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MOSFET por Mind Map: MOSFET

1. Vamos a estudiar un transistor cuyo funcionamiento no se basa en uniones PN, como el transistor bipolar, ya que en éste, el movimiento de carga se produce exclusivamente por la existencia de campos eléctricos en el interior del dispositivo. El transistor MOSFET, como veremos, está basado en la estructura MOS. El término enriquecimiento hace referencia al incremento de la conductividad eléctrica debido a un aumento de la cantidad de portadores de carga en la región correspondiente al canal, que también es conocida como la zona de inversión.

2. INTRODUCCIÓN

2.1. Los MOSFET de potencia son muy populares para aplicaciones de baja tensión, baja potencia y conmutación resistiva en altas frecuencias, como fuentes de alimentación conmutadas, motores sin escobillas y aplicaciones como robótica, CNC y electrodomésticos. La mayoría de sistemas como lámparas, motores, drivers de estado sólido, electrodomésticos, etc. utilizan dispositivos de control, los cuales controlan el flujo de energía que se transfiere a la carga. Estos dispositivos logran alta eficiencia variando su ciclo de trabajo para regular la tensión de salida. Para realizar la parte de conmutación, existen varios dispositivos semiconductores, a continuación se muestra una tabla con algunos de ellos.

2.1.1. La siguiente es una tabla comparativa de las diversas capacidades entre potencia y velocidad de conmutación de los tipos de dispositivos.

3. LOS TRANSISTORES MOSFET

4. LA ESTRUCTURA MOS

4.1. La estructura MOS esta compuesta de dos terminales y tres capas: Un Substrato de silicio, puro o poco dopado p o n, sobre el cual se genera una capa de Oxido de Silicio que, posee características dieléctricas o aislantes, lo que presenta una alta impedancia de entrada. Por último, sobre esta capa, se coloca una capa de Metal , que posee características conductoras. En la parte inferior se coloca un contacto óhmico, en contacto con la capsula, como se ve en la figura.

4.1.1. La estructura MOS, actúa como un condensador de placas paralelas en el que G y B son las placas y el óxido, el aislante. De este modo, cuando VGB=0, la carga acumulada es cero y la distribución de portadores es aleatoria y se corresponde al estado de equilibrio en el semiconductor. Cuando VGB>0, aparece un campo eléctrico entre los terminales de Puerta y substrato. Esta región de iones negativos, se incrementa con VGB. Al llegar a la región de VGB, los iones presentes en la zona semiconductora de empobrecimiento, no pueden compensar el campo eléctrico y se provoca la acumulación de cargas negativas libres atraídos por el terminal positivo. En inversión fuerte, se forma así un CANAL de e– libres, en las proximidades del terminal de Puerta y de huecos p+ en el extremo de la Puerta. La intensidad de Puerta IG, es cero puesto que, en continua se comporta como un condensador .

5. MOSFET DE ENREQUECIMIENTO DE CANAL N.

5.1. Bajo el terminal de Puerta existe una capa de óxido que impide prácticamente el paso de corriente a su través; por lo que, el control de puerta se establece en forma de tensión. Además, este transistor ocupa un menor volumen que el BJT, lo que permite una mayor densidad de integración. Se trata de una estructura MOS, de cuatro terminales, en la que el substrato semiconductor es de tipo p poco dopado.

5.2. Cuando se aplica una tensión positiva al terminal de puerta de un MOSFET de tipo N, se crea un campo eléctrico bajo la capa de óxido que incide perpendicularmente sobre la superficie del semiconductor P. Este campo, atrae a los electrones hacia la superficie, bajo la capa de óxido, repeliendo los huecos hacia el sustrato. Si el campo eléctrico es muy intenso se logra crear en dicha superficie una región muy rica en electrones, denominada canal N, que permite el paso de corriente de la Fuente al Drenador. Una vez creado el canal, la corriente se origina, aplicando una tensión positiva en el Drenador respecto a la tensión de la Fuente . En un MOSFET tipo P, el funcionamiento es a la inversa, ya que los portadores son huecos . Ahora, los huecos son atraídos hacia la superficie bajo la capa de óxido, y los electrones repelidos hacia el sustrato. Si la superficie es muy rica en huecos se forma el canal P. Cuanto más negativa sea la tensión de puerta mayor puede ser la corriente , corriente que se establece al aplicar al terminal de Drenador una tensión negativa respecto al terminal de Fuente.

5.2.1. 1.-

5.2.2. 2,-

5.2.3. 3.-

5.3. Si con tensión de Puerta nula no existe canal, el transistor se denomina de acumulación; y de vaciamiento en caso contrario. Mientras que la tensión de Puerta a partir de la cual se produce canal, se conoce como tensión umbral, VT. El terminal de sustrato sirve para controlar la tensión umbral del transistor, y normalmente su tensión es la misma que la de la Fuente. El transistor MOS es simétrico: los terminales de Fuente y Drenador son intercambiables entre sí. En el MOSFET tipo N el terminal de mayor tensión actúa de Drenador (recoge los electrones), siendo el de menor tensión 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. El símbolo más utilizado para su representación 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.

5.3.1. 4.-

5.4. En la estructura MOS de la siguiente figura, aparecen diversas fuentes de tensión polarizando los distintos terminales: VGS, VDS. Los terminales de substrato (B) y Fuente (S) se han conectado a GND. De este modo, VSB=0 (tensión Surtidor-sustrato=0) , se dice que no existe efecto substrato.

5.4.1. 5.-

6. REGIONES DE OPERACIÓN

6.1. Cuando ya existe canal inducido y VDS va aumentando, el canal se contrae en el lado del Drenador, ya que la diferencia de potencial Puerta-canal es en ese punto, más baja y la zona de transición más ancha. Es decir, siempre que exista canal estaremos en región óhmica y el dispositivo presentará baja resistencia.

6.1.1. La operación de un transistor MOSFET se puede dividir en tres regiones de operación diferentes, dependiendo de las tensiones en sus terminales. Para un transistor MOSFET N de enriquecimiento se tienen las siguientes regiones: región de corte, región óhmica y región de saturación.

7. REGIÓN DE SATURACIÓN

7.1. El transistor MOSFET entra en esta zona de funcionamiento cuando la tensión entre el Drenador y el Surtidor supera un valor fijo denominado tensión de saturación Drenador-Surtidor; este valor viene determinado en las hojas características proporcionadas por el fabricante. En esta zona, el MOSFET mantiene constante su corriente de Drenador , independientemente del valor de tensión que haya entre el Drenador y el Surtidor . VDS VGS – VT Región de saturación Cuando la tensión entre Drenador y Fuente supera cierto límite, el canal de conducción, bajo la Puerta sufre un estrangulamiento en las cercanías del Drenador y desaparece.

7.1.1. 1.-

7.1.2. En la figura anterior, la parte casi vertical corresponde a la zona óhmica, 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 está en la zona óhmica.