Qué es un MOSFET: funcionamiento y aplicaciones

El transistor MOSFET (transistor de efecto de campo de semiconductores de óxido metálico) es un dispositivo semiconductor muy utilizado para la conmutación y amplificación de señales electrónicas en dispositivos electrónicos. Un MOSFET es un núcleo o circuito integrado que se diseña y fabrica en un solo chip porque el dispositivo está disponible en un tamaño muy pequeño. La introducción del dispositivo MOSFET supuso un cambio en el campo de los dispositivos electrónicos la conmutación en la electrónica. Veamos una explicación detallada de este concepto.

¿Qué es un MOSFET?

Un MOSFET es un dispositivo de cuatro terminales con fuente (S), puerta (G), drenaje (D) y cuerpo (B). En general, el cuerpo del MOSFET está conectado al terminal de la fuente, formando así un dispositivo de tres terminales como un transistor de efecto de campo. El MOSFET se considera generalmente un transistor y se utiliza tanto en circuitos analógicos como digitales. Esta es la base introducción al MOSFET. La estructura general de este dispositivo es la siguiente:

De lo anterior Estructura del MOSFETla funcionalidad del MOSFET depende de los cambios eléctricos que se producen en la anchura del canal y del flujo de portadores (huecos o electrones). Los portadores de carga entran en el canal a través del terminal de la fuente y salen por el drenaje.

La anchura del canal está controlada por la tensión en un electrodo llamado puerta y situado entre la fuente y el drenaje. Está aislado del canal por una capa muy fina de óxido metálico. La capacitancia MOS del dispositivo es la sección crucial donde tiene lugar todo el funcionamiento.

Un MOSFET puede funcionar de dos maneras

• Modo de agotamiento
• Modo de mejora

Modo de agotamiento

Cuando no hay tensión en el terminal de la puerta, el canal muestra su máxima conductancia. Cuando la tensión en el terminal de puerta es positiva o negativa, la conductividad del canal disminuye.

Por ejemplo

Modo de mejora

Cuando no hay tensión en el terminal de la puerta, el dispositivo no conduce. Cuando la tensión en el terminal de la puerta es máxima, el dispositivo muestra una mayor conductividad.

Principio de funcionamiento del MOSFET

El principio fundamental del dispositivo MOSFET es poder controlar el flujo de tensión y corriente entre los terminales de fuente y drenaje. Funciona casi como un interruptor y la funcionalidad del dispositivo se basa en el condensador MOS. El condensador MOS es la parte principal del MOSFET.

La superficie del semiconductor situada bajo la capa de óxido entre el terminal de fuente y el de drenaje puede invertirse de tipo p a tipo n aplicando una tensión de puerta positiva o negativa, respectivamente. Cuando aplicamos una fuerza de repulsión para la tensión de puerta positiva, los agujeros bajo la capa de óxido son empujados hacia abajo por el sustrato.

La región de agotamiento está poblada por las cargas negativas ligadas a los átomos aceptores. Cuando se alcanzan los electrones, se desarrolla un canal. La tensión positiva también atrae electrones de las regiones de fuente y drenaje n+ hacia el canal. Ahora, si se aplica una tensión entre el drenaje y la fuente, la corriente fluye libremente entre la fuente y el drenaje y la tensión de puerta controla los electrones en el canal. En lugar de una tensión positiva, si se aplica una tensión negativa, se formará un canal de agujeros bajo la capa de óxido.

MOSFET de canal P

El MOSFET de canal P tiene una región de canal P situada entre los terminales de fuente y drenaje. Es un dispositivo de cuatro terminales con puerta, drenaje, fuente y cuerpo. El drenaje y la fuente son regiones p+ fuertemente dopadas, mientras que el cuerpo o sustrato es de tipo n. El flujo de corriente se produce en la dirección de los agujeros cargados positivamente.

