Estructura y características del MOSFET de potencia

Estructura y características del MOSFET de potencia

En el mundo de la electrónica, el MOSFET de potencia se erige como una pieza fundamental en el diseño de circuitos eficientes y versátiles. Este dispositivo, a menudo considerado el rey de los transistores, no solo controla la potencia eléctrica con una precisión asombrosa, sino que también destaca por sus características que lo hacen indispensable en diversas aplicaciones, desde fuentes de alimentación hasta sistemas de energía renovable. En este artículo, exploraremos la intrigante estructura del MOSFET de potencia y desentrañaremos las propiedades que lo convierten en el aliado perfecto para ingenieros y diseñadores. Acompáñanos en este fascinante viaje por el interior de uno de los componentes más revolucionarios de la tecnología moderna.

El MOSFET de potencia es un componente esencial en el mundo de la electrónica, especialmente en el campo de la energía. Su estructura y características lo convierten en una opción ideal para controlar altas corrientes y voltajes. En este artículo, exploraremos en detalle estas características y cómo se utilizan en diferentes aplicaciones. ¡Descubre todo lo que necesitas saber sobre este poderoso dispositivo!

En este artículo, discutiremos la estructura MOSFET de potencia y sus características. El MOSFET es un importante dispositivo de electrónica de potencia desarrollado mediante la combinación de tecnología MOS y áreas del concepto de transistor de efecto de campo.

¿Qué es un MOSFET?

• Es un dispositivo de tres terminales del drenaje, la compuerta y la fuente.
• El símbolo del circuito de MOSFET se muestra a continuación.

>

• MOSFET es un dispositivo controlado por voltaje.
• MOSFET es un dispositivo unipolar ya que la corriente a través de MOSFET depende de los portadores mayoritarios.
• Para MOSFET, el terminal de puerta es el terminal de control, donde la corriente de puerta es muy baja. Esto se debe a que la impedancia del circuito de puerta es muy grande. Esta gran impedancia permite que la compuerta MOSFET sea impulsada directamente desde el circuito microelectrónico.
• Los MOSFET de potencia son generalmente aplicables para convertidores de alta frecuencia de baja potencia.
• Los MOSFET de potencia son de dos tipos, tipo de mejora de canal n y MOSFET de tipo de mejora de canal p. El MOSFET de canal n se usa comúnmente debido a la alta movilidad de los electrones.

ESTRUCTURA DE MOSFET

A continuación se proporciona una estructura plana simplificada de MOSFET de canal n.

>En sustrato P, dos n fuertemente dopados+ regiones se difunden como se muestra en la figura anterior. Una capa aislante de dióxido de silicio (Sio2) se cultiva en la superficie. Ahora, esta capa aislante se graba para incrustar fuentes metálicas y terminales de drenaje. Tenga en cuenta que n+ regiones hacen contacto con la fuente y el terminal de drenaje como se muestra. Una capa de metal también se deposita sobre Sio.2 para formar la puerta de MOSFET.

El circuito GATE decide el estado del MOSFET. Cuando el circuito de la compuerta está abierto, la corriente a través del MOSFET (drenaje a fuente) es cero. Porque uno n+-p polarizado inversamente. La carga está conectada entre el drenaje y la fuente.

Cuando se le da un voltaje positivo a la puerta, se establece un campo eléctrico como se muestra en la figura, eventualmente, se forma una capa negativa en una región de sustrato p entre dos capas n+. Entre la capa de carga positiva y la capa de carga negativa Sio2 actúa como un dieléctrico. Estas cargas negativas forman un canal n y la corriente fluye como se muestra en la figura. Si el voltaje positivo de la puerta aumenta, entonces aumenta la concentración de electrones en el canal n, lo que aumenta la ID de corriente (drenaje a fuente). La corriente de drenaje aumenta con el aumento del voltaje de la puerta, por eso se llama un tipo de mejora MOSFET

Una desventaja del MOSFET de canal n es que la resistencia en estado activo es alta, lo que conduce a una pérdida de potencia en un estado. Esa es la razón por la que se prefiere MOSFET para aplicaciones de baja potencia.

