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TEMA-2 ::: TRANSISTOR MOSFET

1. ESTRUCTURA BÁSICA Y CARACTERÍSTICAS GENERALES. TRANSISTORES UNIPOLARES: MOSFET: Un MOSFET de potencia es un dispositivo controlado por voltaje, que requiere sólo de una pequeña corriente de entrada. Los MOSFET son de dos tipos (voy a describir sólo el de canal n, pues en un MOSFET de canal p se invierten las polaridades y signos de VDS, IDS y VGS.

a) MOSFET de agotamiento (también llamados de empobrecimiento o de deplexión): Se trata de un dispositivo de tres terminales, pues normalmente el sustrato se conecta a la fuente.

FUNCIONAMIENTO:

• VGS =0 : circula una apreciable cantidad de corriente de drenador (IDS) • VGS <0 : algunos de los e del canal serán repelidos hacia la puerta y se creará una capa de agotamiento por debajo de la capa

de óxido el canal efectivo es más angosto y aumenta la resistencia de drenaje a fente (RDS ⎤ ) • VGS << 0 : si se hace suficientemente negativo, el canal se agotará totalmente IDS=0 • VGS > 0 : el canal se ensancha y RDS ⎥, con lo cual IDS ⎤.

SÍMBOLO: Flecha indicando el sentido “convencional” del diodo G-Sustrato y línea continua uniendo D-S

b) MOSFET de enriquecimiento (también llamados de acumulación) CANAL N: no tiene un canal físico, tal y como se puede ver en la figura.

FUNCIONAMIENTO:

• VGS Ρ0: Aunque apliquemos VDS >0 no hace circular corriente (IDS =0), dado que en la trayectoria de los e existe una unión p-n polarizada inversamente.

• VGS >0: un voltaje inducido puerta-fuente positivo atraerá a los e del substrato p hacia la puerta y los acumulará en la superficie por debajo de la capa de óxido.

• VGS >0 y VGS >VT: se acumulará un número suficiente de e para formar un canal virtual n, lo que proporcionará una trayectoria a los e y la corriente fluirá del drenaje a la fuente. Se denomina VT= tensión umbral del dispositivo

Respecto a las características de salida el MOSFET es un dispositivo cuya corriente de salida está controlada por la tensión de entrada. SÍMBOLO: Flecha indicando el sentido “convencional” del diodo G-Sustrato y línea discontinua uniendo D-S

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DEFINICIONES Y CONCEPTOS:

• Ganancia de corriente: es la relación entre ID/IG es típicamente del orden de1.e+9 (este parámetro no es importante!!!)

• Transconductancia: es la relación de la corriente de drenaje al voltaje de la compuerta ID/VGS . Es un parámetro muy importante!!!, pues define las características de transferencia.

• Resistencia de salida: se define como . Es muy alta en la región activa (megaohms) y muy pequeña en la

región lineal (miliohms).

• Diodo parásito: Si nos fijamos en la estructura del MOSFET, vemos que hay un BJT parásito npn. Para reducir su efecto se cortocircuita la unión base-emisor B-E (la conexión metálica de la fuente cubre la zona p y la n+). Sin embargo, persiste el efecto de la unión base-colector (B-C), lo que constituye un diodo parásito que a veces se representa junto con el MOS tal como se ve en la figura. INCONVENIENTE: el MOS no puede bloquear una tensión VDS<0

MOSFET DE POTENCIA: Las principales diferencias con el MOSFET de baja potencia son:

• En el MOSFET de baja potencia la trayectoria de la corriente era “horizontal”, es decir, el camino que siguen los portadores de carga entre drenador y fuente es horizontal, pero en los MOSFET de potencia la trayectoria es vertical (ver figura), con lo cual se reduce la resistencia equivalente.

• El MOS de potencia sólo se fabrica en el tipo de acumulación, es decir, no tiene canal inicialmente. • La intensidad máxima es mucho mayor (varios A frente a unos 50 mA) • Trasconductancia gm constante (frente a variación según ). • Menores valores de la tensión umbral VT.

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2. CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS.

