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Bases de la construcción de puertas lógicas con CMOS

En este artículo, una vez explicado el efecto del dopado en los seminconductores (al menos en sus versiones más simples: P, N y unión PN),  me gustaría retomar el argumento de las bases de electrónica digital.

Como vimos en mi artículo “Introducción a la electrónica basada en semiconductores”, uno de los componentes más comunes construidos en electrónica son los transistores, especialmente los MOSFET. Dichos transistores, como vimos, tienen la propiedad de poder ser usados como interruptores controlados por tensión. También vimos, aunque no muy en detalle, que hay dos tipos: de canal N y de canal P.

En la siguiente imagen mostramos un MOSFET de canal N:

Tiene la propiedad de conducir (entre fuente [o source, en adelante S] y drenador [o drain, D]) si la diferencia de tensión entre puerta (o gate, G) y el sustrato (o body,  B) es positiva y superior a un determinado valor. Será aislante en caso contrario.  Es importante hacer notar que para que funcione correctamente, la tensión de B debe ser la más baja que pueda haber en el circuito, ya que de no ser así, podría producirse conducción entre B y S y/o D, ya que según la tensión en dichos terminales, estas uniones podrían comportarse como uniones PN en polarización directa. Su símbolo es el siguiente:

En la siguiente imagen mostramos un MOSFET de canal P:

Como podemos imaginar, tiene la propiedad de comportarse “a la inversa” del de canal N. Conduce entre S y D si la diferencia de tensión entre B y G es positiva y superior a un determinado valor. Será aislante en caso contrario. Es, así mismo, importante hacer notar que para que funcione correctamente, “a la inversa” del caso anterior, la tensión de B debe ser la más alta que pueda haber en el circuito, ya que de no ser así, podría producirse conducción entre B y S y/o D, ya que según la tensión en dichos terminales, estas uniones podrían comportarse como uniones PN en polarización directa. Su símbolo es el siguiente:

En general, el terminal B no suele dibujarse, ya que se sobreentiende que está siempre conectado a la tensión de alimentación del circuito (tensión más alta posible) o a tierra (tensión más baja posible).

Sólo con estos dos componentes es posible realizar cualquier puerta lógica que deseemos. Veremos en este artículo la más sencilla: el inversor. Dejaremos para futuros artículos la realización de otras puertas lógicas más complejas.

El inversor se compone de un MOSFET de canal N y uno de canal P conectados como se muestra a continuación:

Así, si la tensión a la entrada del inversor es alta (asociada al valor lógico 1), el MOSFET de canal P se comportará como un aislante y el de canal N como un conductor, haciendo que el terminal de salida tenga una tensión de tierra. Es decir, dará un 0.

Por el contrario, si la tensión a la entrada del inversor es baja (asociada al valor lógico 0), se producirá justo el efecto contario, dando a la salida la tensión de alimentación ó 1.

Más información| Familias lógicas; Fundamentos de la Lógica Digital

Imagen|Transistores MOS (N y P) y símbolos; Inversor; Funcionamiento Inversor

En QAH | Introducción a la electrónica basada en semiconductores; Introducción a las uniones PN en semiconductores

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