El Transistor MOSFET

Introducción.

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 más avanzados, hasta la llegada de los MOSFET.

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 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.

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

Los transistores MOSFET.

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. Este tipo de transistores se conocen como, efecto de campo JFET (del inglés, Juntion Field Effect Transistor).

El transistor MOSFET, como veremos, está basado en la estructura MOS. En los MOSFET de enriquecimiento, una diferencia de tensión 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 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.

La estructura MOS.

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 (SiO₂) 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 (Aluminio o polisilicio), que posee características conductoras. En la parte inferior se coloca un contacto óhmico, en contacto con la capsula, como se ve en la figura.

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 V_GB=0, la carga acumulada es cero y la distribución de portadores es aleatoria y se corresponde al estado de equilibrio en el semiconductor.

Cuando V_GB>0, aparece un campo eléctrico entre los terminales de Puerta y substrato. La región semiconductora p responde creando una región de empobrecimiento de cargas libres p⁺ (zona de deplexión), al igual que ocurriera en la región P de una unión PN cuando estaba polarizada negativamente. Esta región de iones negativos, se incrementa con V_GB.

Al llegar a la región de V_GB, los iones presentes en la zona semiconductora de empobrecimiento, no pueden compensar el campo eléctrico y se provoca la acumulación de cargas negativas libres (e^–) atraídos por el terminal positivo. Se dice entonces que la estructura ha pasado de estar en inversión débil a inversión fuerte.

El proceso de inversión se identifica con el cambio de polaridad del substrato, debajo de la región de Puerta. En inversión fuerte, se forma así un CANAL de e^– libres, en las proximidades del terminal de Puerta (Gate) y de huecos p⁺ en el extremo de la Puerta.

La intensidad de Puerta I_G, 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 prácticamente infinita e I_G=0 siempre en estática. Básicamente, la estructura MOS permite crear una densidad de portadores libres suficiente para sustentar una corriente eléctrica.

MOSFET de enriquecimiento de CANAL N.

Bajo el terminal de Puerta existe una capa de óxido (SiO₂) que impide prácticamente el paso de corriente a su través; por lo que, el control de puerta se establece en forma de tensión. La calidad y estabilidad con que es posible fabricar estas finas capas de óxido es la principal causa del éxito alcanzado con este transistor, siendo actualmente el dispositivo más utilizado.

Además, este transistor ocupa un menor volumen que el BJT, lo que permite una mayor densidad de integración. Comencemos con la estructura básica del MOSFET, seguido de sus símbolos.

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

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. Cuanto mayor sea la tensión de Puerta (Gate) mayor será el campo eléctrico y, por tanto, la carga en el canal. Una vez creado el canal, la corriente se origina, aplicando una tensión positiva en el Drenador (Drain) respecto a la tensión de la Fuente (Source).

En un MOSFET tipo P, el funcionamiento es a la inversa, ya que los portadores son huecos (cargas de valor positivas, el módulo de la carga del electrón). En este caso, para que exista conducción el campo eléctrico perpendicular a la superficie debe tener sentido opuesto al del MOSFET tipo N, por lo que la tensión aplicada ha de ser negativa. 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 (más huecos en el canal P), corriente que se establece al aplicar al terminal de Drenador una tensión negativa respecto al terminal de Fuente. La corriente tiene sentido opuesto a la de un MOSFET tipo N.

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, V_T. 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.

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

Según los valores que tome la tensión V_GS, se pueden considerar tres casos:

1) V_GS=0. Esta condición implica que V_GS=0, puesto que V_SB=0. En estas condiciones, no existe efecto campo y no se crea el canal de e^–, debajo de la Puerta. Las dos estructuras PN se encuentran cortadas (B al terminal más negativo) y aisladas. I_DS=0 aproximadamente, pues se alimenta de las intensidades inversas de saturación.

2) La tensión V_GS>0, se crea la zona de empobrecimiento o deplexión en el canal. Se genera una carga eléctrica negativa e^– en el canal, debido a los iones negativos de la red cristalina (similar al de una unión PN polarizada en la región inversa), dando lugar a la situación de inversión débil anteriormente citada. La aplicación de un campo eléctrico lateral V_DS>0, no puede generar corriente eléctrica I_DS.

