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Componentes básicos - Transistor de efecto de campo

El transistor de efecto de campo es un dispositivo que permite controlar la corriente mediante voltaje. El transistor MOS que utilizamos comúnmente está compuesto por metal (M), óxido (O) y semiconductor (S), por lo que se le conoce como transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET). A continuación, nos centraremos en el transistor de tipo N de mejora.

Los pines del transistor de efecto de campo corresponden a los del transistor de unión bipolar: la compuerta (G) corresponde a la base (b), el drenaje (D) corresponde al colector (c) y la fuente (S) corresponde al emisor (e). La flecha indica la dirección del movimiento de los electrones.

En condiciones normales de funcionamiento, no circula corriente por la compuerta del transistor de efecto de campo. Por lo tanto, la corriente de drenaje siempre es igual a la corriente de la fuente. Su funcionamiento se basa en el control de la corriente de drenaje mediante la tensión entre la compuerta y la fuente. Por esta razón, también se le conoce como un componente controlado por voltaje.

Definición de los pines del transistor MOS

El transistor MOS tiene tres pines (G, S, D) que se definen de la siguiente manera:

  • G: compuerta (gate)
  • S: fuente (source)
  • D: drenaje (drain)

En el caso de un canal N, la fuente de alimentación generalmente se conecta al drenaje y la salida se conecta a la fuente. En el caso de un canal P, la fuente de alimentación generalmente se conecta a la fuente y la salida se conecta al drenaje. La conexión es básicamente la misma para los transistores de tipo mejora y depleción.

La fuente y el drenaje del transistor MOS se pueden intercambiar, ya que ambos forman una región de tipo N en un sustrato de tipo P. En la mayoría de los casos, estas dos regiones son iguales y, aunque se intercambien, no afectarán al rendimiento.

Diodo parásito

Debido al proceso de fabricación, el transistor MOS puede tener un diodo parásito, también conocido como diodo de cuerpo.

Cuando se cumplen las condiciones de conducción del transistor MOS, el drenaje y la fuente del transistor conducen corriente, mientras que el diodo parásito está en estado de corte. Esto se debe a que la resistencia de conducción del transistor MOS es tan pequeña que no es suficiente para hacer que el diodo parásito conduzca.

Condiciones de conducción del transistor MOS

El transistor MOS es controlado por voltaje, y la conducción se determina por la diferencia de potencial entre la compuerta y la fuente.

Para un transistor N-MOS, se requiere que \(V_g-V_s>V_{gs(th)}\) para que conduzca.

Para un transistor P-MOS, se requiere que \(V_s-V_g>V_{gs(th)}\) para que conduzca.

Características del transistor MOS de tipo mejora

La estructura del transistor MOS de tipo mejora consiste en dos canales de tipo N fabricados sobre un sustrato de silicio de tipo P. Se extraen dos electrodos, uno como fuente (S) y otro como drenaje (D) utilizando aluminio (Al). Luego, se cubre la superficie del semiconductor con una capa muy delgada de óxido de silicio (SiO2). Se coloca otro electrodo de aluminio como compuerta (G) sobre la capa de aislamiento entre el drenaje y la fuente, y se extrae otro electrodo (B) en el sustrato. Debido a que en la mayoría de los casos el sustrato ya está conectado a la fuente en la fábrica, en este momento el drenaje y la fuente no se pueden intercambiar.

La imagen muestra la curva característica voltaje-corriente del MOSFET de tipo mejora. El gráfico de la izquierda muestra la característica de transferencia, mientras que el gráfico de la derecha muestra la característica de salida. Ambos comparten el eje vertical.

Los elementos clave de la curva característica voltaje-corriente son:

  1. Voltaje de encendido \(U_{GS_(th)}\): A partir del gráfico, se puede observar que \(U_{GS_(th)} = 1 V\). Cuando \(U_{GS} < U_{GS_(th)}\), la corriente \(i_D\) es siempre cero, sin importar el valor de \(U_{DS}\). El MOSFET solo se enciende cuando \(U_{GS} > U_{GS_(th)}\).
  2. Ecuación de la región de corriente constante: \(i_D = K(u_{GS}-U_{GS_(th))^2\), donde K afecta la tasa de crecimiento de la curva característica de transferencia (unidad: \(A/V^2\)).
  3. Límite entre la región de resistencia variable y la región de corriente constante: A medida que aumenta \(U_{GS}\), el voltaje de límite \(U_{DS_{dv}}\) también aumenta, y cumple con la ecuación \(U_{DS_{dv}}=U_{GS} - U_{GS_(th)}\).

