{"id":2133,"date":"2012-11-15T11:28:17","date_gmt":"2012-11-15T10:28:17","guid":{"rendered":"http:\/\/www.diarioelectronicohoy.com\/blog\/?p=2133"},"modified":"2019-11-16T11:36:37","modified_gmt":"2019-11-16T10:36:37","slug":"el-transistor-mosfet","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.diarioelectronicohoy.com\/blog\/el-transistor-mosfet","title":{"rendered":"El Transistor MOSFET"},"content":{"rendered":"

Introducci\u00f3n.<\/span><\/strong><\/h2>\n

Los problemas que vienen presentando los transistores bipolares o BJT, como son la corriente que soportan y la dependencia de la temperatura a la que se ven sometidos, unas veces por su emplazamiento, otras por un mal trazado y la mas evidente, el efecto llamado de avalancha. Estas evidencias, han llevado a que se sustituyan por otros transistores m\u00e1s avanzados, hasta la llegada de los MOSFET.<\/p>\n

Las ventajas que presentan este tipo de transistor, han llevado a que ocupen un lugar importante dentro de la industria, desplazando a los viejos BJT a otros fines. Los MOSFET de potencia son muy populares para aplicaciones de baja tensi\u00f3n, baja potencia y conmutaci\u00f3n resistiva en altas frecuencias, como fuentes de alimentaci\u00f3n conmutadas, motores sin escobillas y aplicaciones como rob\u00f3tica, CNC y electrodom\u00e9sticos.<\/p>\n

La mayor\u00eda de sistemas como l\u00e1mparas, motores, drivers de estado s\u00f3lido, electrodom\u00e9sticos, etc. utilizan dispositivos de control, los cuales controlan el flujo de energ\u00eda que se transfiere a la carga. Estos dispositivos logran alta eficiencia variando su ciclo de trabajo para regular la tensi\u00f3n de salida. Para realizar la parte de conmutaci\u00f3n, existen varios dispositivos semiconductores, a continuaci\u00f3n se muestra una tabla con algunos de ellos.<\/p>\n

La siguiente es una tabla comparativa de las diversas capacidades entre potencia y velocidad de conmutaci\u00f3n de los tipos de dispositivos.<\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

Los transistores MOSFET.<\/strong><\/span><\/h2>\n

Vamos a estudiar un transistor cuyo funcionamiento no se basa en uniones PN, como el transistor bipolar, ya que en \u00e9ste, el movimiento de carga se produce exclusivamente por la existencia de campos el\u00e9ctricos en el interior del dispositivo. Este tipo de transistores se conocen como, efecto de campo JFET (del ingl\u00e9s, Juntion Field Effect Transistor<\/em>).<\/p>\n

El transistor MOSFET, como veremos, est\u00e1 basado en la estructura MOS. En los MOSFET de enriquecimiento<\/em>, una diferencia de tensi\u00f3n entre el electrodo de la Puerta y el substrato induce un canal conductor entre los contactos de Drenador y Surtidor, gracias al efecto de campo. El t\u00e9rmino enriquecimiento<\/em> hace referencia al incremento de la conductividad el\u00e9ctrica debido a un aumento de la cantidad de portadores de carga en la regi\u00f3n correspondiente al canal, que tambi\u00e9n es conocida como la zona de inversi\u00f3n<\/em>.<\/p>\n

La estructura MOS.<\/span><\/strong><\/h2>\n

La estructura MOS esta compuesta de dos terminales y tres capas: Un Substrato de silicio, puro o poco dopado p<\/em> o n<\/em>, sobre el cual se genera una capa de Oxido de Silicio<\/em> (SiO2<\/sub>) que, posee caracter\u00edsticas diel\u00e9ctricas o aislantes, lo que presenta una alta impedancia de entrada. Por \u00faltimo, sobre esta capa, se coloca una capa de Metal<\/em> (Aluminio o polisilicio), que posee caracter\u00edsticas conductoras. En la parte inferior se coloca un contacto \u00f3hmico, en contacto con la capsula, como se ve en la figura.<\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

La estructura MOS, act\u00faa como un condensador de placas paralelas en el que G y B son las placas y el \u00f3xido, el aislante. De este modo, cuando VGB<\/sub>=0, la carga acumulada es cero y la distribuci\u00f3n de portadores es aleatoria y se corresponde al estado de equilibrio en el semiconductor.<\/p>\n

Cuando VGB<\/sub>>0, aparece un campo el\u00e9ctrico entre los terminales de Puerta y substrato. La regi\u00f3n semiconductora p<\/em> responde creando una regi\u00f3n de empobrecimiento de cargas libres p+<\/sup><\/em> (zona de deplexi\u00f3n), al igual que ocurriera en la regi\u00f3n P<\/em> de una uni\u00f3n PN<\/em> cuando estaba polarizada negativamente. Esta regi\u00f3n de iones negativos, se incrementa con VGB<\/sub>.<\/p>\n

Al llegar a la regi\u00f3n de VGB<\/sub>, los iones presentes en la zona semiconductora de empobrecimiento, no pueden compensar el campo el\u00e9ctrico y se provoca la acumulaci\u00f3n de cargas negativas libres (e–<\/sup><\/em>) atra\u00eddos por el terminal positivo. Se dice entonces que la estructura ha pasado de estar en inversi\u00f3n d\u00e9bil<\/em><\/strong> a inversi\u00f3n fuerte<\/em><\/strong>.<\/p>\n

El proceso de inversi\u00f3n se identifica con el cambio de polaridad del substrato, debajo de la regi\u00f3n de Puerta. En inversi\u00f3n fuerte<\/em>, se forma as\u00ed un CANAL<\/em> de e–<\/sup><\/em> libres, en las proximidades del terminal de Puerta (Gate) y de huecos p+<\/sup><\/em> en el extremo de la Puerta.<\/p>\n

