Qué es un MOSFET: funcionamiento y sus aplicaciones

Qué es un MOSFET: funcionamiento y sus aplicaciones

El transistor MOSFET (Transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico) es un dispositivo semiconductor que se usa ampliamente para fines de conmutación y para la amplificación de señales electrónicas en dispositivos electrónicos. Un MOSFET es un núcleo o un circuito integrado en el que se diseña y fabrica en un solo chip porque el dispositivo está disponible en tamaños muy pequeños. La introducción del dispositivo MOSFET ha supuesto un cambio en el dominio de conmutación en electrónica . Vayamos con una explicación detallada de este concepto.

¿Qué es MOSFET?

Un MOSFET es un dispositivo de cuatro terminales que tiene terminales de fuente (S), puerta (G), drenaje (D) y cuerpo (B). En general, el cuerpo del MOSFET está en conexión con el terminal fuente, formando así un dispositivo de tres terminales como un transistor de efecto de campo. El MOSFET generalmente se considera un transistor y se emplea tanto en circuitos analógicos como digitales. Este es el básico introducción a MOSFET . Y la estructura general de este dispositivo es la siguiente:




MOSFET

MOSFET



De lo anterior Estructura MOSFET , la funcionalidad de MOSFET depende de las variaciones eléctricas que ocurren en el ancho del canal junto con el flujo de portadores (ya sean huecos o electrones). Los portadores de carga ingresan al canal a través del terminal de origen y salen por el drenaje.

El ancho del canal está controlado por el voltaje en un electrodo que se llama puerta y está ubicado entre la fuente y el drenaje. Está aislado del canal cerca de una capa extremadamente delgada de óxido metálico. La capacidad MOS que existe en el dispositivo es la sección crucial donde toda la operación se encuentra a través de esto.



MOSFET con terminales

MOSFET con terminales

Un MOSFET puede funcionar de dos formas

  • Modo de agotamiento
  • Modo de mejora

Modo de agotamiento

Cuando no hay voltaje en el terminal de la puerta, el canal muestra su conductancia máxima. Mientras que cuando el voltaje a través del terminal de la puerta es positivo o negativo, la conductividad del canal disminuye.




Por ejemplo

Modo de deflexiónModo de mejora

Cuando no hay voltaje en el terminal de la puerta, el dispositivo no conduce. Cuando existe el voltaje máximo en el terminal de la puerta, el dispositivo muestra una conductividad mejorada.

Modo de mejora

Modo de mejora

Principio de funcionamiento de MOSFET

El principio principal del dispositivo MOSFET es poder controlar el voltaje y el flujo de 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 de MOSFET.

La superficie del semiconductor en la capa de óxido inferior que se encuentra entre la fuente y el terminal de drenaje se puede invertir de tipo p a tipo n mediante la aplicación de voltajes de puerta positivos o negativos, respectivamente. Cuando aplicamos una fuerza repulsiva para el voltaje de puerta positivo, los orificios presentes debajo de la capa de óxido se empujan hacia abajo con el sustrato.

La región de agotamiento poblada por las cargas negativas unidas que están asociadas con los átomos aceptores. Cuando se alcanzan los electrones, se desarrolla un canal. El voltaje positivo también atrae electrones de la fuente n + y drena las regiones hacia el canal. Ahora, si se aplica un voltaje entre el drenaje y la fuente, la corriente fluye libremente entre la fuente y el drenaje y el voltaje de la puerta controla los electrones en el canal. En lugar del voltaje positivo, si aplicamos un voltaje negativo, se formará un canal de agujeros debajo de la capa de óxido.

Diagrama de bloques MOSFET

Diagrama de bloques MOSFET

MOSFET de canal P

El MOSFET de canal P tiene una región de canal P ubicada entre los terminales de fuente y drenaje. Es un dispositivo de cuatro terminales que tiene los terminales como puerta, drenaje, fuente y cuerpo. El drenaje y la fuente son una región p + fuertemente dopada y el cuerpo o sustrato es de tipo n. El flujo de corriente está en la dirección de los agujeros cargados positivamente.