3) La tensión V_GS>>0, da lugar a la inversión del canal y genera una población de e^– libres, debajo del oxido de Puerta y p⁺ al fondo del substrato. Se forma el CANAL N o canal de electrones, entre el Drenador y la Fuente (tipo n⁺) que, modifica las característica eléctricas originales del sustrato. Estos electrones, son cargas libres, de modo que, en presencia de un campo eléctrico lateral, podrían verse acelerados hacia Drenador o Surtidor. Sin embargo, existe un valor mínimo de V_GS para que el número de electrones, sea suficiente para alimentar esa corriente, es V_T, denominada TENSIÓN UMBRAL (en algunos tratados se denomina V_TH).

Por lo tanto, se pueden diferenciar dos zonas de operación para valores de V_GS positivos:

– Si V_GS< V_T la intensidad I_DS=0 (en realidad sólo es aproximadamente cero) y decimos que el transistor opera en inversión débil. En ella, las corrientes son muy pequeñas y su utilización se enmarca en contextos de muy bajo consumo de potencia. Se considerará que la corriente es siempre cero. De otro lado;

– Si V_GS>=V_T, entonces I_DS es distinto de cero, si V_DS es no nulo. Se dice que el transistor opera en inversión fuerte.

Cuanto mayor sea el valor de V_GS, mayor será la concentración de cargas libres en el canal y por tanto, será superior la corriente I_DS.

Regiones de operación.

Cuando ya existe canal inducido y V_DS 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.

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.

Región de corte.

El transistor estará en esta región, cuando V_GS < V_t. En estas condiciones el transistor MOSFET, equivale eléctricamente a un circuito abierto, entre los terminales del Drenador-Surtidor. De acuerdo con el modelo básico del transistor, en esta región, el dispositivo se encuentra apagado. No hay conducción entre Drenador y Surtidor, de modo que el MOSFET se comporta como un interruptor abierto.

Región óhmica.

Cuando un MOSFET está polarizado en la región óhmica, el valor de R_DS(on) viene dado por la expresión:

V_DS(on) = I_D(on) x R_DS(on)

En casi todas las hojas de datos, asocian el valor de R_DS(on) a una corriente de Drenaje (I_D) específica y el voltaje Puerta-Surtidor.

Por ejemplo, si V_DS(on)=1V y I_D(on)=100mA = 0’1 A; entonces,

Rds(on)=    1V     = 10 Ohms
100mA

Así mismo, el transistor estará en la región óhmica, cuando V_GS > V_t y V_DS < ( V_GS – V_t ).

El MOSFET equivale a una resistencia variable conectada entre el Drenador y Surtidor. El valor de esta resistencia varía dependiendo del valor que tenga la tensión entre la Puerta y el Surtidor (V_GS).

Región de Saturación.

El transistor MOSFET entra en esta zona de funcionamiento cuando la tensión entre el Drenador y el Surtidor (V_DS) supera un valor fijo denominado tensión de saturación (V_{ds sat}) 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 (I_D), independientemente del valor de tensión que haya entre el Drenador y el Surtidor (V_DS). Por lo tanto, el transistor equivale a un generador de corriente continua de valor I_D.

Es decir; el MOSFET estará en esta región, cuando V_GS > V_t y V_DS > ( V_GS – V_t ).

O sea, estaremos en la región de saturación cuando el canal se interrumpe o estrangula, lo que sucede cuando:

V_DS ≥ V_GS – V_T → 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. La corriente entre Fuente y Drenador no se interrumpe, es debido al campo eléctrico entre ambos, pero se hace independiente de la diferencia de potencial entre ambos terminales.

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.

Región de Ruptura.

Esta zona apenas se utiliza porque el transistor MOSFET pierde sus propiedades semiconductoras y se puede llegar a romper el componente físico. La palabra ruptura hace referencia a que se rompe la unión semiconductora de la parte del terminal del drenador.