La intensidad de Puerta IG<\/sub>, es cero puesto que, en continua se comporta como un condensador (GB). Por lo tanto, podemos decir que, la impedancia desde la Puerta al substrato es pr\u00e1cticamente infinita<\/strong> e IG<\/sub>=0 siempre en est\u00e1tica. B\u00e1sicamente, la estructura MOS permite crear una densidad de portadores libres suficiente para sustentar una corriente el\u00e9ctrica.<\/p>\n

MOSFET de enriquecimiento de CANAL N.<\/span><\/strong><\/h2>\n

Bajo el terminal de Puerta existe una capa de \u00f3xido (SiO2<\/sub>) que impide pr\u00e1cticamente el paso de corriente a su trav\u00e9s; por lo que, el control de puerta se establece en forma de tensi\u00f3n. La calidad y estabilidad con que es posible fabricar estas finas capas de \u00f3xido es la principal causa del \u00e9xito alcanzado con este transistor, siendo actualmente el dispositivo m\u00e1s utilizado.<\/p>\n

Adem\u00e1s, este transistor ocupa un menor volumen que el BJT, lo que permite una mayor densidad de integraci\u00f3n. Comencemos con la estructura b\u00e1sica del MOSFET, seguido de sus s\u00edmbolos.<\/p>\n

Se trata de una estructura MOS, de cuatro terminales, en la que el substrato semiconductor es de tipo p<\/em> poco dopado. A ambos lados de la interfase Oxido-Semiconductor<\/em> se han practicado difusiones de material n<\/em>, fuertemente dopado (n+<\/sup><\/em>).<\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

Cuando se aplica una tensi\u00f3n positiva al terminal de puerta de un MOSFET de tipo N, se crea un campo el\u00e9ctrico bajo la capa de \u00f3xido que incide perpendicularmente sobre la superficie del semiconductor P. Este campo, atrae a los electrones<\/strong> hacia la superficie, bajo la capa de \u00f3xido, repeliendo los huecos hacia el sustrato. Si el campo el\u00e9ctrico es muy intenso se logra crear en dicha superficie una regi\u00f3n muy rica en electrones, denominada canal N, que permite el paso de corriente de la Fuente al Drenador. Cuanto mayor sea la tensi\u00f3n de Puerta (Gate<\/em>) mayor ser\u00e1 el campo el\u00e9ctrico y, por tanto, la carga en el canal. Una vez creado el canal, la corriente se origina, aplicando una tensi\u00f3n positiva en el Drenador (Drain<\/em>) respecto a la tensi\u00f3n de la Fuente (Source<\/em>).<\/p>\n

En un MOSFET tipo P, el funcionamiento es a la inversa, ya que los portadores son huecos (cargas de valor positivas, el m\u00f3dulo de la carga del electr\u00f3n). En este caso, para que exista conducci\u00f3n el campo el\u00e9ctrico perpendicular a la superficie debe tener sentido opuesto al del MOSFET tipo N, por lo que la tensi\u00f3n aplicada ha de ser negativa. Ahora, los huecos<\/strong> son atra\u00eddos hacia la superficie bajo la capa de \u00f3xido, y los electrones repelidos hacia el sustrato. Si la superficie es muy rica en huecos se forma el canal P. Cuanto m\u00e1s negativa sea la tensi\u00f3n de puerta mayor puede ser la corriente (m\u00e1s huecos en el canal P), corriente que se establece al aplicar al terminal de Drenador una tensi\u00f3n negativa respecto al terminal de Fuente. La corriente tiene sentido opuesto a la de un MOSFET tipo N.<\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

\"\"<\/a>\"\"<\/a>Si con tensi\u00f3n de Puerta nula no existe canal, el transistor se denomina de acumulaci\u00f3n; y de vaciamiento en caso contrario. Mientras que la tensi\u00f3n de Puerta a partir de la cual se produce canal, se conoce como tensi\u00f3n umbral, VT<\/sub>. El terminal de sustrato sirve para controlar la tensi\u00f3n umbral del transistor, y normalmente su tensi\u00f3n es la misma que la de la Fuente.<\/p>\n

El transistor MOS es sim\u00e9trico: los terminales de Fuente y Drenador son intercambiables entre s\u00ed. En el MOSFET tipo N el terminal de mayor tensi\u00f3n act\u00faa de Drenador (recoge los electrones), siendo el de menor tensi\u00f3n en el tipo P (recoge los huecos). A modo de resumen, la figura anterior, muestra el funcionamiento de un transistor MOS tipo N de enriquecimiento.<\/p>\n

El s\u00edmbolo m\u00e1s utilizado para su representaci\u00f3n a nivel de circuito se muestra en la figura siguiente. La flecha entre el terminal de Fuente y Gate, nos informa sobre el sentido de la corriente.<\/p>\n

\"\"<\/a>En la estructura MOS de la siguiente figura, aparecen diversas fuentes de tensi\u00f3n polarizando los distintos terminales: VGS<\/sub>, VDS<\/sub>. Los terminales de substrato (B) y Fuente (S) se han conectado a GND. De este modo, VSB<\/sub>=0 (tensi\u00f3n Surtidor-sustrato=0) , se dice que no existe efecto substrato<\/em>.<\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

Seg\u00fan los valores que tome la tensi\u00f3n VGS<\/sub>, se pueden considerar tres casos:<\/p>\n

1)<\/strong> VGS<\/sub>=0. Esta condici\u00f3n implica que VGS<\/sub>=0, puesto que VSB<\/sub>=0. En estas condiciones, no existe efecto campo y no se crea el canal de e–<\/sup><\/em>, debajo de la Puerta. Las dos estructuras PN se encuentran cortadas (B al terminal m\u00e1s negativo) y aisladas. IDS<\/sub>=0 aproximadamente, pues se alimenta de las intensidades inversas de saturaci\u00f3n.<\/p>\n

