Conceptos básicos de MOSFET: 13 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

¡Hola! En este Instructable, te enseñaré los conceptos básicos de los MOSFET y, por conceptos básicos, me refiero a los realmente básicos. Este video es ideal para una persona que nunca ha estudiado MOSFET profesionalmente, pero quiere usarlos en proyectos. Hablaré sobre los MOSFET de canal nyp, cómo usarlos, en qué se diferencian, por qué ambos son importantes, por qué los controladores MOSFET y cosas así. También hablaré sobre algunos datos poco conocidos sobre los MOSFET y mucho más.

Entremos en ello.

Paso 1: mira el video

Los videos tienen todo cubierto en detalle necesario para construir este proyecto. El video tiene algunas animaciones que ayudarán a comprender rápidamente los hechos. Puede verlo si prefiere imágenes, pero si prefiere texto, siga los siguientes pasos.

Paso 2: el FET

Antes de iniciar los MOSFET, permítame presentarle su predecesor, el JFET o transistor de efecto de campo de unión. Facilitará un poco la comprensión del MOSFET.

La sección transversal de un JFET se muestra en la imagen. Los terminales son idénticos a los terminales MOSFET. La parte central se llama sustrato o cuerpo, y es solo un semiconductor de tipo n o tipo p, según el tipo de FET. A continuación, las regiones se cultivan sobre el sustrato que tiene un tipo opuesto al del sustrato y se denominan puerta, drenaje y fuente. Cualquiera que sea el voltaje que aplique, lo aplica a estas regiones.

Hoy, desde el punto de vista práctico, tiene muy poca o ninguna importancia. No buscaré más explicaciones más allá de esto, ya que se volverá demasiado técnico y no es necesario de todos modos.

El símbolo de JFET nos ayudará a comprender el símbolo de MOSFET.

Paso 3: el MOSFET

Después de esto viene el MOSFET, que tiene una gran diferencia en el terminal de puerta. Antes de hacer los contactos para el terminal de la puerta, se hace crecer una capa de dióxido de silicio sobre el sustrato. Esta es la razón por la que se denomina Transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico. SiO2 es un dieléctrico muy bueno, o puede decir aislante. Esto aumenta la resistencia de la puerta en la escala de diez a la potencia de diez ohmios y suponemos que en una puerta MOSFET la corriente Ig es siempre cero. Esta es la razón por la que también se llama Transistor de efecto de campo de puerta aislada (IGFET). Una capa de un buen conductor como el aluminio se hace crecer adicionalmente sobre las tres regiones, y luego se hacen los contactos. En la región de la puerta, puede ver que se forma una estructura similar a un condensador de placa paralela y en realidad introduce una capacitancia considerable en el terminal de la puerta. Esta capacitancia se llama capacitancia de puerta y puede destruir fácilmente su circuito si no se tiene en cuenta. Estos también son muy importantes al estudiar a nivel profesional.

El símbolo de los MOSFET se puede ver en la imagen adjunta. Colocar otra línea en la puerta tiene sentido al relacionarlos con los JFET, lo que indica que la puerta se ha aislado. La dirección de la flecha en este símbolo representa la dirección convencional del flujo de electrones dentro de un MOSFET, que es opuesta a la del flujo de corriente.

Paso 4: ¿Los MOSFET son un dispositivo de 4 terminales?

Una cosa más que me gustaría agregar es que la mayoría de la gente piensa que MOSFET es un dispositivo de tres terminales, mientras que en realidad los MOSFET son un dispositivo de cuatro terminales. El cuarto terminal es el terminal del cuerpo. Es posible que haya visto el símbolo adjunto para MOSFET, el terminal central es para el cuerpo.

Pero, ¿por qué casi todos los MOSFET tienen solo tres terminales que salen de él?

El terminal del cuerpo tiene un cortocircuito interno con la fuente, ya que no es de utilidad en las aplicaciones de estos circuitos integrados simples, y después de eso, el símbolo se convierte en el que conocemos.

El terminal del cuerpo se usa generalmente cuando se fabrica un CI de tecnología CMOS complicada. Tenga en cuenta que este es el caso del MOSFET de canal n, la imagen será un poco diferente si el MOSFET es el canal p.

