NMOS vs. PMOS: Una comparación completa

Los transistores de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico (MOSFET) se han convertido en componentes fundamentales de los circuitos digitales y analógicos en la electrónica moderna. Los MOSFET se pueden clasificar en dos tipos principales: NMOS (MOSFET de canal N) y PMOS (MOSFET de canal P), Cada tipo presenta propiedades y casos de uso diferentes. Es importante comprender sus diferencias para desarrollar circuitos eficaces, y en la tecnología CMOS (semiconductor complementario de óxido metálico) también se combinan de forma lógica.

Esta guía lo guiará a través de NMOS vs PMOS con sus símbolos, dirección del flujo de corriente, voltajes de umbral, estructura, funcionamiento y aplicaciones.

¿Qué son los transistores NMOS y PMOS?

NMOS (MOSFET de canal N): Una forma de MOSFET, Que contiene material semiconductor tipo n en el canal. Si se aplica la tensión de compuerta, fluye corriente.

PMOS (MOSFET de canal P): Un MOSFET de tipo p o canal p. Conduce en respuesta a una tensión de compuerta negativa (inferior a un umbral).

El efecto del cuerpo

El efecto cuerpo es el efecto de una polarización (inversa) entre la unión de la fuente y el cuerpo (o terminal del sustrato) que produce un cambio en el umbral.

· En NMOS, el voltaje umbral aumenta cuando el cuerpo está a un voltaje más bajo que la fuente.

· Esto significa que si para PMOS, el cuerpo está en un voltaje más alto que la fuente, el voltaje de umbral se vuelve más negativo.

NMOS:

· Fuente y drenaje: Regiones dopadas con N.

· Sustrato (Cuerpo): P-dopado.

· Puerta (G): Controla la formación de canales.

PMOS:

· D (Drenaje) y S (Fuente): Áreas dopadas con P.

· Sustrato (Cuerpo): N-dopado.

· Puerta (G): Formación de información de canales.

NMOS vs. PMOS: Diferencias clave

Diferencias estructurales entre NMOS y PMOS

MOSFETs Los transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, PMOS) se utilizan ampliamente debido a su bajo consumo de energía, mayor salida y velocidad, y se emplean en circuitos digitales y analógicos. Los NMOS (MOSFET de canal N) y los PMOS (MOSFET de canal P) son los dos tipos básicos de MOSFET, y sus diferencias estructurales influyen significativamente en su rendimiento y aplicaciones. Ambos transistores se parecen, ya que constan de fuente, drenador, puerta, capa de óxido y sustrato, pero difieren en los dopantes utilizados en la unión pn y en cómo perciben el flujo de corriente.

Estructura del transistor NMOS

En nuestro ejemplo, se fabrica un transistor NMOS sobre un sustrato tipo p con dos regiones dopadas tipo n que actúan como fuente y drenador. Se coloca una compuerta de polisilicio o metal sobre la región del canal, separada del sustrato por una capa aislante muy fina de dióxido de silicio (SiO₂). La compuerta controla la conductividad del transistor estableciendo un campo eléctrico que afecta el transporte de portadores en el canal.

1. Sustrato y dopaje

· Sustrato: Tipo P (dopado positivamente).

· Fuente y drenaje: tipo N (los dopantes son negativos).

Cuando no se aplica voltaje a la compuerta, esta permanece en estado apagado y no hay una ruta conductora entre la fuente y el drenador. Sin embargo, si se aplica un voltaje positivo al terminal de la compuerta, los electrones de las regiones de fuente y drenador son atraídos al canal. Esto crea una capa de inversión de tipo n, que permite el flujo de corriente del drenador a la fuente. La corriente es función del voltaje V entre la compuerta y la fuente._GS y el voltaje de drenaje a fuente V_DS.

2. Carga portadora y flujo de corriente

· Portador: Electrones (alta movilidad)

· Modo Activo: Drenaje a fuente en estado ENCENDIDO.

3. 'Salidas de control de puerta y voltaje de entrada del marco

· Se enciende cuando: El voltaje de compuerta es positivo con respecto a la fuente (V_GS > V_th)

· Voltaje umbral (V_th): Inferior al PMOS.

Los transistores NMOS utilizan electrones como portadores de carga, que tienen mayor movilidad que los huecos (utilizados por los transistores PMOS). Esta mayor movilidad permite velocidades de conmutación más rápidas, lo que los convierte en ideales para circuitos digitales de alta velocidad. Sin embargo, los transistores NMOS también presentan consumo de energía estática, ya que presentan fugas de corriente cuando están apagados.

4. Eficiencia en el desempeño

· Velocidad de conmutación: Más rápida debido a la movilidad de los electrones.

· Resistencia: Baja, lo que conduce a una mejor eficiencia y menor pérdida de potencia.