2)<\/strong> La tensi\u00f3n VGS<\/sub>>0, se crea la zona de empobrecimiento o deplexi\u00f3n en el canal. Se genera una carga el\u00e9ctrica negativa e–<\/sup><\/em> en el canal, debido a los iones negativos de la red cristalina (similar al de una uni\u00f3n PN polarizada en la regi\u00f3n inversa), dando lugar a la situaci\u00f3n de inversi\u00f3n d\u00e9bil<\/em><\/strong> anteriormente citada. La aplicaci\u00f3n de un campo el\u00e9ctrico lateral VDS<\/sub>>0, no puede generar corriente el\u00e9ctrica IDS<\/sub>.<\/p>\n

3)<\/strong> La tensi\u00f3n VGS<\/sub>>>0, da lugar a la inversi\u00f3n del canal y genera una poblaci\u00f3n de e–<\/sup><\/em> libres, debajo del oxido de Puerta y p+<\/sup><\/em> al fondo del substrato. Se forma el CANAL N o canal de electrones, entre el Drenador y la Fuente (tipo n+<\/sup><\/em>) que, modifica las caracter\u00edstica el\u00e9ctricas originales del sustrato. Estos electrones, son cargas libres, de modo que, en presencia de un campo el\u00e9ctrico lateral, podr\u00edan verse acelerados hacia Drenador o Surtidor. Sin embargo, existe un valor m\u00ednimo de VGS<\/sub> para que el n\u00famero de electrones, sea suficiente para alimentar esa corriente, es VT<\/sub>, denominada TENSI\u00d3N UMBRAL<\/strong> (en algunos tratados se denomina VTH<\/sub>).<\/p>\n

Por lo tanto, se pueden diferenciar dos zonas de operaci\u00f3n para valores de VGS<\/sub> positivos:<\/p>\n

– Si VGS<\/sub>< VT<\/sub><\/strong> la intensidad IDS<\/sub>=0 (en realidad s\u00f3lo es aproximadamente cero) y decimos que el transistor opera en inversi\u00f3n d\u00e9bil<\/em><\/strong>. En ella, las corrientes son muy peque\u00f1as y su utilizaci\u00f3n se enmarca en contextos de muy bajo consumo de potencia. Se considerar\u00e1 que la corriente es siempre cero. De otro lado;<\/p>\n

– Si VGS<\/sub>>=VT<\/sub><\/strong>, entonces IDS<\/sub> es distinto de cero, si VDS<\/sub> es no nulo. Se dice que el transistor opera en inversi\u00f3n fuerte<\/em><\/strong>.<\/p>\n

Cuanto mayor sea el valor de VGS<\/sub>, mayor ser\u00e1 la concentraci\u00f3n de cargas libres en el canal y por tanto, ser\u00e1 superior la corriente IDS<\/sub>.<\/p>\n

Regiones de operaci\u00f3n.<\/span><\/strong><\/h2>\n

Cuando ya existe canal inducido y VDS<\/sub> va aumentando, el canal se contrae en el lado del Drenador, ya que la diferencia de potencial Puerta-canal es en ese punto, m\u00e1s baja y la zona de transici\u00f3n m\u00e1s ancha. Es decir, siempre que exista canal estaremos en regi\u00f3n \u00f3hmica<\/em><\/strong> y el dispositivo presentar\u00e1 baja resistencia.<\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

La operaci\u00f3n de un transistor MOSFET se puede dividir en tres regiones de operaci\u00f3n diferentes, dependiendo de las tensiones en sus terminales. Para un transistor MOSFET N de enriquecimiento se tienen las siguientes regiones: regi\u00f3n de corte<\/em><\/strong>, regi\u00f3n \u00f3hmica<\/em><\/strong> y regi\u00f3n de saturaci\u00f3n<\/em><\/strong>.<\/p>\n

Regi\u00f3n de corte.<\/span><\/strong><\/h2>\n

El transistor estar\u00e1 en esta regi\u00f3n, cuando VGS<\/sub> < Vt<\/sub><\/strong>. En estas condiciones el transistor MOSFET, equivale el\u00e9ctricamente a un circuito abierto, entre los terminales del Drenador-Surtidor. De acuerdo con el modelo b\u00e1sico del transistor, en esta regi\u00f3n, el dispositivo se encuentra apagado. No hay conducci\u00f3n entre Drenador y Surtidor, de modo que el MOSFET se comporta como un interruptor abierto.<\/p>\n

Regi\u00f3n \u00f3hmica.<\/span><\/strong><\/h2>\n

Cuando un MOSFET est\u00e1 polarizado en la regi\u00f3n \u00f3hmica<\/em>, el valor de RDS(on)<\/sub> viene dado por la expresi\u00f3n:<\/p>\n

VDS(on)<\/sub> = ID(on)<\/sub> x RDS(on)<\/sub><\/strong><\/p>\n

En casi todas las hojas de datos, asocian el valor de RDS(on)<\/sub> a una corriente de Drenaje (ID<\/sub>) espec\u00edfica y el voltaje Puerta-Surtidor.<\/p>\n

Por ejemplo, si VDS(on)<\/sub>=1V y ID(on)<\/sub>=100mA = 0’1 A; entonces,<\/p>\n

Rds(on)=\u00a0\u00a0 \u00a01V\u00a0 \u00a0<\/span> \u00a0= 10 Ohms
\n100mA<\/p><\/blockquote>\n

As\u00ed mismo, el transistor estar\u00e1 en la regi\u00f3n \u00f3hmica<\/em>, cuando VGS<\/sub> > Vt<\/sub> y VDS<\/sub> < ( VGS<\/sub> \u2013 Vt<\/sub> )<\/strong>.<\/p>\n

El MOSFET equivale a una resistencia variable conectada entre el Drenador y Surtidor. El valor de esta resistencia var\u00eda dependiendo del valor que tenga la tensi\u00f3n entre la Puerta y el Surtidor (VGS<\/sub>).<\/p>\n

