Los componentes de conmutación de la electrónica de potencia como el BJT, el MOSFET, el IGBT, el SCR, el TRIAC, etc. son dispositivos esenciales utilizados en el diseño de muchos circuitos que van desde un simple circuito conductor hasta complejos rectificadores de potencia e inversores. El más básico de todos ellos es el BJT, y ya hemos aprendido el funcionamiento de los transistores BJT. Junto a los BJT, los interruptores de potencia más utilizados son los MOSFET. En comparación con los BJT, los MOSFET pueden manejar un alto voltaje y una alta corriente, por lo que son populares entre las aplicaciones de alta potencia. En este artículo, aprenderemos los fundamentos del MOSFET, su construcción interna, cómo funciona y cómo utilizarlos en sus diseños de circuitos. Si quieres saltarte la teoría, puedes consultar el artículo sobre los MOSFET más populares y dónde utilizarlos para agilizar tu proceso de selección de piezas y diseño.
¿Qué es un MOSFET?
MOSFET significa Transistor de Efecto de Campo de Óxido Metálico, el MOSFET fue inventado para superar las desventajas presentes en los FETs como la alta resistencia de drenaje, la impedancia de entrada moderada, y el funcionamiento más lento. Por tanto, un MOSFET puede denominarse la forma avanzada de FET. En algunos casos, los MOSFET también se denominan IGFET (Transistor de efecto de campo de puerta aislada). En términos prácticos, el MOSFET es un dispositivo controlado por voltaje, lo que significa que al aplicar un voltaje nominal al pin de la puerta, el MOSFET comenzará a conducir a través del pin de drenaje y de la fuente. Entraremos en detalles más adelante en este artículo.
La principal diferencia entre el FET y el MOSFET es que el MOSFET tiene un electrodo de puerta de óxido metálico aislado eléctricamente del canal n o del canal p del semiconductor principal por una fina capa de dióxido de silicio o de vidrio. El aislamiento de la Puerta de control aumenta la resistencia de entrada del MOSFET extremadamente alta en el valor de los Mega-ohmios (MΩ).
Símbolo de MOSFET
En general, el MOSFET es un dispositivo de cuatro terminales con un Drenaje (D), Fuente (S), puerta (G) y un Cuerpo (B) / terminales de Sustrato. El terminal del cuerpo siempre estará conectado al terminal de la fuente, por lo que el MOSFET funcionará como un dispositivo de tres terminales. En la siguiente imagen, el símbolo del MOSFET de canal N se muestra a la izquierda y el símbolo del MOSFET de canal P se muestra a la derecha.
El encapsulado más utilizado para el MOSFET es el To-220, para una mejor comprensión echemos un vistazo al pinout del famoso MOSFET IRF540N (mostrado abajo). Como puedes ver la puerta, el drenaje y la fuente están listados abajo, recuerda que el orden de estos pines cambiará según el fabricante. Los otros MOSFETs populares son IRFZ44N, BS170, IRF520, 2N7000, etc
MOSFET como interruptor
La aplicación más común de un MOSFET es utilizarlo como interruptor. El siguiente circuito muestra el MOSFET operando como un dispositivo de conmutación para encender y apagar la lámpara. La tensión de entrada de la puerta VGS se aplica con la ayuda de una fuente de tensión de entrada. Cuando la tensión aplicada es positiva, el motor estará en estado ON y si la tensión aplicada es cero o negativa, la lámpara estará en estado OFF.
Cuando se enciende un Mosfet suministrando la tensión necesaria al pin de la puerta, éste permanecerá encendido a menos que suministremos 0V a la puerta. Para evitar este problema, debemos utilizar siempre una resistencia pull-down (R1), aquí he utilizado un valor de 10k. En aplicaciones como el control de la velocidad del motor o la atenuación de la luz, utilizaríamos una señal PWM para la conmutación rápida, durante este escenario la capacitancia de la puerta del MOSFET creará una corriente inversa debido al efecto parásito. Para hacer frente a esto, debemos utilizar un condensador limitador de corriente, he utilizado un valor de 470 aquí.
