“Año de la Integración Nacional y el Reconocimiento de Nuestra Diversidad”

UNIVERSIDAD NACIONAL “SAN LUIS GONZAGA” DE ICA

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA

ELETRÓNICA

Curso : Circuitos Digitales II. Informe Nº :1

Título : Circuito con transistor MOSFET. Alumno : Lavarello Bernaola, Francesco. Especialidad : Ing. Electrónica Año : VIEE-1 Grupo :”A” Profesor : Ing. JORGE PACHAS.

ICA-PERU2013

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INTRODUCCIÓN

Hay dos familias de transistores de efecto de campo: los JFET y los MOSFET. Pese a que el concepto básico de los FET se conocía ya en 1930, estos dispositivos sólo empezaron a fabricarse comercialmente a partir de la década de los 60. Y a partir de los 80 los transistores de tipo MOSFET han alcanzado una enorme popularidad. Comparados con los BJT, los transistores MOS ocupan menos espacio, es decir, dentro de un circuito integrado puede incorporase un número mayor. Además su proceso de fabricación es también más simple. Además, existe un gran número de funciones lógicas que pueden ser implementadas únicamente con transistores MOS (sin resistencias ni diodos). Esto ha hecho del transistor MOS el componente estrella de la electrónica digital.

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.

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Índice

Pág.

1.-Transistores mosfet 4

2.-Estructura del mosfet 5

3.-Principio de operación 6

4.-Regiones de operaciones 6

5.-Aplicaciones 9

6.-Circuito utilizando el transistor mosfet 12

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Marco teórico

1.-TRANSISTOR MOSFET:

MOSFET significa "FET de Metal Oxido Semiconductor" o FET de compuerta aislada, es un arreglo de cientos de transistores integrados en un sustrato de silicio. Cada uno entrega una parte a la corriente total.

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.

Uno de los motivos que impulsó su desarrollo es que los transistores bipolares presentan limitaciones. Es un dispositivo controlado por tensión, Es un dispositivo extremadamente veloz en virtud a la pequeña corriente necesaria para estrangular o liberar el canal. Por esta facultad se los usa ampliamente en conmutación. Su velocidad permite diseñar etapas con grandes anchos de banda minimizando, así, lo que se denomina distorsión por fase.

La característica constructiva común a todos los tipos de transistor MOS es que el terminal de puerta (G) está formado por una estructura de tipo Metal/Óxido/Semiconductor. El óxido es aislante, con lo que la corriente de puerta es prácticamente nula, mucho menor que en los JFET. Por ello, los MOS se emplean para tratar señales de muy baja potencia.

Tiene una versión NPN y otra PNP. El NPN es llamado MOSFET de canal N y el PNP es llamado MOSFET de canal P, En el MOSFET de canal N la parte "N" está conectado a la fuente (source) y al drenaje (drain). En el MOSFET de canal P la parte "P" está conectado a la fuente (source) y al drenaje (drain):

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2.-ESTRUCTURA DE MOSFET:

La estructura MOS está 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 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. 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 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 (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 IG, 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 IG=0 siempre en estática. Básicamente, la estructura MOS permite crear una densidad de portadores libres suficiente para sustentar una corriente eléctrica.

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3.- PRINCIPIO DE OPERACIÓN:

Tanto en el MOSFET de canal N o el de canal P, cuando no se aplica tensión en la compuerta no hay flujo de corriente entre en drenaje (Drain) y la fuente (Source)

Para que circule corriente en un MOSFET de canal N una tensión positiva se debe aplicar en la compuerta. Así los electrones del canal N de la fuente (source) y el drenaje (Drain) son atraídos a la compuerta (Gate) y pasan por el canal P entre ellos.

El movimiento de estos electrones, crea las condiciones para que aparezca un puente para los electrones entre el drenaje y la fuente. La amplitud o anchura de este puente (y la cantidad de corriente) depende o es controlada por la tensión aplicada a la compuerta.

En el caso del MOSFET de canal P, se da una situación similar. Cuando se aplica una tensión negativa en la compuerta, los huecos (ausencia de electrones) del canal P del drenaje y de la fuente son atraídos hacia la compuerta y pasan a través del canal N que hay entre ellos, creando un puente entre drenaje y fuente. La amplitud o anchura del puente (y la cantidad de corriente) depende de la tensión aplicada a la compuerta.

Debido a la delgada capa de óxido que hay entre la compuerta y el semiconductor, no hay corriente por la compuerta. La corriente que circula entre drenaje y fuente es controlada por la tensión aplicada a la compuerta.

4.-REGIONES DE OPERACIÓN:

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.

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

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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 VGS <Vt. 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 RDS(on) viene dado por

la expresión: 

    VDS(on) = ID(on) x RDS(on)

En casi todas las hojas de datos, asocian el valor de RDS(on) a una corriente de Drenaje (ID)

específica y el voltaje Puerta-Surtidor.