5. Colocación en circuitos CMOS

· Utilizado en: Red pull-down (conexión a tierra).

Estructura del transistor PMOS

Los transistores PMOS constan de un sustrato tipo n con dos regiones dopadas tipo p como fuente y drenador. Por ejemplo, al igual que en los NMOS, la compuerta descansa sobre el canal, separado por una fina capa de SiO₂; sin embargo, su funcionamiento es diferente debido a que los huecos son los portadores de carga.

Debido a que un hueco tiene menor movilidad que un electrón, los transistores PMOS son siempre más lentos que los transistores NMOS. Esto conlleva mayores retardos de conmutación, por lo que los PMOS son menos favorables en aplicaciones de alta velocidad. Sin embargo, los transistores PMOS tienen características superiores en estado apagado, ya que consumen menos energía, lo cual es importante en aplicaciones de bajo consumo, como dispositivos alimentados por batería. Además, los transistores PMOS pueden utilizarse en diseños de lógica digital como pull-ups, asegurando que los nodos del circuito estén en un nivel alto cuando deberían estarlo.

1. Sustrato y dopaje

· Sustrato: tipo n (dopado negativamente).

· Sustrato: Tipo P (dopado positivamente).

En ausencia de voltaje de compuerta, el transistor permanece en estado apagado sin canal conductor. Sin embargo, al aplicar un voltaje negativo a la compuerta, este repele los electrones de la región del canal, creando una capa de inversión de tipo p. Esto permite que los huecos migren de la fuente al drenador, permitiendo el flujo de corriente. El transistor PMOS permanecerá encendido mientras el voltaje de compuerta sea menor que el voltaje de la fuente con respecto al voltaje umbral (V)._th).

2. Portadores de carga y flujo de corriente

· Transporte de portadores: Agujeros (baja movilidad)

· Sentido de trabajo: Desde la fuente hasta el desagüe encendemos

3. Controles de compuerta y voltaje de umbral

· Se enciende cuando: el voltaje de la compuerta es negativo que el de la fuente (V_GS} < V_th).

· Voltaje umbral (V_th): Más grande que el NMOS.

4. Eficiencia en el desempeño

· Velocidad de conmutación de polarización: lenta según lo dicte la movilidad del orificio

· Resistencia: Mayor, lo que se traduce en que se disipa más potencia.

5. Colocación en circuitos CMOS

· Utilizado en: Red de dominadas (conectar a Vdd)

Principios de funcionamiento de NMOS y PMOS

Los transistores NMOS y PMOS pueden modelarse como transistores de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico (MOSFET). En ambos casos, su comportamiento está controlado por la tensión en el terminal de compuerta (G), ya sea que esta provoque un flujo de corriente entre los terminales de fuente (S) y drenador (D).

Mecanismo de trabajo del NMOS

1. Estructura y portadores de carga

· El transistor NMOS representa un sustrato de tipo P con regiones de fuente y drenaje de tipo N.

· La mayoría de los portadores de carga son electrones.

2. Estado ON (Modo activo)

· Cuando VGS es negativo con respecto a la fuente y es mayor que el voltaje umbral (V_th), los electrones se atraen entre la fuente y el drenaje, en lo que se llama una "capa de inversión".

· Esto forma un canal conductor que permite que la corriente fluya desde el drenaje hasta la fuente.

3. Estado APAGADO

· No se forma ningún canal conductor cuando V_GS <V_th.

· El transistor permanece apagado y no permite que fluya la corriente.

4. Dirección del flujo de corriente

· Drenaje a fuente cuando el transistor está encendido.

5. Comportamiento clave

· Conmutación rápida debido a la alta movilidad de los electrones.

· Menor resistencia y más eficiente que PMOS.

Mecanismo de funcionamiento de PMOS

1. Estructura y portadores de carga

· El sustrato es de tipo N y la fuente y el drenador del transistor PMOS son de tipo P.

· La mayoría de los portadores de carga son agujeros.

2. Estado ON (Modo activo)

·V_GS Cuando el voltaje de compuerta es negativo con respecto a la fuente, se forma una capa de inversión de agujeros entre la fuente y el drenador.

· Esto forma un canal conductor que permite que la corriente pase de la fuente al drenaje.

3. Estado APAGADO

· Donde V_GS > V_th (El voltaje de la compuerta es alto o 0 V), no se forma un canal conductor.

· Cuando el transistor todavía está apagado, no fluirá corriente.

4. Dirección del flujo de corriente

· Cuando el transistor está encendido, hay una conexión de fuente a drenaje.

5. Comportamiento clave

· Baja movilidad del agujero, lo que resulta en una conmutación más lenta

· Mayor resistencia que NMOS, lo que provoca mayor pérdida de potencia.