Cuando se aplica una tensión negativa con fuerza de repulsión al terminal de puerta, los electrones presentes bajo la capa de óxido son empujados hacia el interior del sustrato. La región de agotamiento se puebla de cargas positivas unidas a los átomos donantes. La tensión de puerta negativa también atrae agujeros de la región de fuente y drenaje p+ a la región del canal.

MOSFET de canal N

El MOSFET de canal N tiene una región de canal N situada entre los terminales de fuente y drenaje. Es un dispositivo de cuatro terminales con puerta, drenaje, fuente y cuerpo. En este tipo de transistor de efecto de campo, el drenaje y la fuente están formados por una región n+ fuertemente dopada y el sustrato o cuerpo es de tipo P.

El flujo de corriente en este tipo de MOSFET se produce debido a los electrones cargados negativamente. Cuando se aplica una tensión positiva con fuerza de repulsión al terminal de puerta, los agujeros situados bajo la capa de óxido son empujados hacia el interior del sustrato. La región de agotamiento está poblada por las cargas negativas unidas a los átomos aceptores.

Una vez alcanzados los electrones, se forma el canal. La tensión positiva también atrae electrones de las regiones n+ de la fuente y el drenaje hacia el canal. Ahora, si aplicamos una tensión entre el drenaje y la fuente, la corriente fluye libremente entre la fuente y el drenaje y la tensión de puerta controla los electrones en el canal. Si en lugar de una tensión positiva aplicamos una tensión negativa, se formará un canal de agujeros bajo la capa de óxido.

Regiones de funcionamiento del MOSFET

En el escenario más general, el funcionamiento de este dispositivo tiene lugar principalmente en tres regiones, que son las siguientes

• Región de corte - Se trata de la región en la que el dispositivo se encuentra en estado OFF y en la que la corriente que circula por él es nula. En este caso, el dispositivo funciona como un interruptor básico y se utiliza cuando se requiere que funcione como un interruptor eléctrico.
• Región de saturación - En esta región, los dispositivos tendrán el valor de la corriente entre el drenaje y la fuente constante sin tener en cuenta el aumento de la tensión entre el drenaje y la fuente. Esto sólo ocurre cuando la tensión entre los terminales de drenaje y fuente aumenta por encima del valor de la tensión de desconexión. En este escenario, el dispositivo funciona como un interruptor cerrado en el que un nivel saturado de corriente fluye entre los terminales de drenaje y fuente. Por este motivo, se selecciona la región de saturación cuando los dispositivos tienen que cambiar.
• Región lineal/óhmica - Se trata de la región en la que la corriente que pasa por el terminal drenaje-fuente aumenta a medida que aumenta la tensión en el recorrido drenaje-fuente. Cuando los dispositivos MOSFET funcionan en esta región lineal, actúan como amplificadores.

Consideremos ahora las características de conmutación de los MOSFETs

Un semiconductor como el MOSFET o el transistor de unión bipolar funciona básicamente como un interruptor en dos escenarios: uno es el estado ON y el otro es el estado OFF. Para considerar esta funcionalidad, veamos las características ideales y prácticas del dispositivo MOSFET.

Características ideales del interruptor

Para que un MOSFET funcione como un interruptor ideal, debe tener las siguientes características

• En estado ON, debe haber una limitación de la corriente que transporta
• En el estado OFF, los niveles de tensión de bloqueo no deben tener ninguna limitación
• Cuando el aparato funciona en estado ON, el valor de la caída de tensión debe ser cero
• La resistencia en estado OFF debe ser infinita
• No debe haber limitación de velocidad

Características prácticas del interruptor

Como el mundo no se limita a las aplicaciones ideales, el funcionamiento de los MOSFETs también es aplicable para fines prácticos. En el escenario práctico, el dispositivo debe tener las siguientes propiedades

• En el estado ON, la capacidad de manejo de la potencia debe ser limitada, lo que significa que el flujo de corriente de conducción debe ser limitado.
• En el estado OFF, los niveles de tensión de bloqueo no deben estar limitados
• El encendido y apagado durante un tiempo limitado limita la velocidad de limitación del dispositivo e incluso la frecuencia de funcionamiento
• En el estado ON del dispositivo MOSFET, los valores de resistencia son mínimos, lo que provoca una caída de tensión en la polarización. Además, existe una resistencia finita en el estado OFF que genera una corriente de fuga inversa
• Cuando el aparato funciona en modo práctico, pierde energía en los estados ON y OFF. Esto también ocurre en los estados de transición.