Regi\u00f3n de Saturaci\u00f3n.<\/span><\/strong><\/h2>\n

El transistor MOSFET entra en esta zona de funcionamiento cuando la tensi\u00f3n entre el Drenador y el Surtidor (VDS<\/sub>) supera un valor fijo denominado tensi\u00f3n de saturaci\u00f3n (Vds sat<\/sub>) Drenador-Surtidor<\/em>; este valor viene determinado en las hojas caracter\u00edsticas proporcionadas por el fabricante. En esta zona, el MOSFET mantiene constante su corriente de Drenador (ID<\/sub>), independientemente del valor de tensi\u00f3n que haya entre el Drenador y el Surtidor (VDS<\/sub>). Por lo tanto, el transistor equivale a un generador de corriente continua de valor ID<\/sub>.<\/p>\n

Es decir; el MOSFET estar\u00e1 en esta regi\u00f3n, cuando VGS<\/sub> > Vt<\/sub><\/strong> y VDS<\/sub> > ( VGS<\/sub> \u2013 Vt<\/sub> )<\/strong>.<\/p>\n

O sea, estaremos en la regi\u00f3n de saturaci\u00f3n cuando el canal se interrumpe o estrangula, lo que sucede cuando:<\/p>\n

VDS<\/sub> \u2265<\/span> VGS<\/sub> – VT<\/sub> \u2192<\/span> Regi\u00f3n de saturaci\u00f3n<\/em><\/strong><\/p><\/blockquote>\n

Cuando la tensi\u00f3n entre Drenador y Fuente supera cierto l\u00edmite, el canal de conducci\u00f3n, bajo la Puerta sufre un estrangulamiento en las cercan\u00edas del Drenador y desaparece. La corriente entre Fuente y Drenador no se interrumpe, es debido al campo el\u00e9ctrico entre ambos, pero se hace independiente de la diferencia de potencial entre ambos terminales.<\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

En la figura anterior, la parte casi vertical corresponde a la zona \u00f3hmica, y la parte casi horizontal corresponde a la zona activa. El MOSFET de enriquecimiento, puede funcionar en cualquiera de ellas. En otras palabras, puede actuar como una resistencia o como una fuente de corriente. El uso principal est\u00e1 en la zona \u00f3hmica.<\/p>\n

Regi\u00f3n de Ruptura.<\/span><\/strong><\/h2>\n

Esta zona apenas se utiliza porque el transistor MOSFET pierde sus propiedades semiconductoras y se puede llegar a romper el componente f\u00edsico. La palabra ruptura hace referencia a que se rompe la uni\u00f3n semiconductora de la parte del terminal del drenador.<\/p>\n

Los transistores unipolares est\u00e1n limitados en tres magnitudes el\u00e9ctricas:<\/p>\n

–En tensi\u00f3n<\/strong>: no se puede superar el valor m\u00e1ximo de
\ntensi\u00f3n entre la puerta y el surtidor. Este valor se
\ndenomina BVgs. Tampoco se puede superar un valor
\nm\u00e1ximo de tensi\u00f3n entre el drenador y el surtidor
\ndenominado BVds.
\n–En corriente<\/strong>: no se puede superar un valor de corriente
\npor el drenador, conocido como Idmax.
\n–En potencia<\/strong>: este l\u00edmite viene marcado por Pdmax, y es
\nla m\u00e1xima potencia que puede disipar el componente.<\/p><\/blockquote>\n

Resumiendo:<\/span><\/strong><\/h2>\n

M\u00e1xima Tensi\u00f3n Puerta-Fuente.<\/strong> La delgada capa de di\u00f3xido de silicio en el MOSFET funciona como aislante, el cual, impide el paso de corriente de Puerta, tanto para tensiones de Puerta negativas como positivas. Muchos MOSFET est\u00e1n protegidos con diodos zener internos, en paralelo con la Puerta y la Fuente. La tensi\u00f3n del zener, es menor que la tensi\u00f3n Puerta-Fuente que soporta el MOSFET VGS(Max)<\/sub>.<\/p>\n

Zona \u00d3hmica.<\/strong> El MOSFET es un dispositivo de conmutaci\u00f3n, por lo que evitaremos, en lo posible, polarizarlo en la zona activa. La tensi\u00f3n de entrada t\u00edpica tomar\u00e1 un valor bajo o alto. La tensi\u00f3n baja es 0 V, y la tensi\u00f3n alta es VGS(on)<\/sub>, especificado en hojas de caracter\u00edsticas.<\/p>\n

Drenador-Fuente en resistencia.<\/strong> Cuando un MOSFET de enriquecimiento se polariza en la zona activa, es equivalente a una resistencia de RDS(on)<\/sub>, especificada en hojas de caracter\u00edsticas. En la curva caracter\u00edstica existe un punto Qtest<\/sub> en la zona \u00f3hmica. En este punto, ID(on)<\/sub> y VDS(on)<\/sub> est\u00e1n determinados, con los cuales se calcula RDS(on)<\/sub>.<\/p>\n

Capacidades par\u00e1sitas.<\/span><\/strong><\/h2>\n

Al igual que en los transistores bipolares, la existencia de condensadores par\u00e1sitos en la estructura MOS origina el retraso en la respuesta del mismo, cuando es excitado por una se\u00f1al de tensi\u00f3n o intensidad externa. La carga\/descarga de los condensadores par\u00e1sitos, requiere un determinado tiempo, que determina la capacidad de respuesta de los MOSFET a una excitaci\u00f3n. En la estructura y funcionamiento de estos transistores se localizan dos grupos de capacidades:<\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

1) Las capacidades asociadas a las uniones PN de las
\n\u00e1reas de Drenador y Fuente. Son no lineales con las
\ntensiones de las uniones. Se denominan Capacidades
\nde Uni\u00f3n.<\/p>\n

2) Las capacidades relacionadas con la estructura MOS.
\nEst\u00e1n asociadas principalmente a la carga del canal
\n(iones o cargas libres) y var\u00edan notoriamente en
\nfunci\u00f3n de la regi\u00f3n de operaci\u00f3n del transistor, de
\nmodo que, en general, no es posible considerar un
\nvalor constante de las mismas. Se denominan
\nCapacidades de Puerta.<\/p><\/blockquote>\n