Cuando aplicamos el voltaje negativo con fuerza repulsiva en el terminal de la puerta, los electrones presentes debajo de la capa de óxido se empujan hacia abajo en el sustrato. La región de agotamiento poblada por las cargas positivas unidas que están asociadas con los átomos donantes. El voltaje de la puerta negativa también atrae los agujeros de la fuente p + y la región de drenaje hacia la región del canal.

Modo de agotamiento Canal P

Modo de agotamiento Canal P

Modo mejorado de canal P

Modo mejorado de canal P

MOSFET de canal N

El MOSFET de canal N tiene una región de canal N ubicada entre los terminales de fuente y drenaje. Es un dispositivo de cuatro terminales que tiene los terminales como puerta, drenaje, fuente, cuerpo. En este tipo de transistor de efecto de campo, el drenaje y la fuente están fuertemente dopados en la región n + y el sustrato o cuerpo son de tipo P.

El flujo de corriente en este tipo de MOSFET ocurre debido a electrones cargados negativamente. Cuando aplicamos el voltaje positivo con fuerza repulsiva en el terminal de la puerta, los orificios presentes debajo de la capa de óxido se empujan hacia abajo en el sustrato. La región de agotamiento está poblada por las cargas negativas unidas que están asociadas con los átomos aceptores.

Al alcanzar los electrones, se forma el canal. El voltaje positivo también atrae electrones de la fuente n + y drena las regiones hacia el canal. Ahora, si se aplica un voltaje entre el drenaje y la fuente, la corriente fluye libremente entre la fuente y el drenaje y el voltaje de la puerta controla los electrones en el canal. En lugar de voltaje positivo, si aplicamos voltaje negativo, se formará un canal de orificios debajo de la capa de óxido.

Modo de mejora Canal N

Modo de mejora Canal N

Regiones de operación MOSFET

Para el escenario más general, el funcionamiento de este dispositivo ocurre principalmente en tres regiones y son las siguientes:

  • Región de corte - Es la región donde el dispositivo estará en la condición de APAGADO y no habrá cantidad de flujo de corriente a través de él. Aquí, el dispositivo funciona como un interruptor básico y se emplea cuando son necesarios para funcionar como interruptores eléctricos.
  • Región de saturación - En esta región, los dispositivos tendrán su valor de corriente de drenaje a fuente como constante sin considerar la mejora en el voltaje a través del drenaje a fuente. Esto sucede solo una vez cuando el voltaje a través del drenaje al terminal de la fuente aumenta más que el valor del voltaje de pellizco. En este escenario, el dispositivo funciona como un interruptor cerrado donde fluye un nivel saturado de corriente a través del drenaje a los terminales de la fuente. Debido a esto, la región de saturación se selecciona cuando se supone que los dispositivos deben realizar la conmutación.
  • Región lineal / óhmica - Es la región donde la corriente a través de la terminal de drenaje a fuente aumenta con el incremento en el voltaje a través de la ruta de drenaje a fuente. Cuando los dispositivos MOSFET funcionan en esta región lineal, realizan la funcionalidad de amplificador.

Consideremos ahora las características de conmutación de MOSFET

También un semiconductor como MOSFET o transistor de unión bipolar funciona básicamente como interruptores en dos escenarios, uno está en estado ON y el otro en estado OFF. Para considerar esta funcionalidad, echemos un vistazo a las características ideales y prácticas del dispositivo MOSFET.

Características ideales del interruptor

Cuando se supone que un MOSFET funciona como un interruptor ideal, debe tener las siguientes propiedades y esas son

  • En la condición ON, tiene que haber la limitación actual que conlleva
  • En la condición de APAGADO, los niveles de voltaje de bloqueo no deben tener ningún tipo de limitación
  • Cuando el dispositivo funciona en estado ON, el valor de caída de voltaje debe ser nulo
  • La resistencia en estado APAGADO debe ser infinita
  • No debe haber restricciones en la velocidad de operación.