Ejemplo de un MOSFET como interruptor

En el siguiente circuito, se utiliza un MOSFET de canal N y modo avanzado para conmutar una lámpara de muestra en las condiciones de encendido y apagado. La tensión positiva en el terminal de puerta se aplica a la base del transistor y la lámpara pasa a la condición de ON y aquí V_GS =+v o en el nivel de tensión cero, el dispositivo pasa a la condición de OFF donde V_GS=0.

Si la carga resistiva de la lámpara se sustituye por una carga inductiva y se conecta al relé o al diodo que está protegido por la carga. El circuito descrito anteriormente es muy sencillo para conmutar una carga resistiva, como una lámpara o un LED. Pero cuando se utiliza un MOSFET como interruptor con una carga inductiva o capacitiva, es necesario proteger el dispositivo MOSFET.

Si el MOSFET no está protegido, el dispositivo puede resultar dañado. Para que el MOSFET funcione como un dispositivo de conmutación analógico, debe conmutar entre su región de corte donde V_GS =0 y la región de saturación donde V_GS =+v.

Descripción del vídeo

El MOSFET también puede funcionar como transistor y se abrevia como Transistor de efecto de campo de óxido metálico y silicio. El propio nombre indica que el dispositivo puede funcionar como un transistor. Tendrá un canal P y un canal N. El dispositivo se conecta de forma que se utilizan los cuatro terminales de fuente, puerta y drenaje y se conecta una carga resistiva de 24Ω en serie con un amperímetro y un medidor de tensión a través del MOSFET.

En el transistor, el flujo de corriente en la puerta es en dirección positiva y el terminal de la fuente está conectado a tierra. En cambio, en los dispositivos de transistores de unión bipolar, el flujo de corriente se realiza a través de la vía base-emisor. En este dispositivo, sin embargo, no hay flujo de corriente porque hay un condensador al principio de la puerta y sólo requiere tensión.

Esto puede verificarse procediendo al proceso de simulación y encendiendo y apagando el aparato. Cuando el interruptor está encendido no hay flujo de corriente en el circuito, al conectar la resistencia de 24 Ω y la tensión de 0,29 del amperímetro, hay una caída de tensión insignificante en la fuente porque hay +0,21 V en este dispositivo.

La resistencia entre el drenaje y la fuente se llama RDS. Debido a este RDS, la caída de tensión se produce cuando la corriente fluye en el circuito. El RDS varía entre 0,001, 0,005 y 0,05 según el tipo de aparato.

Algunos de los conceptos a aprender son:

1). Cómo elegir el MOSFET como interruptor?

Hay ciertas condiciones que deben cumplirse al elegir el MOSFET como interruptor y son las siguientes:

• Uso de la polaridad de los canales P o N
• Valores máximos de tensión y corriente de funcionamiento
• Aumento de Rds ON que significa la resistencia en el terminal de Drenaje a Fuente cuando el canal está completamente abierto
• Mejora de la frecuencia de funcionamiento
• El tipo de embalaje es To-220, DPAck y muchos otros.

2). ¿Cuál es la eficiencia del interruptor MOSFET?

La principal limitación del funcionamiento del MOSFET como dispositivo de conmutación es el mayor valor de corriente de drenaje que puede alcanzar el dispositivo. Esto significa que el RDS en la condición de encendido es el parámetro crucial que decide la capacidad de conmutación del MOSFET. Está representado por la relación entre la tensión de la fuente de drenaje y la corriente de drenaje. Sólo debe calcularse en el estado ON del transistor.