De ellas, las capacidades de Puerta suelen ser las m\u00e1s significativas y dentro de ellas, la capacidad de Puerta-Fuente CGS<\/sub><\/strong> y de Drenador-Fuente, CDS<\/sub><\/strong> son en general, las dominantes.<\/p>\n

En la siguiente figura, se muestran las curvas de entrada y salida de un transistor MOSFET N con Vt<\/sub>= 2V conectado en Fuente com\u00fan (SC), es decir, el terminal de Fuente, es com\u00fan la se\u00f1al de entrada VGS<\/sub> y las se\u00f1ales de salida ID<\/sub> y VDS<\/sub>.<\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

Estas curvas de salida, se obtienen al representar las variaciones de ID<\/sub> al aumentar VDS<\/sub>, para diferentes valores de VGS<\/sub>, es decir, ID<\/sub>=\u0192<\/span>(Vds)VGS=cte.<\/sub><\/p>\n

La curva m\u00e1s baja es la curva de VGS(T)<\/sub>. Cuando VGS<\/sub> es menor que VGS(T)<\/sub>, la corriente de Drenador es extremadamente peque\u00f1a. Cuando VGS<\/sub> es mayor que VGS(T)<\/sub>, fluye una considerable corriente, cuyo valor depende de VGS<\/sub>.<\/p>\n

Si VGS<\/sub>\u2264<\/span>VT<\/sub>, el transistor MOSFET, estar\u00e1 en la regi\u00f3n de corte<\/em><\/strong> y la corriente ID<\/sub>=0.<\/p>\n

Si VGS<\/sub>\u2265<\/span>VT<\/sub>, el transistor MOSFET, estar\u00e1 en la regi\u00f3n de conducci\u00f3n<\/em><\/strong> y se pueden dar dos casos:<\/p>\n

\u00a0 a) Si VDS<\/sub>\u2265<\/span>VGS<\/sub>-VT<\/sub>, el transistor MOSFET, estar\u00e1 en la regi\u00f3n de saturaci\u00f3n<\/em><\/strong> y la corriente ser\u00e1 constante para un valor determinado de VGS<\/sub>. La curva de transferencia de la figura que representa ID<\/sub>=\u0192<\/span>(VDS<\/sub>)VGS=cte.<\/sub>, se obtiene a partir de las curvas de salida para una tensi\u00f3n VDS<\/sub> constante que sit\u00fae al transistor en saturaci\u00f3n. Se observa que aproximadamente corresponde a la curva de una par\u00e1bola con v\u00e9rtice en VT<\/sub> y por tanto, la corriente puede determinarse de forma aproximada por:<\/p>\n

ID<\/sub>=k<\/em>(VGS<\/sub>-VT<\/sub>2<\/sup><\/p><\/blockquote>\n

donde k es el par\u00e1metro de transconductancia<\/em><\/strong> del MOSFET N y se mide en mA\/V2<\/sup>.<\/p>\n

\u00a0b) Si VDS<\/sub>\u2264<\/span>VGS<\/sub>-VT<\/sub>, el transistor MOSFET, estar\u00e1 en la regi\u00f3n \u00f3hmica<\/em><\/strong> de forma que, al aumentar VDS<\/sub>, tambi\u00e9n lo har\u00e1n la corriente y la resistencia del canal. El comportamiento del transistor puede asociarse a la resistencia que presenta el canal entre Drenador y Fuente.<\/p>\n

EL MOSFET COMO INVERSOR.<\/span><\/strong><\/h2>\n

El funcionamiento del transistor MOSFET en conmutaci\u00f3n implica que la tensi\u00f3n de entrada y salida del circuito posee una excursi\u00f3n de tensi\u00f3n, elevada (de 0 a VDD<\/sub>) entre los niveles l\u00f3gicos alto H (asociada a la tensi\u00f3n VDD<\/sub>) y bajo L (asociada a la tensi\u00f3n 0). Para el nivel bajo, se persigue que VGS<\/sub> > Vt<\/sub> y que el transistor se encuentre trabajando en la regi\u00f3n \u00f3hmica<\/em>, con lo cual VDS<\/sub> << 1. Mientras que para en el nivel alto, se persigue que la tensi\u00f3n de salida sea elevada, y en general, que el transistor est\u00e9 funcionando en la regi\u00f3n de corte<\/em>, con VDS<\/sub> >> 1. Se puede considerar que, el transistor MOSFET es capaz de funcionar como un interruptor.<\/p>\n

El funcionamiento como inversor del transistor MOSFET N se basa en sus caracter\u00edsticas en conmutaci\u00f3n: pasando de la regi\u00f3n de corte<\/em> a la regi\u00f3n \u00f3hmica<\/em>.<\/p>\n

El transistor MOSFET en conmutaci\u00f3n, basado en un interruptor con resistencia de Drenador, es fundamental en circuitos digitales, puesto que la conmutaci\u00f3n de corte a saturaci\u00f3n y viceversa, implica unos tiempos de retardo de gran importancia en estos sistemas.<\/p>\n

Inversor con carga pasiva. La palabra pasiva se refiere a una resistencia normal como RD<\/sub>. En este circuito Vin<\/sub> puede ser alta o baja.<\/p>\n

Cuando Vin<\/sub> esta en nivel bajo, el MOSFET esta en corte y Vout<\/sub> es igual a la tensi\u00f3n de alimentaci\u00f3n. Cuando Vin<\/sub> esta en nivel alto, el MOSFET esta en conducci\u00f3n y Vout<\/sub> cae a un nivel bajo. Para que este circuito funcione la corriente de saturaci\u00f3n ID(sat)<\/sub> tiene que ser menor que ID(on)<\/sub>.<\/p>\n

RDS(on)<\/sub><< RD<\/sub><\/strong><\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

Se denomina inversor, por que la tensi\u00f3n de salida, es de nivel opuesto a la tensi\u00f3n de entrada. Lo \u00fanico que se requiere en los circuitos de conmutaci\u00f3n, es que las tensiones de entrada y de salida se puedan reconocer f\u00e1cilmente, ya sea en nivel alto o bajo.<\/p>\n