Características prácticas del interruptor

Como el mundo no se limita a aplicaciones ideales, el funcionamiento de MOSFET es incluso aplicable con fines prácticos. En el escenario práctico, el dispositivo debe tener las siguientes propiedades

  • En la condición de ENCENDIDO, las capacidades de administración de energía deben ser limitadas, lo que significa que el flujo de corriente de conducción debe restringirse.
  • En el estado APAGADO, los niveles de voltaje de bloqueo no deben limitarse
  • Encender y apagar durante un tiempo limitado restringe la velocidad límite del dispositivo e incluso limita la frecuencia funcional
  • En la condición ON del dispositivo MOSFET, habrá valores mínimos de resistencia donde esto resulte en la caída de voltaje en la polarización de reenvío. Además, existe una resistencia finita de estado APAGADO que proporciona una corriente de fuga inversa
  • Cuando el dispositivo funciona con características prácticas, pierde energía en condiciones de ENCENDIDO y APAGADO. Esto también sucede incluso en los estados de transición.

Ejemplo de MOSFET como conmutador

En la siguiente disposición del circuito, se utiliza un modo mejorado y un MOSFET de canal N para cambiar una lámpara de muestra con las condiciones ON y OFF. El voltaje positivo en el terminal de la puerta se aplica a la base del transistor y la lámpara pasa a la condición de ENCENDIDO y aquí VGS= + vo a nivel de voltaje cero, el dispositivo se apaga cuando VGS=0.

MOSFET como interruptor

MOSFET como interruptor

Si la carga resistiva de la lámpara fuera a ser reemplazada por una carga inductiva y conectada al relé o diodo que está protegido a la carga. En el circuito anterior, es un circuito muy simple para cambiar una carga resistiva, como una lámpara o un LED. Pero cuando se usa MOSFET como interruptor, ya sea con carga inductiva o capacitiva, se requiere protección para el dispositivo MOSFET.

Si en el caso de que el MOSFET no esté protegido, puede provocar daños en el dispositivo. Para que el MOSFET funcione como un dispositivo de conmutación analógico, debe cambiarse entre su región de corte donde VGS= 0 y región de saturación donde VGS= + v.

Descripción del video

MOSFET también puede funcionar como un transistor y se abrevia como Transistor de efecto de campo de silicio de óxido metálico. Aquí, el nombre mismo indica que el dispositivo se puede operar como un transistor. Tendrá canal P y canal N. El dispositivo está conectado de tal manera usando los cuatro terminales de fuente, compuerta y drenaje y una carga resistiva de 24 Ω está conectada en serie con un amperímetro, y un medidor de voltaje está conectado a través del MOSFET.

En el transistor, el flujo de corriente en la puerta está en una dirección positiva y el terminal de la fuente está conectado a tierra. Mientras que en los dispositivos de transistores de unión bipolar, el flujo de corriente es a través de la ruta de base a emisor. Pero en este dispositivo, no hay flujo de corriente porque hay un capacitor al comienzo de la puerta, solo requiere voltaje.

Esto puede suceder si se continúa con el proceso de simulación y se enciende / apaga. Cuando el interruptor está ENCENDIDO, no hay flujo de corriente a través del circuito, cuando la resistencia de 24 Ω y 0,29 del voltaje del amperímetro están conectadas, entonces encontramos la caída de voltaje insignificante en la fuente porque hay + 0,21 V en este dispositivo.

La resistencia entre el drenaje y la fuente se denomina RDS. Debido a este RDS, la caída de voltaje aparece cuando hay flujo de corriente en el circuito. El RDS varía según el tipo de dispositivo (puede variar entre 0,001, 0,005 y 0,05 según el tipo de voltaje.

Algunos de los conceptos para aprender son:

1). Cómo elegir MOSFET como interruptor ?

Hay algunas condiciones que se deben observar al seleccionar el MOSFET como interruptor y son las siguientes:

  • Uso de polaridad en canal P o N
  • Una clasificación máxima de voltaje de funcionamiento y valores actuales
  • Aumento de Rds ON, lo que significa que la resistencia en el terminal Drain to Source cuando el canal está completamente abierto
  • Frecuencia operativa mejorada
  • El tipo de embalaje es de To-220 y DPAck y muchos otros.

