Modos de agotamiento y enriquecimiento

En los transistores de efecto de campo (FET), el modo de agotamiento y el modo de enriquecimiento son dos tipos principales de transistores, que corresponden a si el transistor está en estado encendido o apagado con un voltaje de puerta-fuente de cero.

Los MOSFET de modo de enriquecimiento (FET de metal-óxido-semiconductor) son los elementos de conmutación más comunes en la mayoría de los circuitos integrados. Estos dispositivos se encuentran apagados con una tensión puerta-fuente de cero. Los NMOS se pueden activar elevando la tensión de puerta por encima de la tensión de fuente, mientras que los PMOS se pueden activar reduciéndola por debajo de la tensión de fuente. En la mayoría de los circuitos, esto significa que al acercar la tensión de puerta de un MOSFET de modo de enriquecimiento a su tensión de drenaje, se produce un enriquecimiento en los MOSFET de tipo p o un agotamiento en los MOSFET de tipo n.

En un MOSFET de modo de agotamiento, el dispositivo normalmente está encendido con una tensión puerta-fuente de cero. Estos dispositivos se utilizan como resistencias de carga en circuitos lógicos (por ejemplo, en la lógica NMOS de carga de agotamiento). Para los dispositivos de carga de agotamiento de tipo N, la tensión umbral puede ser de aproximadamente -3  V, por lo que se puede apagar aplicando una tensión  negativa de 3 V a la puerta (en comparación, el drenador es más positivo que la fuente en el NMOS). En el PMOS, las polaridades se invierten.

El modo se puede determinar por el signo del voltaje umbral (voltaje de puerta en relación con el voltaje de fuente en el punto donde se forma una capa de inversión en el canal): para un FET de tipo N, los dispositivos de modo de enriquecimiento tienen umbrales positivos y los dispositivos de modo de agotamiento tienen umbrales negativos; para un FET de tipo P, los de modo de enriquecimiento tienen umbrales negativos y los de modo de agotamiento tienen umbrales positivos.

Los transistores de efecto de campo de unión ( JFET ) son de modo de agotamiento, ya que la unión de la compuerta se polarizaría directamente si la tensión de la compuerta se alejara más de un poco de la tensión de la fuente hacia la del drenador. Estos dispositivos se utilizan en chips de arseniuro de galio y germanio , donde es difícil fabricar un aislante de óxido.

Algunas fuentes dicen "tipo de agotamiento" y "tipo de enriquecimiento" para los tipos de dispositivos descritos en este artículo como "modo de agotamiento" y "modo de enriquecimiento", y aplican los términos "modo" para la dirección en la que el voltaje puerta-fuente difiere de cero. ^{[ 1 ]} Mover el voltaje de puerta hacia el voltaje de drenaje "enriquece" la conducción en el canal, por lo que esto define el modo de operación de enriquecimiento, mientras que alejar la puerta del drenaje agota el canal, por lo que esto define el modo de agotamiento.

La lógica NMOS de carga de agotamiento se refiere a la familia lógica que se volvió dominante en VLSI de silicio en la segunda mitad de la década de 1970; el proceso admitía transistores de modo de enriquecimiento y de modo de agotamiento, y los circuitos lógicos típicos usaban dispositivos de modo de enriquecimiento como interruptores de pull-down y dispositivos de modo de agotamiento como cargas o pull-ups. Las familias lógicas construidas en procesos más antiguos que no admitían transistores de modo de agotamiento se denominaron retrospectivamente lógica de carga de enriquecimiento o lógica de carga saturada , ya que los transistores de modo de enriquecimiento generalmente se conectaban con la puerta a la fuente de alimentación VDD _y operaban en la región de saturación (a veces las puertas se polarizaban a un voltaje VGG más alto _y operaban en la región lineal, para un mejor producto potencia-retardo (PDP), pero las cargas entonces ocupaban más área). ^{[ 2 ]} Alternativamente, en lugar de puertas lógicas estáticas, a veces se usaba lógica dinámica , como la lógica de cuatro fases, en procesos que no tenían transistores de modo de agotamiento disponibles.

Por ejemplo, el Intel 4004 de 1971 utilizaba lógica PMOS de puerta de silicio con carga de enriquecimiento , y el Zilog Z80 de 1976 utilizaba lógica NMOS de puerta de silicio con carga de agotamiento.

Los dos tipos originales de compuertas lógicas MOSFET, PMOS y NMOS, fueron desarrollados por Frosch y Derick en 1957 en Bell Labs. ^{[ 3 ]}  En 1963, Steven Hofstein y Fred  Heiman describieron los MOSFET de modo de agotamiento y de enriquecimiento en RCA Laboratories . ^{[ 4 ]} En 1966, T.  P. Brody y H.  E. Kunig en Westinghouse Electric fabricaron transistores de película delgada (TFT) MOS de arseniuro de indio (InAs) de modo de enriquecimiento y de agotamiento . ^{[ 5 ] [ 6 ]} En 2022, un equipo de la Universidad de California-Santa Bárbara informó sobre el primer transistor orgánico de modo dual que se comporta tanto en modo de agotamiento como en modo de enriquecimiento. ^{[ 7 ]}