El MOSFET como interruptor.<\/span><\/strong><\/h3>\n

Sabemos que si en un MOSFET la tensi\u00f3n entre la Puerta y la Fuente es menor que la tensi\u00f3n umbral, VGS<\/sub><VT<\/sub>, el transistor est\u00e1 cortado. Es decir, entre los terminales de Fuente y Drenador, la corriente es nula, ya que existe un circuito abierto. Sin embargo, cuando VGS<\/sub> es mayor que VT<\/sub> se crea el canal, y el transistor entra en conducci\u00f3n. Cuanto mayor es la tensi\u00f3n de puerta menor es la resistencia del canal, y \u00e9sta puede llegar a aproximarse a un cortocircuito. As\u00ed, el MOSFET es capaz de funcionar como un interruptor.<\/p>\n

El MOSFET como interruptor se emplea frecuentemente en electr\u00f3nica digital, para transmitir o no, los estados l\u00f3gicos a trav\u00e9s de un circuito. Existe, sin embargo, una peque\u00f1a dificultad: cuando el MOSFET tipo N act\u00faa como cortocircuito es capaz de transmitir las tensiones bajas; sin embargo las tensiones altas se ven disminuidas en una cantidad igual al valor de la tensi\u00f3n umbral.<\/p>\n

Para que exista el canal bajo la puerta, la tensi\u00f3n en \u00e9sta ha de ser VH<\/sub> (VH<\/sub> > VT<\/sub>). Al transmitir VH<\/sub>, el terminal de la izquierda act\u00faa como Drenador, ya que est\u00e1 a una tensi\u00f3n m\u00e1s alta, y el de la derecha como Fuente. A medida que la tensi\u00f3n en el terminal de Fuente aumenta, la tensi\u00f3n entre la Puerta y la Fuente, VGS<\/sub>, disminuye. Todo esto ocurre hasta que la tensi\u00f3n de la Fuente alcanza el valor VH<\/sub>-VT<\/sub>, momento en que VGS<\/sub> iguala la tensi\u00f3n umbral y el transistor deja de conducir.<\/p>\n

En cambio, al transmitir la tensi\u00f3n VL<\/sub> el terminal de la izquierda act\u00faa como Fuente y el de la derecha como Drenador. La tensi\u00f3n entre la Puerta y la Fuente permanece en todo momento constante, a igual a VH<\/sub>-VL<\/sub> (valor que debe ser superior a la tensi\u00f3n umbral), por lo que en el Drenador se llega a alcanzar VL.<\/p>\n

De forma similar, el MOSFET tipo P transmite correctamente las tensiones altas, y falla en las bajas. Para evitar estos inconvenientes se conectan en paralelo dos transistores MOSFET, uno N y otro P.<\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

Para terminar este punto, las tensiones bajas son transmitidas sin error por el MOSFET tipo N, mientras que las altas lo son por el tipo P. Esta configuraci\u00f3n, se denomina puerta de paso<\/em><\/strong>. Para su funcionamiento, las tensiones en las puertas han de ser complementarias (cuando una es alta la otra es baja, y viceversa); esto se indica a\u00f1adiendo un c\u00edrculo a una de las puertas, o una barra sobre una de las tensiones.<\/p>\n

Polarizaci\u00f3n de MOSFET.<\/span><\/strong><\/h4>\n

Los circuitos de polarizaci\u00f3n t\u00edpicos para MOSFET enriquecido, son similares al circuito de polarizaci\u00f3n utilizados para JFET. La principal diferencia entre ambos es el hecho de que el MOSFET de enriquecimiento t\u00edpico s\u00f3lo permite puntos de funcionamiento con valor positivo de VGS<\/sub> para canal n y valor negativo de VGS<\/sub> para el canal p. Para tener un valor positivo de VGS<\/sub> de canal n y el valor negativo de VGS<\/sub> de canal p, es adecuado un circuito de auto polarizaci\u00f3n. Por lo tanto hablamos de recorte de realimentaci\u00f3n y circuito divisor de tensi\u00f3n para mejorar el tipo MOSFET.<\/p>\n

Realimentaci\u00f3n, circuito de polarizaci\u00f3n.<\/span><\/strong><\/h4>\n

La siguiente figura, muestra el circuito de polarizaci\u00f3n con realimentaci\u00f3n t\u00edpico para MOSFET canal n de enriquecimiento.<\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

Como se mencion\u00f3 anteriormente, para el an\u00e1lisis en corriente continua, podemos reemplazar el condensador de acoplamiento por circuitos abiertos y tambi\u00e9n reemplazar el resistor RG<\/sub> por su equivalente en corto circuito, ya que IG<\/sub> = 0.<\/p>\n

La figura, tambi\u00e9n muestra, el circuito simplificado, para el an\u00e1lisis con recorte de realimentaci\u00f3n CC. Como los terminales de Drenaje y Puerta est\u00e1n en cortocircuito,<\/p>\n

VD<\/sub>=VG<\/sub>
\ny VDS<\/sub>=VGS<\/sub>=> Vs<\/sub>=0 [1]<\/p><\/blockquote>\n

Aplicando la segunda Ley de Kirchhoff a los circuitos de salida, obtenemos,<\/p>\n

VDD<\/sub>-ID<\/sub>xRD<\/sub>-VDS<\/sub>=0
\nsi VDS<\/sub>=VDD<\/sub>-Id<\/sub>xRd<\/sub> [2]
\no VGS<\/sub>=VDD<\/sub>-ID<\/sub>xRD<\/sub>; si VDS<\/sub>
\n=VGS<\/sub> [3]<\/p><\/blockquote>\n

Ejemplo practico: Para el circuito dado en la siguiente figura, calcular VGS<\/sub>, ID<\/sub> y VDS<\/sub>.<\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

Soluci\u00f3n: Tenemos que,<\/p>\n

VDD<\/sub><\/a> = 12 V
\nVGS<\/sub><\/a> = 8 V
\nVT<\/sub><\/a> = 3 V<\/p><\/blockquote>\n