Paso 5: cómo funciona

Bien, ahora veamos cómo funciona.

Un transistor de unión bipolar o un BJT es un dispositivo controlado por corriente, lo que significa que la cantidad de flujo de corriente en su terminal base determina la corriente que fluirá a través del transistor, pero sabemos que no hay ningún papel de la corriente en el terminal de la puerta del MOSFET y colectivamente podemos decir que es un dispositivo controlado por voltaje no porque la corriente de la puerta sea siempre cero, sino por su estructura que no explicaré en este Instructable debido a su complicación.

Consideremos un MOSFET de canal n. Cuando no se aplica voltaje en el terminal de la puerta, existen dos diodos espalda con espalda entre el sustrato y la región de drenaje y fuente, lo que hace que el camino entre el drenaje y la fuente tenga una resistencia del orden de 10 a la potencia de 12 ohmios.

Conecté la fuente a tierra ahora y comencé a aumentar el voltaje de la puerta. Cuando se alcanza un cierto voltaje mínimo, la resistencia cae y el MOSFET comienza a conducir y la corriente comienza a fluir del drenaje a la fuente. Este voltaje mínimo se llama voltaje umbral de un MOSFET y el flujo de corriente se debe a la formación de un canal desde el drenaje hasta la fuente en el sustrato del MOSFET. Como sugiere el nombre, en un MOSFET de canal n, el canal está formado por portadores de corriente de tipo n, es decir, electrones, que es opuesto al tipo de sustrato.

Paso 6: Pero …

Solo ha comenzado aquí. Aplicar el voltaje de umbral no significa que esté listo para usar el MOSFET. Si observa la hoja de datos del IRFZ44N, un MOSFET de canal n, verá que en su voltaje de umbral, solo una cierta corriente mínima puede fluir a través de él. Eso es bueno si solo desea usar cargas más pequeñas, como LED, pero, ¿cuál es el punto entonces? Entonces, para usar cargas más grandes que consuman más corriente, tendrá que aplicar más voltaje a la puerta. El aumento de voltaje de la puerta mejora el canal y hace que fluya más corriente a través de él. Para encender completamente el MOSFET, el voltaje Vgs, que es el voltaje entre la puerta y la fuente, debe estar entre 10 y 12 voltios, lo que significa que si la fuente está conectada a tierra, la puerta debe estar a 12 voltios aproximadamente.

Los MOSFET que acabamos de discutir se denominan MOSFET de tipo de mejora por la razón de que el canal se mejora al aumentar el voltaje de la puerta. Hay otro tipo de MOSFET llamado MOSFET de tipo de agotamiento. La principal diferencia está en el hecho de que el canal ya está presente en el MOSFET de tipo de agotamiento. Este tipo de MOSFET generalmente no está disponible en los mercados. El símbolo para el tipo de agotamiento MOSFET es diferente, la línea continua indica que el canal ya está presente.

Paso 7: ¿Por qué controladores MOSFET?

Ahora digamos que está usando un microcontrolador para controlar el MOSFET, entonces solo puede aplicar un máximo de 5 voltios o menos a la puerta, lo que no será suficiente para cargas de alta corriente.

Lo que puede hacer es usar un controlador MOSFET como TC4420, solo tiene que proporcionar una señal lógica en sus pines de entrada y se encargará del resto o puede construir un controlador usted mismo, pero un controlador MOSFET tiene muchas más ventajas en el hecho de que también se ocupa de varias otras cosas como la capacitancia de la puerta, etc.

Cuando el MOSFET está completamente encendido, Rdson indica su resistencia y se puede encontrar fácilmente en la hoja de datos.

Paso 8: el MOSFET del canal P

Un MOSFET de canal p es justo lo opuesto al MOSFET de canal n. La corriente fluye de la fuente al drenaje y el canal está formado por portadores de carga del tipo p, es decir, agujeros.

