punto se mantiene a V_GS - V_TH, de modo que al aumentar V_DS, el pinzamiento se desplaza hacia el surtidor manteniendo su tensión. El campo eléctrico generado por la diferencia de tensión entre ese punto y el drenador arrastra los portadores de carga, haciendo que la corriente sea constante.

Transconductancia en la Región de Saturación

Como el MOSFET que trabaja en saturación genera una corriente como respuesta a la tensión de puerta, podemos definir un parámetro de calidad que nos indica cómo de bien un dispositivo convierte una tensión en una corriente. Definimos el parámetro de calidad como el cambio en la corriente de drenador dividido por el cambio en la tensión puerta-surtidor. Lo llamaremos transconductancia y lo indicaremos por g_m:

En cierto modo, g_m representa la sensibilidad del dispositivo: para un valor elevado de g_m, un pequeño cambio en V_GS se traduce en un gran cambio en I_D.

Efectos de Segundo Orden en la Región de Saturación

Modulación de la Longitud del Canal

En la región de saturación, la longitud efectiva del canal L' se reduce conforme aumenta V_DS. Cuando esta variación del tamaño no es despreciable frente al valor dibujado de la longitud del canal, L, se produce la modulación de la longitud del canal. Como I_D es inversamente proporcional a la longitud del canal, I_D se incrementa con V_DS.

Capacidades en un MOSFET de Canal N

La capacidad puerta-canal C₁ se divide a partes iguales entre puerta y surtidor (C₃ y C₄) y entre puerta y drenador (C₆). La capacidad entre canal y sustrato (C₂) no se tiene en cuenta, pues una vez generada la capa de inversión, si cambia la tensión de puerta, la carga no es proporcionada por el sustrato, sino más bien por el drenador o el surtidor. Se dice que la zona de inversión actúa como una "pantalla" entre la puerta y el sustrato.