Modos de funcionamiento del MOSFET

El MOSFET es diferente al transistor bipolar, ya que algunos modelos de encapsulamiento tienen diodos en paralelo. Por lo tanto, el drenaje y la fuente no se pueden invertir, y en el caso de un transistor N, la corriente debe fluir desde el drenaje hacia la fuente, mientras que en el caso de un transistor P, la corriente debe fluir desde la fuente hacia el drenaje. Se puede determinar el modo de funcionamiento utilizando la siguiente tabla:

Algunas zonas de operación:

  • Zona de corte: Cuando \(U_{GS}\) es menor que la tensión de umbral de encendido \(U_{GS_(th)}\), el MOS no está conduciendo.
  • Zona de resistencia variable: \(U_{DS}\) es muy pequeña, \(I_D\) aumenta a medida que \(U_{DS}\) aumenta.
  • Zona de corriente constante: \(U_{DS}\) varía, \(I_D\) varía muy poco.
  • Zona de ruptura: Cuando \(U_{DS}\) alcanza un cierto valor, el MOS se rompe, \(I_D\) aumenta repentinamente, si no hay una resistencia limitadora de corriente, se quemará.
  • Zona de sobrepérdida: Potencia alta, se requiere una mejora en la disipación de calor, prestar atención a la potencia máxima.

Principales parámetros del MOSFET

Parámetros de corriente continua:

  • Tensión de encendido \(U_{GS_(th)}\): Parámetro para MOS de tipo mejorado. Indica el valor mínimo de \(\left| u_{GS} \right|\) necesario para que \(i_D > 0\) cuando \(U_{DS}\) es constante.
  • Tensión de corte \(U_{GS_(off)}\): Parámetro para MOS de tipo de canal y MOS de tipo agotamiento, similar a \(U_{GS_(th)}\), representa \(u_{GS}\) cuando \(i_D\) es una corriente pequeña especificada y \(U_{DS}\) es constante.
  • Resistencia de entrada en corriente continua \(U_{GS_(DC)}\): Relación entre la tensión de puerta-fuente y la corriente de la compuerta, generalmente \(U_{GS_(DC)} > 10^9 \Omega\) para MOS.

Parámetros clave para la selección:

  1. Tensión de ruptura V_BRDSS
    • Varía con la temperatura, se debe dejar margen.
  2. Resistencia de conducción R_DS(on)
    • Coeficiente de temperatura positivo, adecuado para trabajar en paralelo.
    • Cuanto menor sea la resistencia de conducción, menor será la pérdida de conducción.
    • Cuanto menor sea la resistencia de conducción, mayor será Qg, lo que resulta en una velocidad de conmutación más lenta.
    • Mayor pérdida de conmutación, se debe considerar un compromiso en aplicaciones de alta frecuencia.
  3. Temperatura máxima de unión
    • Nunca debe superar la temperatura máxima de unión.
    • Solo se puede medir a través de la temperatura de la carcasa y calcularla mediante la resistencia térmica.
  4. Capacidad dinámica y Qg
    • No son valores fijos, dependen de las condiciones de funcionamiento.
    • Como interruptor, se desea una apertura rápida, se necesita un chip de control que proporcione una corriente instantánea alta.
    • Como MOS de arranque suave, se necesita una apertura lenta para suprimir eficazmente la corriente de sobretensión.

N-MOS:

  • La compuerta requiere un voltaje de conducción más alto que el drenaje.
  • Mejor rendimiento.
  • Más opciones.
  • Menor costo.

P-MOS:

  • La compuerta requiere un voltaje de conducción más bajo que el drenaje.
  • No se requiere un voltaje de conducción más alto, la conducción es simple.

Comparación entre transistores bipolares y MOSFET

Transistor Bipolar MOSFET
Característica Control de corriente por corriente Control de corriente por voltaje
Impedancia de entrada Baja Alta
Ruido Alto Bajo
Velocidad de respuesta Rápida Lenta

Retroalimentación

Definición: Se refiere a la señal (voltaje / corriente) de la salida del circuito amplificador que se devuelve parcial o totalmente a la entrada y se superpone con la señal de entrada.

Retroalimentación negativa: La señal de retroalimentación debilita la señal de entrada. Retroalimentación positiva: La señal de retroalimentación refuerza la señal de entrada.

Encapsulados comunes para MOSFET

Encapsulado SOT

El encapsulado SOT (Small Out-Line Transistor, transistor de pequeño contorno) se utiliza generalmente para MOSFET de baja potencia.

Encapsulado SOT-23:

Encapsulado SOT-89:

Encapsulado TO

El encapsulado TO (Transistor Out-line, contorno del transistor) es una especificación de encapsulado más antigua, originalmente era un encapsulado de inserción directa (por ejemplo, TO-92, TO-220, TO-252), luego evolucionó hacia un encapsulado de montaje en superficie. TO252 y TO263 son ejemplos típicos, donde TO-252 también se conoce como D-PAK y TO-263 también se conoce como D2PAK.

D-PAK es un tipo de encapsulado para MOSFET que tiene 3 terminales. El terminal de drenaje (D) se corta y en su lugar se utiliza la placa de disipación de calor en la parte posterior como terminal de drenaje. Esto permite una mayor corriente de salida y una mejor disipación de calor.

Encapsulado TO-252:

Encapsulado TO-263:

Encapsulado SOP

SOP (Small Out-Line Package, paquete de pequeño contorno) también conocido como SO, SOL o DFP. Por lo general, hay SOP-8, SOP-16, SOP-20, SOP-28, etc. (el número indica la cantidad de terminales). La mayoría de los MOSFETs en encapsulado SOP utilizan la especificación SOP-8.

Encapsulado SOP-8:

Referencias y agradecimientos

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