Características de MOSFET

Hay tres tipos de características estáticas de MOSFET.

Características de transferencia

Las características de transferencia son el gráfico entre la corriente de drenaje y la tensión de puerta a fuente (ID contra vgs).

>VT es el voltaje de umbral, que es el voltaje mínimo requerido para iniciar el flujo de corriente de drenaje. El voltaje umbral es del orden de 2 a 3 voltios.

Características de salida (O/P)

Las características de salida del MOSFET de potencia se muestran en la siguiente figura.

>A partir de las características, se puede concluir que con un valor bajo de VDS, la corriente es lineal, es decir, la resistencia en estado activo es constante. Pero a un valor alto de VDS, la corriente permanece constante y varía con VSG. La línea de carga interseca entre A y B.

Características de conmutación

Las características de conmutación de un MOSFET de potencia están influenciadas en gran medida por la capacitancia interna del dispositivo y la impedancia interna del circuito de activación de la puerta. En el encendido, hay un retardo inicial tdn durante el cual la capacitancia de entrada se carga hasta el voltaje de umbral de puerta VT. Aquí tdn se llama tiempo de retardo de encendido. Hay un tiempo de retardo adicional llamado tiempo de subida (tr), durante el cual el voltaje de la compuerta aumenta a VGSP, un voltaje suficiente para llevar el MOSFET al estado de encendido. Durante el tiempo de subida, la corriente sube desde cero hasta la corriente de drenaje (ID). Por lo tanto, el tiempo total de encendido se puede escribir como;

>El tiempo de activación se puede reducir utilizando la fuente de accionamiento de compuerta de baja impedancia.

Como MOSFET es un dispositivo portador mayoritario, el proceso de apagado se inicia poco después de la eliminación del voltaje del terminal de puerta en el momento t1. El tiempo de retardo de apagado tdf es el tiempo durante el cual la capacitancia de entrada se descarga del voltaje de puerta de sobremarcha V1 a VGSP. El tiempo de caída, tf es el tiempo durante las descargas de capacitancia de entrada desde VGSP hasta el voltaje de umbral. Durante el tiempo de caída, la corriente de drenaje cae a cero. Entonces, cuando VGS es menor que el voltaje de umbral, MOSFET se apaga. Las características de conmutación se dan a continuación.

>Los MOSFET de potencia se utilizan ampliamente en SMPS y sus valores nominales son de 500 V y 140 A.

Comparación entre MOSFET y BJT

• El MOSFET de potencia tiene una mayor caída de voltaje en estado activo, es decir, una alta resistencia en estado activo en comparación con BJT. Entonces, la pérdida de energía en el estado es más en MOSFET en comparación con BJT. La pérdida de conmutación es menor en MOSFET en comparación con BJT. Entonces MOSFET se aplica en circuitos de potencia de alta frecuencia.
• BJT es un dispositivo controlado por corriente y MOSFET es un dispositivo controlado por voltaje.
• MOSFET tiene un coeficiente de temperatura positivo para la resistencia. Esto facilita la operación paralela de MOSFET. BJT tiene un coeficiente de temperatura negativo que disminuye en la resistencia de estado debido a que se requiere una resistencia de distribución de corriente para el funcionamiento en paralelo de BJT.
• En MOSFET, la ruptura secundaria no ocurre, porque tiene un coeficiente de temperatura positivo que disminuye la corriente con el tiempo, pero en el caso de BJT, el coeficiente de temperatura negativo de la resistencia da como resultado un aumento en la corriente de estado que crea puntos calientes y, finalmente, la ruptura de BJT. .
• El MOSFET de potencia tiene mayores pérdidas en estado activo con una clasificación de alto voltaje.
• Las clasificaciones de BJT utilizadas son 1200 V y 800 A, mientras que los MOSFET utilizados son de 500 V y 140 A.

Combinando BJT y MOSFET se desarrolla un nuevo dispositivo llamado IGBT.

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