3). ¿Por qué se utiliza el interruptor MOSFET en el convertidor Boost?

En general, un convertidor boost requiere un transistor de conmutación para hacer funcionar el dispositivo. Por esta razón, los MOSFET se utilizan como transistores de conmutación. Estos dispositivos se utilizan para los valores de corriente y tensión. Además, teniendo en cuenta la velocidad de conmutación y el coste, estos dispositivos se utilizan ampliamente.

Del mismo modo, los MOSFETs también pueden utilizarse de varias maneras

• Los MOSFET como interruptor para los LEDs
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• MOSFET como interruptor para Arduino
• Interruptor MOSFET para carga de corriente alterna
• Interruptor MOSFET para motor de corriente continua
• Interruptor MOSFET para tensión negativa
• MOSFET como interruptor con Arduino
• MOSFET como interruptor con un microcontrolador
• Interruptor MOSFET con histéresis
• MOSFET como diodo de conmutación y resistencia activa
• MOSFET como ecuación de conmutación
• Interruptor MOSFET para airsoft
• MOSFET como resistencia de puerta de conmutación
• MOSFET como solenoide de conmutación
• Interruptor MOSFET con optoacoplador
• Interruptor MOSFET con histéresis

Aplicación del MOSFET como interruptor

Uno de los principales ejemplos del uso de este dispositivo como interruptor es el control automático del brillo de las luces de la calle. Hoy en día, muchas de las luces que vemos en las autopistas consisten en lámparas de descarga de alta intensidad. Pero el uso de lámparas HID supone un mayor consumo de energía.

La luminosidad no puede limitarse como es debido, por lo que es necesario pasar a un método de iluminación alternativo: los LED. El uso de un sistema LED supera los inconvenientes de las lámparas de alta intensidad. La idea principal de la construcción de este sistema es controlar las luces directamente en las carreteras mediante un microprocesador.

Esto se consigue modificando los pulsos de reloj. Según sea necesario, este dispositivo se utiliza para encender las lámparas. Consiste en una placa Raspberry Pi con un procesador para su gestión. En este caso, los LEDs pueden ser sustituidos por lámparas HID y se conectan al procesador a través de un MOSFET. El microcontrolador proporciona los ciclos de trabajo correspondientes y luego conmuta al MOSFET para que proporcione un nivel de intensidad elevado.

Ventajas

Algunas de las ventajas son :

• Genera una mayor eficiencia incluso cuando funciona a niveles mínimos de tensión
• La ausencia de corriente de puerta crea una mayor impedancia de entrada que aumenta la velocidad de conmutación del dispositivo
• Estos dispositivos pueden funcionar a niveles de potencia mínimos y utilizar una corriente mínima

Desventajas

Algunas de las desventajas son :

• Cuando estos dispositivos funcionan a niveles de tensión excesivos, se crea una inestabilidad del dispositivo
• Como los dispositivos tienen una fina capa de óxido, ésta puede dañar el dispositivo cuando es estimulada por cargas electrostáticas

Aplicaciones

Las aplicaciones del MOSFET son

• Los amplificadores MOSFET se utilizan ampliamente en aplicaciones de alta frecuencia
• La regulación de los motores de corriente continua la proporcionan estos dispositivos
• Como estos dispositivos tienen una alta velocidad de conmutación, son perfectos para la construcción de amplificadores chopper
• Funciona como un componente pasivo para varios elementos electrónicos.

En definitiva, se puede concluir que el transistor requiere corriente, mientras que el MOSFET requiere una tensión. Los requisitos de conducción del MOSFET son mucho mejores y más sencillos que los de un BJT. Además, sabemos que ¿Cómo puedo conectar un MOSFET a un interruptor?

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