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

La principal restricción en el momento de operar el MOSFET como dispositivo de conmutación es el valor de corriente de drenaje mejorado que el dispositivo puede ser capaz de realizar. Significa que RDS en condición ON es el parámetro crucial que decide la capacidad de conmutación del MOSFET. Se representa como la relación entre el voltaje de la fuente de drenaje y el de la corriente de drenaje. Tiene que calcularse solo en el estado ON del transistor.

3). ¿Por qué se usa el interruptor MOSFET en Boost Converter?

En general, un convertidor elevador necesita un transistor de conmutación para el funcionamiento del dispositivo. Entonces, como transistores de conmutación se utilizan MOSFET. Estos dispositivos se utilizan para conocer el valor actual y los valores de voltaje. Además, teniendo en cuenta la velocidad de conmutación y el costo, estos se emplean ampliamente.

De la misma manera, MOSFET también se puede usar de múltiples maneras. y esos son

  • MOSFET como interruptor para LED
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  • MOSFET como interruptor para Arduino
  • Interruptor MOSFET para carga de CA
  • Interruptor MOSFET para motor de CC
  • Interruptor MOSFET para voltaje negativo
  • MOSFET como conmutador con Arduino
  • MOSFET como interruptor con microcontrolador
  • Interruptor MOSFET con histéresis
  • MOSFET como diodo de conmutación y resistencia activa
  • MOSFET como una ecuación de conmutación
  • Interruptor MOSFET para airsoft
  • MOSFET como resistencia de puerta de conmutación
  • MOSFET como solenoide de conmutación
  • Interruptor MOSFET usando un optoacoplador
  • Interruptor MOSFET con histéresis

Aplicación de MOSFET como conmutador

Uno de los principales ejemplos de este dispositivo es que se utiliza como interruptor para el control automático del brillo en las luces de la calle. En estos días, muchas de las luces que observamos en las carreteras consisten en lámparas de descarga de alta intensidad. Pero el uso de lámparas HID consume mayores niveles de energía.

El brillo no se puede limitar en función de los requisitos y, debido a esto, debe haber un interruptor para el método de iluminación alternativo y es LED. El uso del sistema LED superará las desventajas de las lámparas de alta intensidad. El concepto principal detrás de la construcción de esto fue controlar las luces directamente en las carreteras mediante el uso de un microprocesador.

Aplicación MOSFET como Switch

Aplicación MOSFET como Switch

Esto se puede lograr simplemente modificando los pulsos del reloj. Según la necesidad, este dispositivo se utiliza para cambiar lámparas. Consta de una placa raspberry pi donde se incluye un procesador para su gestión. Aquí, los LED se pueden sustituir en lugar de los HID y estos tienen una conexión con el procesador a través de MOSFET. El microcontrolador entrega los ciclos de trabajo correspondientes y luego cambia a MOSFET para proporcionar un alto nivel de intensidad.

Ventajas

Algunas de las ventajas son:

  • Genera una mayor eficiencia incluso cuando funciona a niveles mínimos de voltaje
  • No hay presencia de corriente de puerta, esto crea más impedancia de entrada, lo que proporciona una mayor velocidad de conmutación para el dispositivo.
  • Estos dispositivos pueden funcionar a niveles mínimos de energía y usan una corriente mínima

Desventajas

Algunas de las desventajas son:

  • Cuando estos dispositivos funcionan a niveles de voltaje de sobrecarga, se crea inestabilidad en el dispositivo.
  • Dado que los dispositivos tienen una fina capa de óxido, esto puede dañar el dispositivo cuando es estimulado por las cargas electrostáticas.

Aplicaciones

Las aplicaciones de MOSFET son

  • Los amplificadores hechos de MOSFET se emplean extremadamente en aplicaciones de frecuencia extensas
  • La regulación para motores DC son proporcionados por estos dispositivos
  • Como estos tienen velocidades de conmutación mejoradas, actúa como perfecto para la construcción de amplificadores chopper.
  • Funciona como componente pasivo de varios elementos electrónicos.

Al final, se puede concluir que el transistor requiere corriente mientras que el MOSFET requiere voltaje. El requisito de conducción para el MOSFET es mucho mejor, mucho más simple en comparación con un BJT. Y tambien saber ¿Cómo conecto un Mosfet a un interruptor?

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