Los transistores unipolares están limitados en tres magnitudes eléctricas:

–En tensión: no se puede superar el valor máximo de
tensión entre la puerta y el surtidor. Este valor se
denomina BVgs. Tampoco se puede superar un valor
máximo de tensión entre el drenador y el surtidor
denominado BVds.
–En corriente: no se puede superar un valor de corriente
por el drenador, conocido como Idmax.
–En potencia: este límite viene marcado por Pdmax, y es
la máxima potencia que puede disipar el componente.

Resumiendo:

Máxima Tensión Puerta-Fuente. La delgada capa de dióxido 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 están protegidos con diodos zener internos, en paralelo con la Puerta y la Fuente. La tensión del zener, es menor que la tensión Puerta-Fuente que soporta el MOSFET V_GS(Max).

Zona Óhmica. El MOSFET es un dispositivo de conmutación, por lo que evitaremos, en lo posible, polarizarlo en la zona activa. La tensión de entrada típica tomará un valor bajo o alto. La tensión baja es 0 V, y la tensión alta es V_GS(on), especificado en hojas de características.

Drenador-Fuente en resistencia. Cuando un MOSFET de enriquecimiento se polariza en la zona activa, es equivalente a una resistencia de R_DS(on), especificada en hojas de características. En la curva característica existe un punto Q_test en la zona óhmica. En este punto, I_D(on) y V_DS(on) están determinados, con los cuales se calcula R_DS(on).

Capacidades parásitas.

Al igual que en los transistores bipolares, la existencia de condensadores parásitos en la estructura MOS origina el retraso en la respuesta del mismo, cuando es excitado por una señal de tensión o intensidad externa. La carga/descarga de los condensadores parásitos, requiere un determinado tiempo, que determina la capacidad de respuesta de los MOSFET a una excitación. En la estructura y funcionamiento de estos transistores se localizan dos grupos de capacidades:

1) Las capacidades asociadas a las uniones PN de las
áreas de Drenador y Fuente. Son no lineales con las
tensiones de las uniones. Se denominan Capacidades
de Unión.

2) Las capacidades relacionadas con la estructura MOS.
Están asociadas principalmente a la carga del canal
(iones o cargas libres) y varían notoriamente en
función de la región de operación del transistor, de
modo que, en general, no es posible considerar un
valor constante de las mismas. Se denominan
Capacidades de Puerta.

De ellas, las capacidades de Puerta suelen ser las más significativas y dentro de ellas, la capacidad de Puerta-Fuente C_GS y de Drenador-Fuente, C_DS son en general, las dominantes.

En la siguiente figura, se muestran las curvas de entrada y salida de un transistor MOSFET N con V_t= 2V conectado en Fuente común (SC), es decir, el terminal de Fuente, es común la señal de entrada V_GS y las señales de salida I_D y V_DS.

Estas curvas de salida, se obtienen al representar las variaciones de I_D al aumentar V_DS, para diferentes valores de V_GS, es decir, I_D=ƒ(Vds)_VGS=cte.

La curva más baja es la curva de V_GS(T). Cuando V_GS es menor que V_GS(T), la corriente de Drenador es extremadamente pequeña. Cuando V_GS es mayor que V_GS(T), fluye una considerable corriente, cuyo valor depende de V_GS.

Si V_GS≤V_T, el transistor MOSFET, estará en la región de corte y la corriente I_D=0.

Si V_GS≥V_T, el transistor MOSFET, estará en la región de conducción y se pueden dar dos casos:

  a) Si V_DS≥V_GS-V_T, el transistor MOSFET, estará en la región de saturación y la corriente será constante para un valor determinado de V_GS. La curva de transferencia de la figura que representa I_D=ƒ(V_DS)_VGS=cte., se obtiene a partir de las curvas de salida para una tensión V_DS constante que sitúe al transistor en saturación. Se observa que aproximadamente corresponde a la curva de una parábola con vértice en V_T y por tanto, la corriente puede determinarse de forma aproximada por:

I_D=k(V_GS-V_T²

donde k es el parámetro de transconductancia del MOSFET N y se mide en mA/V².

 b) Si V_DS≤V_GS-V_T, el transistor MOSFET, estará en la región óhmica de forma que, al aumentar V_DS, también lo harán la corriente y la resistencia del canal. El comportamiento del transistor puede asociarse a la resistencia que presenta el canal entre Drenador y Fuente.