La fuente en un MOSFET de canal p debe estar en el potencial más alto y para encenderlo completamente, Vgs debe ser negativo de 10 a 12 Voltios

Por ejemplo, si la fuente está atada a 12 voltios, la puerta a cero voltios debe poder encenderla completamente y es por eso que generalmente decimos aplicar 0 voltios a la puerta para encender el MOSFET del canal ap y debido a estos requisitos, el controlador MOSFET para El canal n no se puede utilizar directamente con el MOSFET del canal p. Los controladores MOSFET de canal p están disponibles en el mercado (como TC4429) o simplemente puede usar un inversor con el controlador MOSFET de canal n. Los MOSFET de canal p tienen una resistencia ON relativamente más alta que los MOSFET de canal n, pero eso no significa que siempre pueda usar un MOSFET de canal n para cualquier aplicación posible.

Paso 9: ¿Pero por qué?

Supongamos que tiene que usar el MOSFET en la primera configuración. Ese tipo de conmutación se llama conmutación de lado bajo porque está utilizando el MOSFET para conectar el dispositivo a tierra. Un MOSFET de canal n sería el más adecuado para este trabajo, ya que Vgs no varía y se puede mantener fácilmente a 12 voltios.

Pero si desea utilizar un MOSFET de canal n para la conmutación del lado alto, la fuente puede estar en cualquier lugar entre tierra y Vcc, lo que eventualmente afectará el voltaje Vgs ya que el voltaje de la puerta es constante. Esto tendrá un gran impacto en el correcto funcionamiento del MOSFET. Además, el MOSFET se quema si el Vgs supera el valor máximo mencionado, que es de alrededor de 20 voltios en promedio.

Por lo tanto, no es pan comido usar MOSFET de canal n aquí, lo que hacemos es usar un MOSFET de canal p a pesar de tener una mayor resistencia ON, ya que tiene la ventaja de que Vgs será constante durante un cambio de lado alto. También hay otros métodos como el bootstrapping, pero no los cubriré por ahora.

Paso 10: Curva Id-Vds

Por último, echemos un vistazo rápido a estas curvas Id-Vds. Un MOSFET opera en tres regiones, cuando Vgs es menor que el voltaje de umbral, el MOSFET está en la región de corte, es decir, está apagado. Si Vgs es mayor que el voltaje umbral pero menor que la suma de la caída de voltaje entre el drenaje y la fuente y el voltaje umbral, se dice que está en la región triodo o región lineal. En la región del revestimiento, se puede utilizar un MOSFET como resistencia variable de voltaje. Si Vgs es mayor que dicha suma de voltaje, entonces la corriente de drenaje se vuelve constante, se dice que está trabajando en la región de saturación y para que el MOSFET actúe como un interruptor, debe operarse en esta región ya que la corriente máxima puede pasar a través del MOSFET. en esta región.

Paso 11: Sugerencias de piezas

MOSFET de canal n: IRFZ44N

INDIA - https://amzn.to/2vDTF6DUS - https://amzn.to/2vB6oXwUK -

p MOSFET de canal: IRF9630US - https://amzn.to/2vB6oXwUK -

Controlador MOSFET de canal n: TC4420US -

p Controlador MOSFET de canal: TC4429

Paso 12: Eso es todo

Ahora debe estar familiarizado con los conceptos básicos de los MOSFET y ser capaz de decidir el MOSFET perfecto para su proyecto.

Pero aún queda una pregunta, ¿cuándo deberíamos usar MOSFET? La respuesta simple es cuando tiene que cambiar cargas más grandes que requieren más voltaje y corriente. Los MOSFET tienen la ventaja de una pérdida de potencia mínima en comparación con los BJT incluso a corrientes más altas.

Si me perdí algo, me equivoco o si tiene algún consejo, comente a continuación.

Considere suscribirse a nuestro canal Instructables y YouTube. Gracias por leer, nos vemos en el próximo Instructable.

Paso 13: Piezas utilizadas

n MOSFET de canal: IRFZ44NINDIA - https://amzn.to/2vDTF6DUS - https://amzn.to/2vB6oXwUK -

p MOSFET de canal: IRF9630US - https://amzn.to/2Jmm437UK -

Controlador MOSFET de canal n: TC4420US -

p Controlador MOSFET de canal: TC4429