Ésta es la figura de las características estáticas aproximadas, donde la parte correspondiente a tensiones drenador-fuente bajas está dibujada a escala diferente a la correspondiente a tensiones D-S altas: las curvas de la parte izda deben estar mucho más apretadas entre sí. Las líneas verticales a trazos indican la separación entre las escalas.

En esta figura se ven cuatro zonas diferentes (existen tres regiones de operación):

a) Región óhmica (o región lineal): Si se verifica VGS – VT > VDS > 0 Esta región corresponde a valores bajos de VDS. Hasta que lleguemos al límite VDS = VGS – VT se está produciendo el canal y la corriente de drenaje ID es proporcional a la tensión VDS . En esta región el MOSFET se comporta como una resistencia, por lo que también se conoce como región de resistencia constante, la que corresponde al propio material: RDS(on) = VDS/ ID La disipación de potencia no es muy elevada pues VDS tiene valores bajos.

b) Región activa (o de estrechamiento o saturación): Si se verifica VGS – VT < VDS < BVDS

La corriente de salida ID es función de la tensión de entrada, comportándose como una fuente de corriente constante dependiente de VGS, por eso también se llama región de corriente constante, que corresponde a la saturación del dispositivo. Esta zona no es muy útil en EP ya que la disipación de potencia es alta al coincidir simultáneamente corrientes y tensiones elevadas. Esta zona se usa para amplificación de voltaje (NOTA: la saturación tiene el significado opuesto que en el caso de BJT).

c) Región de corte: Si se verifica VGS < VT

En esta zona la corriente de fugas es muy pequeña (menor que en el BJT) y suele estar comprendida entre 2 y 5 mA, lo que hace que la disipación de potencia en corte sea despreciable. Para llevar el MOSFET al corte basta con anular la tensión VGS

d) Región de avalancha:

Si VDS aumenta excesivamente puede llegar a alcanzarse la tensión de ruptura por avalancha del diodo parásito, provocando un aumento brusco de ID , lo que se conoce como avalancha primaria. En el MOSFET no existe avalancha secuandaria.

FUNCIONAMIENTO COMO INTERRUPTOR: En EP el MOSFET se utiliza como interruptor entre los terminales de drenador (D) y fuente (S), controlándose su estado a través del terminal de puerta. Es decir:

• En CORTE (OFF) con VGS = 0, presenta una resistencia casi infinita entre D-S. • En la REGIÓN OHMICA (ON) con una tensión VGS lo suficientemente alta, de forma que la caída VDS sea muy baja

para una corriente ID dada. Si nos fijamos en esta región, para una ID dada: VGS ↑ VDS ↓, sin embargo, a partir de unos 10V esa disminución ya no es apreciable.

El circuito equivalente dependerá del estado de interruptor:

• En corte: ID=0 ............................... si VGS < VT . • En activa: ID=gm (VGS - VT ) ........... si VGS - VT < VDS < BVDS ………. Fuente de intensidad controlada por

VGS • En ohmica: ID=RDS(on) VDS .............. si VDS < VGS - VT ………………. Equivalente a una resistencia.

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3. LIMITES DE FUNCIONAMIENTO: Área de funcionamiento seguro (SOA).

El área de funcionamiento seguro indica la zona de las características de salida en las que el MOSFET no presenta problemas por corriente, tensión, potencia o temperatura excesivas. Normalmente viene en escala logarítmica y tiene la forma que se ve en la figura. Los valores que limitan el área de funcionamiento son:

a) Tensión de ruptura del diodo parásito BVDS (tramo DE) b) Máxima potencia disipable por el dispositivo (tramo CD) c) Máxima corriente de drenador en régimen permanente (tramo BC) d) Límite impuesto por RDS(on) ya que para bajas tensiones VDS la corriente ID tendería a aumentar mucho, lo que

no se puede conseguir (tramo AB). Recordar que en el MOSFET no existe ruptura secundaria. Estas condiciones configuran la SOA indicada en la figura con trazo continuo y corresponde a corriente continua en el tiempo. Si la corriente es pulsante, la SOA es mayor cuanto menores sean los impulsos y esta limitada por los segmentos a trazos.

4. CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS: Vamos a estudiar las conmutaciones para un circuito RESISTIVO (es decir, un circuito donde un MOSFET se usa para modular la potencia entregada a una carga resistiva.)