\"\"<\/center>Como, VGS<\/sub> = VDD<\/sub> – ID<\/sub> x RD<\/sub> = 12 – ID<\/sub> x RD<\/sub>
\ntenemos que,<\/p>\n

ID<\/sub><\/a> = K(VGS<\/sub><\/a>-VT<\/sub><\/a>)2<\/sup><\/a><\/p><\/blockquote>\n

Sustituyendo valores de VGS<\/sub> tenemos,<\/p>\n

ID<\/sub><\/a>=K((12-Id<\/sub><\/a> x Rd<\/sub><\/a>)-Vt<\/sub><\/a>)2<\/sup><\/a> =0.24 x 10-3<\/sup><\/a>[12-ID<\/sub><\/a> x 2 x 10-3<\/sup><\/a>-3]2<\/sup><\/a>
\n=0.24×10-3<\/sup><\/a> [81 – 36000 ID<\/sub><\/a> + 4000000 I2<\/sup>D<\/sub><\/a>]
\nAs\u00ed; ID<\/sub><\/a> = 0.01944 – 8.64 ID<\/sub><\/a> + 960 I2<\/sup>d<\/sub><\/a>
\n960 x I2<\/sup>D<\/sub><\/a> – 9.64 x ID<\/sub><\/a> + 0.01944 = 0<\/p><\/blockquote>\n

Esto es una ecuaci\u00f3n de segundo grado y se puede resolver usando la f\u00f3rmula habitual.<\/p>\n

Resoluci\u00f3n de ecuaciones cuadr\u00e1ticas, usando la f\u00f3rmula\u00a0\"\"<\/a>tendremos;<\/p>\n

960xI2<\/sup>D<\/sub>-9.64xID<\/sub>+0.01944=0 donde,<\/p><\/blockquote>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

Si calculamos el valor de VDS<\/sub> teniendo ID<\/sub> = 7.2477mA nos quedar\u00e1,<\/p>\n

Vds<\/sub>=Vdd<\/sub>-Id<\/sub>xRd<\/sub>=12-7.2477×10-3<\/sup>x2x103<\/sup>=12-14.495=-2.495<\/p><\/blockquote>\n

En la pr\u00e1ctica, el valor de VDS<\/sub> debe ser positivo, por lo tanto Id<\/sub> =7.2477mA, no es valido.<\/p>\n

Ahora, calculemos el valor de VDS<\/sub> teniendo ID<\/sub> = 7.2477mA, obtenemos que,<\/p>\n

Vgs=12-2.794×10-3<\/sup>x2x103<\/sup>=12-5.588=6.412V
\nVGS<\/sub>=6.412V<\/p><\/blockquote>\n

Inversor con carga activa.<\/span><\/strong><\/h4>\n

En la figura se muestra un conmutador con carga activa, el MOSFET inferior act\u00faa como conmutador, pero el superior act\u00faa como una resistencia de valor elevado, el MOSFET superior tiene su Puerta conectada a su Drenador, por esta raz\u00f3n, se convierte en un dispositivo de dos terminales, como una resistencia activa, cuyo valor se puede determinar con:<\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

Donde VDS(activa)<\/sub> e IDS(activa)<\/sub> son tensiones y corrientes en la zona activa.<\/p>\n

Para que el circuito trabaje de forma adecuada, la RD<\/sub> del MOSFET superior, tiene que ser mayor que la RD<\/sub> del MOSFET inferior.<\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

En la figura anterior se indica como calcular la RD<\/sub> del MOSFET superior. Al ser VGS<\/sub>=VDS<\/sub>, cada punto de trabajo de este MOSFET tiene que estar en la curva de dos terminales, si se comprueba cada punto de la curva de dos terminales, se vera que VGS<\/sub>=VDS<\/sub>.<\/p>\n

La curva de dos terminales significa que el MOSFET superior act\u00faa como una resistencia de valor RD<\/sub>. Este valor RD<\/sub> cambia ligeramente para los diferentes puntos.<\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

En el punto m\u00e1s alto; ID<\/sub>= 3mA y VDS<\/sub>=15V<\/p>\n

\"\"<\/a>En el punto mas bajo; ID<\/sub>= 0.7mA y VDS<\/sub>=5v<\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

Una sencilla y pr\u00e1ctica explicaci\u00f3n del funcionamiento de un transistor MOSFET puede resumirse en que; al aplicar una determinada tensi\u00f3n (positiva respecto a GND) sobre la Puerta o Gate, dentro del transistor, se genera un campo el\u00e9ctrico que permite la circulaci\u00f3n de corriente entre el terminal Drenador y el terminal Fuente. La tensi\u00f3n m\u00ednima de Puerta para que el transistor comience a conducir (depende de su hoja de datos), por ej. para un IRFZ44N est\u00e1 ubicada entre 2 y 4V, mientras que la m\u00e1xima tensi\u00f3n que podremos aplicar, respecto al terminal Fuente, es de 20V.<\/p>\n

En conmutaci\u00f3n y en saturaci\u00f3n, en el caso del transistor MOSFET IRFZ44N, nos interesa aplicar 10V de tensi\u00f3n en la Puerta, para lograr la m\u00ednima resistencia entre Drenador y Fuente. En otro caso, no obtendremos el mejor rendimiento, por la mayor disipaci\u00f3n de calor, debido a una mayor resistencia a la circulaci\u00f3n de corriente entre Drenador y Fuente. No se debe sobrepasar la tensi\u00f3n VGS<\/sub> m\u00e1xima de 20V, ya que el transistor se estropear\u00e1. En cambio, si la tensi\u00f3n de Puerta no alcanza los 2 a 4V, el transistor no entrar\u00e1 en conducci\u00f3n.<\/p>\n

Recapitulemos.<\/span><\/strong><\/h4>\n

Consideremos, el caso de utilizar el MOSFET en conmutaci\u00f3n, se debe aplicar la se\u00f1al de activaci\u00f3n del MOSFET con un flanco de subida muy corto en tiempo, al igual que el flanco de bajada. Tal vez con un ejemplo quede m\u00e1s claro.<\/p>\n