EL MOSFET COMO INVERSOR.

El funcionamiento del transistor MOSFET en conmutación implica que la tensión de entrada y salida del circuito posee una excursión de tensión, elevada (de 0 a V_DD) entre los niveles lógicos alto H (asociada a la tensión V_DD) y bajo L (asociada a la tensión 0). Para el nivel bajo, se persigue que V_GS > V_t y que el transistor se encuentre trabajando en la región óhmica, con lo cual V_DS << 1. Mientras que para en el nivel alto, se persigue que la tensión de salida sea elevada, y en general, que el transistor esté funcionando en la región de corte, con V_DS >> 1. Se puede considerar que, el transistor MOSFET es capaz de funcionar como un interruptor.

El funcionamiento como inversor del transistor MOSFET N se basa en sus características en conmutación: pasando de la región de corte a la región óhmica.

El transistor MOSFET en conmutación, basado en un interruptor con resistencia de Drenador, es fundamental en circuitos digitales, puesto que la conmutación de corte a saturación y viceversa, implica unos tiempos de retardo de gran importancia en estos sistemas.

Inversor con carga pasiva. La palabra pasiva se refiere a una resistencia normal como R_D. En este circuito V_in puede ser alta o baja.

Cuando V_in esta en nivel bajo, el MOSFET esta en corte y V_out es igual a la tensión de alimentación. Cuando V_in esta en nivel alto, el MOSFET esta en conducción y V_out cae a un nivel bajo. Para que este circuito funcione la corriente de saturación I_D(sat) tiene que ser menor que I_D(on).

R_DS(on)<< R_D

Se denomina inversor, por que la tensión de salida, es de nivel opuesto a la tensión de entrada. Lo único que se requiere en los circuitos de conmutación, es que las tensiones de entrada y de salida se puedan reconocer fácilmente, ya sea en nivel alto o bajo.

El MOSFET como interruptor.

Sabemos que si en un MOSFET la tensión entre la Puerta y la Fuente es menor que la tensión umbral, V_GS<V_T, el transistor está cortado. Es decir, entre los terminales de Fuente y Drenador, la corriente es nula, ya que existe un circuito abierto. Sin embargo, cuando V_GS es mayor que V_T se crea el canal, y el transistor entra en conducción. Cuanto mayor es la tensión de puerta menor es la resistencia del canal, y ésta puede llegar a aproximarse a un cortocircuito. Así, el MOSFET es capaz de funcionar como un interruptor.

El MOSFET como interruptor se emplea frecuentemente en electrónica digital, para transmitir o no, los estados lógicos a través de un circuito. Existe, sin embargo, una pequeña dificultad: cuando el MOSFET tipo N actúa 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 tensión umbral.

Para que exista el canal bajo la puerta, la tensión en ésta ha de ser V_H (V_H > V_T). Al transmitir V_H, el terminal de la izquierda actúa como Drenador, ya que está a una tensión más alta, y el de la derecha como Fuente. A medida que la tensión en el terminal de Fuente aumenta, la tensión entre la Puerta y la Fuente, V_GS, disminuye. Todo esto ocurre hasta que la tensión de la Fuente alcanza el valor V_H-V_T, momento en que V_GS iguala la tensión umbral y el transistor deja de conducir.

En cambio, al transmitir la tensión V_L el terminal de la izquierda actúa como Fuente y el de la derecha como Drenador. La tensión entre la Puerta y la Fuente permanece en todo momento constante, a igual a V_H-V_L (valor que debe ser superior a la tensión umbral), por lo que en el Drenador se llega a alcanzar VL.

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.

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 configuración, se denomina puerta de paso. 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 añadiendo un círculo a una de las puertas, o una barra sobre una de las tensiones.