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En un MOSFET, al ser un dispositivo unipolar, la velocidad de conmutación va a venir limitada fundamentalmente por el tiempo necesario para cargar y descargar las tres capacidades parásitas del dispositivo:

• Capacidad puerta-fuente CGS : aparece entre el contacto metálico del terminal de puerta (cargado +) y la fuente (capa n+) con un dieléctrico entre ambas (el aislante). Es parecido a un condensador de placas planoparalelas. Depende poco de VDS.

• Capacidad puerta-drenador CGD : procede de la capa de vaciamiento que se forma en toda la unión pn con PI. Como se ve en la figura, depende fuertemente de VDS y sus valores van desde el mismo de GS cuando el MOSFET conduce (baja VDS) hasta valores 10 veces menores cuando no conduce (alta VDS). A veces se aproxima por la línea a trazos.

• Capacidad drenador-fuente CDS: tambien procede de la capa de vaciamiento pero su efecto queda enmascarado por CGD y es menos importante. Notar que en los circuitos equivalentes no aparece la capacidad CDS porque su efecto sobre las formas de onda es despreciable.

5.1 Transitorio OFF ON: Paso a conducción. Supongamos que en t=0 se excita el transistor: VGS=0 VGS= V´.

• La capacidad de entrada Ci se carga a través de RG haciendo que VGS aumente exponencialmente con una cte de tiempo RG.Ci (a veces se aproxima por una recta)

• Cuando VGS = VT ya está el canal y empieza a conducir abandonando la zona de corte y pasando a zona activa: ID aumenta de forma proporcional a VGS .

• Simultáneamente, al aumentar la corriente, VDS ↓ hasta el valor de conducción. De forma análoga al BJT podemos definir los tiempos:

• Tiempo de retardo en el encendido td(on): es el tiempo desde que se excita el transistor hasta que ID = 10% del valor ON. • Tiempo de subida durante el cual la intensidad aumenta hasta alcanzar el 90% del valor ON.

5.2 Transitorio ON OFF: Paso a corte. Razonar todo el proceso a la inversa.

Modelo equivalente para transitorios Circuitos equivalentes para (a) corte o activa ; (b) ohmica.

Observando este esquema podemos definir:

• capacidad de entrada Ci como el resultado de sumar en paralelo las dos capacidades CGD y CGS , y su dependencia con VDS también se ve en la gráfica.

Ci = CGD + CGS

• capacidad de salida Co como el resultado de sumar en serie las dos capacidades CGD y CGS , conectada en paralelo con CDS. Como hemos visto que CGD << CGS , se puede arpoximar

Co ≈ CGD + CDS

• capacidad de transferencia Cr como Cr ≈ CGD Variación de las C parásitas con VDS

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5. COMPARACIÓN BJT- MOSFET: Cada uno de estos dos tipos de transistores tiene sus ventajas e inconvenientes. De ellos dos son los más importantes:

a) Para dos dispositivos capaces de conducir la misma corriente y de soprtar la misma tensión, el BJT tiene menor caída en conducción.

b) Sin embargo, el MOSFET conmuta a mayor velocidad, como se puede ver en el siguiente ejemplo: BJT: tr(subida)= 300 ....... tf(caída)=500 ........ t.almacenamiento= 2500 MOSFET:tr(subida)=100 ........ tf(caída)=35 ...........t retardo=50

Otras diferencias a señalar son:

• La conmutación del MOSFET es muy rápida ya que al ser un dispositivo que conduce sólo con portadores mayoritarios no se produce carga almacenada como sucedía en el BJT.

• A medida que aumenta la tensión que es capaz de bloquear el dispositivo, las pérdidas en conducción son mayores en el MOSFET que en el BJO

• La SOA del MOSFET es más amplia que la del BJT, ya que no tiene avalancha secundaria. • El diodo parásito resultante en el MOSFET impide el bloqueo de tensiones drenador-fuente negativas. • El MOSFET está controlado por tensión y el BJT por corriente. Ello hace que los circuitos de gobierno

del MOSFET sean más sencillos y disipen menos potencia que los del BJT. NOTA:: Existen circuitos que combinan ambos transistores (asociación MOSFET-BJT).