La carga anterior se considera como una carga resistiva, por lo tanto, el circuito es muy simple, y en caso de que tengamos que utilizar una carga inductiva o capacitiva, tenemos que utilizar algún tipo de protección para evitar que el MOSFET se dañe. Por ejemplo, si utilizamos una carga capacitiva sin carga eléctrica se considera como un cortocircuito, esto dará lugar a un alto «inrush» de la corriente y cuando la tensión aplicada se retira de una carga inductiva, habrá una gran cantidad de acumulación de tensión inversa en el circuito cuando el campo magnético se colapsa, dará lugar a un back-emf inducido en el bobinado del inductor.
Clasificación del MOSFET
El MOSFET se clasifica en dos tipos en función del tipo de operaciones, a saber, MOSFET de modo de mejora (E-MOSFET) y MOSFET de modo de agotamiento (D-MOSFET), estos MOSFET se clasifican además en función del material utilizado para la construcción como canal n y canal p. Así, en general, existen 4 tipos diferentes de MOSFET
- MOSFET de modo de agotamiento de canal N
- MOSFET de modo de agotamiento de canal P
- MOSFET de modo de mejora de canal N
- MOSFET de modo de mejora de canal P
Los MOSFET de canal N se denominan NMOS y se representan con los siguientes símbolos.
De acuerdo con la construcción interna de un MOSFET, los pines de la Puerta (G), el Drenaje (D) y la Fuente (S) están físicamente conectados en un MOSFET de modo de agotamiento, mientras que están físicamente separados en el modo de mejora, esta es la razón por la que el símbolo aparece roto para un MOSFET de modo de mejora. Los MOSFET de canal P se denominan PMOS y se representan con los siguientes símbolos.
De los tipos disponibles, el MOSFET de mejora de canal N es el más utilizado. Pero por el bien del conocimiento vamos a tratar de entrar en la diferencia. La principal diferencia entre el MOSFET de canal N y el MOSFET de canal P es que en un canal N, el interruptor del MOSFET permanecerá abierto hasta que se proporcione una tensión de puerta. Cuando el pin de la puerta recibe la tensión, el interruptor (entre el Drenaje y la Fuente) se cerrará y en el MOSFET de canal P el interruptor permanecerá cerrado hasta que se proporcione una tensión de puerta.
De forma similar, la principal diferencia entre el MOSFET de modo de mejora y el de modo de agotamiento es que la tensión de puerta aplicada al E-MOSFET debe ser siempre positiva y tiene una tensión de umbral por encima de la cual se enciende completamente. Para un D-MOSFET la tensión de puerta puede ser positiva o negativa y nunca se enciende completamente. También hay que tener en cuenta que un D-MOSFET puede trabajar en modo de potenciación y agotamiento, mientras que un E-MOSFET sólo puede trabajar en modo de potenciación.
Construcción del MOSFET
La siguiente imagen muestra la estructura interna típica del MOSFET. Aunque el MOSFET es una forma avanzada de FET y funciona con los mismos tres terminales que un FET, la estructura interna del MOSFET es realmente diferente del FET general.
Si observa la estructura, podrá ver que el terminal de puerta está fijado en la fina capa metálica que está aislada por una capa de dióxido de silicio (SiO2) del semiconductor, y podrá ver dos semiconductores de tipo N fijados en la región del canal donde se colocan los terminales de drenaje y fuente. El canal entre el drenaje y la fuente del MOSFET es de tipo N, mientras que el sustrato es de tipo P. Esto ayuda a polarizar el MOSFET en ambas polaridades, ya sea positiva o negativa. Si el terminal de la puerta del MOSFET no está polarizado, permanecerá en el estado no conductor, por lo que el MOSFET se utiliza principalmente en el diseño de interruptores y puertas lógicas.
Principio de funcionamiento del MOSFET
En general, el MOSFET funciona como un interruptor, el MOSFET controla la tensión y el flujo de corriente entre la fuente y el drenaje. El funcionamiento del MOSFET depende del condensador MOS, que es la superficie semiconductora que se encuentra por debajo de las capas de óxido entre la fuente y el terminal de drenaje. Se puede invertir de tipo p a tipo n, simplemente aplicando una tensión de puerta positiva o negativa respectivamente. La siguiente imagen muestra el diagrama de bloques del MOSFET.