Polarización de MOSFET.

Los circuitos de polarización típicos para MOSFET enriquecido, son similares al circuito de polarización utilizados para JFET. La principal diferencia entre ambos es el hecho de que el MOSFET de enriquecimiento típico sólo permite puntos de funcionamiento con valor positivo de V_GS para canal n y valor negativo de V_GS para el canal p. Para tener un valor positivo de V_GS de canal n y el valor negativo de V_GS de canal p, es adecuado un circuito de auto polarización. Por lo tanto hablamos de recorte de realimentación y circuito divisor de tensión para mejorar el tipo MOSFET.

Realimentación, circuito de polarización.

La siguiente figura, muestra el circuito de polarización con realimentación típico para MOSFET canal n de enriquecimiento.

Como se mencionó anteriormente, para el análisis en corriente continua, podemos reemplazar el condensador de acoplamiento por circuitos abiertos y también reemplazar el resistor R_G por su equivalente en corto circuito, ya que I_G = 0.

La figura, también muestra, el circuito simplificado, para el análisis con recorte de realimentación CC. Como los terminales de Drenaje y Puerta están en cortocircuito,

V_D=V_G
y V_DS=V_GS=> V_s=0 [1]

Aplicando la segunda Ley de Kirchhoff a los circuitos de salida, obtenemos,

V_DD-I_DxR_D-V_DS=0
si V_DS=V_DD-I_dxR_d [2]
o V_GS=V_DD-I_DxR_D; si V_DS
=V_GS [3]

Ejemplo practico: Para el circuito dado en la siguiente figura, calcular V_GS, I_D y V_DS.

Solución: Tenemos que,

V_DD = 12 V
V_GS = 8 V
V_T = 3 V

Como, V_GS = V_DD – I_D x R_D = 12 – I_D x R_D
tenemos que,

I_D = K(V_GS-V_T)²

Sustituyendo valores de V_GS tenemos,

I_D=K((12-I_d x R_d)-V_t)² =0.24 x 10^-3[12-I_D x 2 x 10^-3-3]²
=0.24×10^-3 [81 – 36000 I_D + 4000000 I²_D]
Así; I_D = 0.01944 – 8.64 I_D + 960 I²_d
960 x I²_D – 9.64 x I_D + 0.01944 = 0

Esto es una ecuación de segundo grado y se puede resolver usando la fórmula habitual.

Resolución de ecuaciones cuadráticas, usando la fórmula tendremos;

960xI²_D-9.64xI_D+0.01944=0 donde,

Si calculamos el valor de V_DS teniendo I_D = 7.2477mA nos quedará,

V_ds=V_dd-I_dxR_d=12-7.2477×10^-3x2x10³=12-14.495=-2.495

En la práctica, el valor de V_DS debe ser positivo, por lo tanto I_d =7.2477mA, no es valido.

Ahora, calculemos el valor de V_DS teniendo I_D = 7.2477mA, obtenemos que,

Vgs=12-2.794×10^-3x2x10³=12-5.588=6.412V
V_GS=6.412V

Inversor con carga activa.

En la figura se muestra un conmutador con carga activa, el MOSFET inferior actúa como conmutador, pero el superior actúa como una resistencia de valor elevado, el MOSFET superior tiene su Puerta conectada a su Drenador, por esta razón, se convierte en un dispositivo de dos terminales, como una resistencia activa, cuyo valor se puede determinar con:

Donde V_DS(activa) e I_DS(activa) son tensiones y corrientes en la zona activa.

Para que el circuito trabaje de forma adecuada, la R_D del MOSFET superior, tiene que ser mayor que la R_D del MOSFET inferior.

En la figura anterior se indica como calcular la R_D del MOSFET superior. Al ser V_GS=V_DS, 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 V_GS=V_DS.

La curva de dos terminales significa que el MOSFET superior actúa como una resistencia de valor R_D. Este valor R_D cambia ligeramente para los diferentes puntos.