NMOS y PMOS: Comparación de principios de funcionamiento

Aplicaciones de los transistores NMOS y PMOS

Estos transistores comparten diferentes aplicaciones según sus propiedades conductoras. Se suelen implementar en circuitos de conmutación y amplificación.

Como interruptores

NMOS como conmutador

· La configuración habitual de los transistores NMOS es un interruptor de lado bajo (tierra).

· Si el voltaje de la compuerta es alto (V_GS > V_th), el interruptor NMOS está encendido y la corriente fluye a través del canal desde el drenaje hasta la fuente.

· Cuando el NMOS está APAGADO (V_th > V_GS), bloqueos del flujo de corriente.

Ventajas:

· Alta movilidad de electrones, lo que conduce a una conmutación más rápida.

· Resistencia de encendido reducida para una mayor eficiencia.

PMOS como conmutador

· Los transistores PMOS se utilizan en la conmutación del lado alto (conectados a la fuente de alimentación).

· PMOS se apaga cuando VGS es mayor que Vth.

Ventajas:

· Se utiliza para cambiar de potencia en dispositivos que funcionan con baterías.

Como amplificadores

NMOS como amplificador

· Amplificadores de fuente común para ganancia de voltaje.

· Funciona variando la corriente de drenaje a través de pequeños cambios en el voltaje de la compuerta.

Ventajas:

· Aplicaciones de RF y alta frecuencia, ya que consigue alta ganancia y alta velocidad.

· Menos distorsión que mejora o degrada la calidad de la señal.

PMOS como amplificador

· Esto es para circuitos analógicos pero es menos común que los amplificadores NMOS.

Ventajas:

· Rendimiento fijo en circuitos analógicos de baja frecuencia.

· Se emplea como diseño de amplificador de baja potencia.

Tecnología CMOS: combinación de NMOS y PMOS

La tecnología CMOS (semiconductor complementario de óxido metálico) es una tecnología de semiconductores predominante en el diseño de circuitos digitales. Es una combinación de NMOS (MOSFET de canal N) y PMOS (MOSFET de canal P), responsable de lograr un bajo consumo de energía, alta velocidad y una mayor eficiencia. Con el paso de los años, la tecnología CMOS se ha convertido en la base de los microprocesadores, chips de memoria y circuitos lógicos modernos, y desempeña un papel vital en casi todos los dispositivos electrónicos del mundo actual.

La principal ventaja del CMOS en comparación con la mayoría de los sistemas CMOS NMOS o PMOS es su baja disipación de potencia. El CMOS solo tiene una potencia considerable durante la conmutación, a diferencia del sistema NMOS, que tiene potencia estática gracias a una resistencia pull-down. Esta propiedad lo hace muy adecuado para dispositivos alimentados por baterías y para circuitos integrados de gran tamaño (LSI).

1. Estructura del CMOS

· Los circuitos CMOS son combinaciones de transistores NMOS y PMOS.

· Los transistores NMOS funcionan como un interruptor pull-down (la salida se conecta a tierra cuando está activa)

· El transistor PMOS es una forma de interruptor pull-up (activo conecta la salida a Vdd)

· Este par actúa de forma complementaria minimizando la disipación de potencia, ya que sólo va a trabajar un transistor.

2. Funcionamiento de las puertas lógicas CMOS

El ejemplo más simple es un inversor CMOS (NO puerta):

· Cuando la entrada es ALTA (1) → NMOS ENCENDIDO, PMOS APAGADO → La salida será BAJA (0)

· Si la entrada es BAJA (0), entonces PMOS se activa, NMOS se desactiva y la salida se vuelve ALTA (1).

Para los circuitos lógicos digitales (puertas AND, OR, XOR, NAND, NOR), esto significa que CMOS es una puerta ideal.

3. Ventajas de CMOS

· Menos consumo de energía: CMOS solo consume energía en la transición, mientras que NMOS o PMOS tienen corriente fluyendo continuamente.

· Menos influenciado por el ruido: Los circuitos CMOS están de hecho menos influenciados por el ruido del sistema, lo que los mantiene estables.

· Velocidad de conmutación rápida: La velocidad lograda en CMOS es mayor que en PMOS ya que NMOS tiene baja resistencia.

· Escalabilidad: La tecnología CMOS se adapta bien al tamaño del transistor, lo que la ha convertido en el componente básico de la fabricación moderna de semiconductores.

CMOS frente a NMOS frente a PMOS

Conclusión

Por lo tanto, es importante conocer las diferencias entre NMOS y PMOS antes de diseñar circuitos electrónicos eficientes y eficaces. NMOS proporciona una conmutación más rápida, mientras que PMOS proporciona lógica complementaria en CMOS. Los circuitos integrados modernos deben consumir poca energía y ofrecer un alto rendimiento.