Por ejemplo, si VDS(on)=1V y ID(on)=100mA = 0'1 A; entonces,

Rds(on) = 1V = 10 Ohms

100Ma

Así mismo, el transistor estará en la región óhmica, cuando VGS >Vt y VDS <( VGS – Vt ).

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 (VGS).

Región de Saturación.

El transistor MOSFET entra en esta zona de funcionamiento cuando la tensión entre el Drenador y el Surtidor (VDS) supera un valor fijo denominado tensión de saturación (Vdssat) 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 (ID), independientemente del valor de tensión que haya entre el Drenador y el Surtidor (VDS). Por lo tanto, el transistor equivale a un generador de corriente continua de valor ID.

Es decir; el MOSFET estará en esta región, cuando VGS >Vt y VDS >( VGS – Vt ).

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

que sucede cuando:

VDS≥ VGS - VT→Región de saturación

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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

denominaBVgs. 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

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internos, en paralelo con la Puerta y la Fuente. La tensión del zener, es menor que la tensión

Puerta-Fuente que soporta el MOSFET VGS(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 VGS(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 RDS(on), especificada en hojas de

características. En la curva característica existe un punto Qtest en la zona óhmica. En este

punto, ID(on) y VDS(on) están determinados, con los cuales se calcula RDS(on).

5.-APLICACIÓN:

El MOSFET es frecuentemente usado como amplificador de potencia ya que ofrecen dos

ventajas sobre los MESFET’s y los JFET’s y ellas son:

En la región activa de un MOSFET en modo de enriquecimiento, la capacitancia de entrada

y la trasconductancia es casi independiente del voltaje de la compuerta y la capacitancia de

salida es independiente del voltaje del drenador.

Este puede proveer una potencia de amplificación muy lineal. 

El rango de voltaje activo de la compuerta puede ser mayor porque los MOSFET’s de canal

n en modo de vaciamiento pueden operar desde la región de modo de vaciamiento (-Vg) a la

región de modo de enriquecimiento (+Vg).

Capacitancia en el MOSFET 

Dos capacitancias son importantes en un conmutador de encendido-apagado con MOSFET.

Éstas son Cgs entre Gate y la fuente y Cgd entre Gate y drenaje. Cada valor de capacitancia

es una función no lineal del voltaje. El valor para Cgs tiene solamente una variación

pequeña, pero en Cgd, cuando uDG haya pasado a través de cero, es muy significativa.

Cualquier desprecio de estas variaciones crea un error substancial en la carga que es

requerida en Gate que es necesaria para estabilizar una condición dada de operación. 

Encendido 

En la mayoría de los circuitos con MOSFET, el objetivo es encenderlo tan rápido como sea

posible para minimizar las pérdidas por conmutación. Para lograrlo, el circuito manejador del

gatillo debe ser capaz de alimentar la suficiente corriente para incrementar rápidamente el

voltaje de gatillo al valor requerido.

Apagado 

Para apagar el MOSFET, el voltaje gate-fuente debe reducirse en acción inversa como fue

hecho para encenderlo. La secuencia particular de la corriente y el voltaje depende de los

arreglos del circuito externo. 

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Área segura de operación 

El área segura de operación del MOSFET está limitada por tres variables que forman los

límites de una operación aceptable. Estos límites son: 

1. Corriente máxima pulsante de drenaje 

2. Voltaje máximo drenaje-fuente 

3. Temperatura máxima de unión. 

Pérdidas del MOSFET

 Las pérdidas de potencia del MOSFET son un factor tomado en cuenta para la selección de

un dispositivo de conmutación. La elección no es sencilla, pues no puede decirse que el

MOSFET tenga menores o mayores pérdidas que un BJT en un valor específico de

corriente. Las pérdidas por conmutación en el encendido y apagado juegan un papel más

importante en la selección. La frecuencia de conmutación es también muy importante. 

6.-CONCLUSIONES:

El mosfet gracias a su gran velocidad de conmutación presenta una gran versatilidad

de trabajo;este puede reemplazar dispostivos como el jfet.

Los MOS se emplean para tratar señales de muy baja potencia esto es una gran

ventaja ya que pueden ser utilizados en una gran gama de aplicaciones

Para que circule corriente en un MOSFET de canal N una tensión positiva se debe

aplicar en la compuerta. Así los electrones del canal N de la fuente (source) y el

drenaje (Drain) son atraídos a la compuerta (Gate) y pasan por el canal P entre

ellos.

Gracias a la delgada capa de óxido que hay entre la compuerta y el semiconductor,

no hay corriente por la compuerta. La corriente que circula entre drenaje y fuente es

controlada por la tensión aplicada a la compuerta.

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7.-CIRCUITO UTILIZANDO TRANSISTOR MOSFET:

Elementos utilizados:

1 potenciómetro de 100k. 6 diodos leds. 1 transistor mosfet 2N7000 1-2 condensadores electrolíticos 1uf,47uf. 6 resistencias 4.7k, 2.2k,100,3-330. Fuente de 9 o 12v. Un circuito integrado NE555.

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