Cuando se conecta una tensión de drenaje-fuente (VDS) entre el drenaje y la fuente, se aplica una tensión positiva al Drenaje, y la tensión negativa a la Fuente. En este caso, la unión PN en el drenaje es de polarización inversa y la unión PN en la fuente es de polarización directa. En esta etapa, no habrá ningún flujo de corriente entre el drenaje y la fuente.
Si aplicamos una tensión positiva (VGG) al terminal de puerta, debido a la atracción electrostática los portadores de carga minoritarios (electrones) en el sustrato P comenzarán a acumularse en el contacto de puerta que forma un puente conductor entre las dos regiones n+. El número de electrones libres acumulados en el contacto de puerta depende de la fuerza de la tensión positiva aplicada. Cuanto mayor sea la tensión aplicada, mayor será la anchura del canal n formado debido a la acumulación de electrones, lo que finalmente aumenta la conductividad y la corriente de drenaje (ID) comenzará a fluir entre la Fuente y el Drenaje.
Cuando no hay tensión aplicada al terminal de puerta, no habrá ningún flujo de corriente, aparte de una pequeña cantidad de corriente debido a los portadores de carga minoritarios. La tensión mínima a la que el MOSFET comienza a conducir se denomina tensión umbral.
Funcionamiento del MOSFET en modo de agotamiento:
Los MOSFET en modo depleción suelen llamarse dispositivos «Switched ON» ya que generalmente se encuentran en estado cerrado cuando no hay tensión de polarización en el terminal de puerta. Cuando aumentamos la tensión aplicada a la puerta en positivo se incrementará la anchura del canal en modo depleción. Esto aumentará la corriente de drenaje ID a través del canal. Si la tensión de puerta aplicada es muy negativa, la anchura del canal será menor y el MOSFET podría entrar en la región de corte.
Características V:
Las características V-I del transistor MOSFET en modo depleción se dibujan entre la tensión drenaje-fuente (VDS) y la corriente de drenaje (ID). La pequeña tensión en el terminal de puerta controlará el flujo de corriente a través del canal. El canal formado entre el drenaje y la fuente actuará como un buen conductor con una tensión de polarización cero en el terminal de puerta. La anchura del canal y la corriente de drenaje aumentarán si se aplica una tensión positiva a la puerta, mientras que disminuirán cuando apliquemos una tensión negativa a la puerta.
Funcionamiento del MOSFET en modo de mejora:
El funcionamiento del MOSFET en modo de mejora es similar al funcionamiento del interruptor abierto, comenzará a conducir sólo si se aplica la tensión positiva (+VGS) al terminal de puerta y la corriente de drenaje comienza a fluir a través del dispositivo. La anchura del canal y la corriente de drenaje aumentarán cuando se incremente la tensión de polarización. Pero si la tensión de polarización aplicada es nula o negativa, el transistor permanecerá en el propio estado OFF.
Características VI:
Las características VI del MOSFET en modo de mejora se dibujan entre la corriente de drenaje (ID) y la tensión drenaje-fuente (VDS). Las características VI se dividen en tres regiones diferentes, a saber, las regiones óhmica, de saturación y de corte. La región de corte es la región en la que el MOSFET se encuentra en estado OFF cuando la tensión de polarización aplicada es cero. Cuando se aplica la tensión de polarización, el MOSFET se mueve lentamente hacia el modo de conducción, y el lento aumento de la conductividad tiene lugar en la región óhmica. Por último, la región de saturación es aquella en la que la tensión positiva se aplica constantemente y el MOSFET permanecerá en el estado de conducción.
Paquetes de MOSFET
Los MOSFET están disponibles en diferentes paquetes, tamaños y nombres para su uso en diferentes tipos de aplicaciones. En general, los MOSFET se suministran en 4 paquetes diferentes, a saber, montaje en superficie, Thru-Hole, PQFN y DirectFET
Los MOSFET están disponibles con un nombre diferente en cada tipo de paquete como sigue:
Montaje en superficie: TO-263, TO-252, MO-187, SO-8, SOT-223, SOT-23, TSOP-6, etc.
Thru-Hole: TO-262, TO-251, TO-274, TO-220, TO-247, etc.
PQFN: PQFN 2×2, PQFN 3×3, PQFN 3.3×3.3, PQFN 5×4, PQFN 5×6, etc.
DirectFET : DirectFET M4, DirectFET MA, DirectFET MD, DirectFET ME, DirectFET S1, DirectFET SH, etc.