En el punto más alto; I_D= 3mA y V_DS=15V

En el punto mas bajo; I_D= 0.7mA y V_DS=5v

Una sencilla y práctica explicación del funcionamiento de un transistor MOSFET puede resumirse en que; al aplicar una determinada tensión (positiva respecto a GND) sobre la Puerta o Gate, dentro del transistor, se genera un campo eléctrico que permite la circulación de corriente entre el terminal Drenador y el terminal Fuente. La tensión mínima de Puerta para que el transistor comience a conducir (depende de su hoja de datos), por ej. para un IRFZ44N está ubicada entre 2 y 4V, mientras que la máxima tensión que podremos aplicar, respecto al terminal Fuente, es de 20V.

En conmutación y en saturación, en el caso del transistor MOSFET IRFZ44N, nos interesa aplicar 10V de tensión en la Puerta, para lograr la mínima resistencia entre Drenador y Fuente. En otro caso, no obtendremos el mejor rendimiento, por la mayor disipación de calor, debido a una mayor resistencia a la circulación de corriente entre Drenador y Fuente. No se debe sobrepasar la tensión V_GS máxima de 20V, ya que el transistor se estropeará. En cambio, si la tensión de Puerta no alcanza los 2 a 4V, el transistor no entrará en conducción.

Recapitulemos.

Consideremos, el caso de utilizar el MOSFET en conmutación, se debe aplicar la señal de activación del MOSFET con un flanco de subida muy corto en tiempo, al igual que el flanco de bajada. Tal vez con un ejemplo quede más claro.

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 más sencillo sería un transistor, como se muestra en la figura que sigue.

En el esquema de la figura, la salida del micro, se aplica a R1, cuando la tensión sea positiva, el NPN conducirá en saturación, por lo tanto, su colector estará aproximadamente a GND y como consecuencia, el MOSFET, no conducirá. En el caso de que a la base del NPN le llegue una tensión negativa o cercana a GND, el transistor no conducirá y la tensión en su colector será cercana a la tensión Vcc, esto hace que el MOSFET se comporte como un interruptor cerrado, dejando pasar la máxima intensidad (IDds).

Que hace el transistor NPN, conmuta su estado entre Vcc y GND, la cuestión es que, lo debe hacer con un tiempo muy corto, al pasar de un estado alto a  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 óhmica, para evitar las perdidas que se evidencian con el calor que desprenderá en su caso.

Mejorando el circuito anterior, podríamos añadir un par de transistores BJT más, para reducir el tiempo se subida y bajada al conmutar los niveles de tensión, veamos la siguiente figura.

Cómo 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, éste, conducirá en saturación y por tal motivo, también lo hará el MOSFET. Entre tanto, el ante dicho nivel, al llegar el transistor PNP de abajo, hará 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, éste no conducirá, sin embargo, el transistor PNP se comportará como un interruptor cerrado, conduciendo en saturación, lo que hará que el MOSFET, se bloquee o corte su paso de corriente. Supongo que ahora está, más claro.

Naturalmente, el estudio del transistor MOSFET, requiere un calado mayor, aquí, sólo he querido hacer hincapié en los conceptos más relevantes, si bien es cierto, sin entrar en demasiados detalles. Entiendo que los lectores, actualmente disponen de medios y lugares donde adquirir conocimientos más profundos si es de su interés.

Esto es todo, por este tutorial de teoría, los que quieran leer más sobre el tema, lo pueden hacer consultando libros de texto de los distintos autores.

Referencias.

-Bakshi, U.A.; Godse, A.P. (2007) «8.2
The depletion mode MOSFET». Electronic Circuits
ISBN 978-81-8431-284-3.
-«1960 – Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor
Demonstrated»: John Atalla and Dawon Kahng
fabricate working transistors and demonstrate the
first successful MOS field-effect amplifier
(issued in 1963).
-«The Silicon Engine | 1948 – Conception of the
Junction Transistor». Computer History Museum (2007).
-TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA. L. Gomez de Tejeda.
-Técnicas electrónicas digitales.
A. Hermosa Donate. 1997
-«El transistor MOSFET capitulo4»
-«Tema4 El MOSFET»
-«Tema6 – transistores MOSFET«