No es conveniente aplicar la salida de un microcontrolador directamente a un MOSFET, las razones son evidentes. Existe gran variedad de drivers comerciales, adecuados para cada necesidad. Por lo tanto, siempre, se debe emplear un driver. El m\u00e1s sencillo ser\u00eda un transistor, como se muestra en la figura que sigue.<\/p>\n

\"driver_mosfet_n_1\"<\/a><\/p>\n

En el esquema de la figura, la salida del micro, se aplica a R1, cuando la tensi\u00f3n sea positiva, el NPN conducir\u00e1 en saturaci\u00f3n, por lo tanto, su colector estar\u00e1 aproximadamente a GND y como consecuencia, el MOSFET, no conducir\u00e1. En el caso de que a la base del NPN le llegue una tensi\u00f3n\u00a0negativa o cercana a GND, el transistor no conducir\u00e1 y la tensi\u00f3n en su colector ser\u00e1 cercana a la tensi\u00f3n Vcc, esto hace que el MOSFET se comporte como un interruptor cerrado, dejando pasar la m\u00e1xima intensidad (IDds).<\/p>\n

Que hace el transistor NPN, conmuta su estado entre Vcc y GND, la cuesti\u00f3n es que, lo debe hacer con un tiempo muy corto, al pasar de un estado alto a\u00a0 un estado bajo y viceversa. Esto se consigue, reduciendo en lo posible las capacidades, existentes incluso en los propios transistores BJT. Puesto que lo que pretendemos es que el MOSFET, no trabaje en la zona \u00f3hmica, para evitar las perdidas que se evidencian con el calor que desprender\u00e1 en su caso.<\/p>\n

Mejorando el circuito anterior, podr\u00edamos a\u00f1adir un par de transistores BJT m\u00e1s, para reducir el tiempo se subida y bajada al conmutar los niveles de tensi\u00f3n, veamos la siguiente figura.<\/p>\n

\"driver_mosfet_n_2\"<\/a>C\u00f3mo se comporta en este caso el circuito. Supongamos un nivel alto, en la salida del primer transistor NPN, al llegar a la base del transistor NPN de arriba, \u00e9ste, conducir\u00e1 en saturaci\u00f3n y por tal motivo, tambi\u00e9n lo har\u00e1 el MOSFET. Entre tanto, el ante dicho nivel, al llegar el transistor PNP de abajo, har\u00e1 que se corte dicho transistor, no conduciendo. En el supuesto de tener, un nivel bajo en la salida del primer transistor NPN, el llegar a la base del segundo NPN, \u00e9ste no conducir\u00e1, sin embargo, el transistor PNP se comportar\u00e1 como un interruptor cerrado, conduciendo en saturaci\u00f3n, lo que har\u00e1 que el MOSFET, se bloquee o corte su paso de corriente. Supongo que ahora est\u00e1, m\u00e1s claro.<\/p>\n

Naturalmente, el estudio del transistor MOSFET, requiere un calado mayor, aqu\u00ed, s\u00f3lo he querido hacer hincapi\u00e9 en los conceptos m\u00e1s relevantes, si bien es cierto, sin entrar en demasiados detalles. Entiendo que los lectores, actualmente disponen de medios y lugares donde adquirir conocimientos m\u00e1s profundos si es de su inter\u00e9s.<\/p>\n

Esto es todo, por este tutorial de teor\u00eda, los que quieran leer m\u00e1s sobre el tema, lo pueden hacer consultando libros de texto de los distintos autores.<\/p>\n

Referencias.<\/span><\/strong><\/h5>\n

-Bakshi, U.A.; Godse, A.P. (2007) \u00ab8.2
\nThe depletion mode MOSFET\u00bb. Electronic Circuits
\nISBN 978-81-8431-284-3.
\n-\u00ab1960 \u2013 Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor
\nDemonstrated\u00bb: John Atalla and Dawon Kahng
\nfabricate working transistors and demonstrate the
\nfirst successful MOS field-effect amplifier
\n(issued in 1963).
\n-\u00abThe Silicon Engine | 1948 \u2013 Conception of the
\nJunction Transistor\u00bb. Computer History Museum (2007).
\n-TECNOLOG\u00cdA ELECTR\u00d3NICA. L. Gomez de Tejeda.
\n-T\u00e9cnicas electr\u00f3nicas digitales.
\nA. Hermosa Donate. 1997
\n-\u00abEl transistor MOSFET capitulo4<\/a>\u00bb
\n-\u00abTema4 El MOSFET<\/a>\u00bb
\n-\u00abTema6 – transistores MOSFET<\/a>\u00ab<\/p><\/blockquote>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Introducci\u00f3n. Los problemas que vienen presentando los transistores bipolares o BJT, como son la corriente que soportan y la dependencia de la temperatura a la que se ven sometidos, unas veces por su emplazamiento, otras por un mal trazado y la mas evidente, el efecto llamado de avalancha. Estas evidencias, han llevado a que se […]<\/p>\n","protected":false},"author":4,"featured_media":2144,"comment_status":"open","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[19,210],"tags":[213,214,211,212],"class_list":["post-2133","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-lecciones-de-electronica-analogica","category-transistores_mosfet","tag-bjt","tag-igbt","tag-mosfet","tag-transistor-uniunion"],"aioseo_notices":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.diarioelectronicohoy.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/2133","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.diarioelectronicohoy.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.diarioelectronicohoy.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.diarioelectronicohoy.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/users\/4"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.diarioelectronicohoy.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=2133"}],"version-history":[{"count":30,"href":"https:\/\/www.diarioelectronicohoy.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/2133\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":4935,"href":"https:\/\/www.diarioelectronicohoy.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/2133\/revisions\/4935"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.diarioelectronicohoy.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/media\/2144"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.diarioelectronicohoy.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=2133"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.diarioelectronicohoy.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=2133"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.diarioelectronicohoy.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=2133"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}