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FACULTAD DE INGENIERIA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Dispositivos Electrónicos

Transistor MOSFET de potencia 1. Introducción. El funcionamiento y la utilización de los transistores de potencia es similar al de los transistores

hasta

el

momento

estudiados,

teniendo

como

principales

características las altas tensiones e intensidades que tienen que soportar, y como consecuencia las altas potencias que tienen que disipar. Existen tres tipos de transistores de potencia:  BJT.  FET.  IGBT. Nuestra consulta se centra básicamente en el estudio de los MOSFET (Metal Oxide semiconductor Field Transistor). El MOSFET de potencia es un transistor tipo MOS, base en los circuitos digitales de señal. Una limitación de gran importancia en los dispositivos de potencia, es el paso de bloqueo a conducción y viceversa, el cual no se realiza instantáneamente, sino que siempre hay un pequeño retardo. Las causas fundamentales de estos retardos son las capacidades asociadas a los tiempos de difusión y recombinación de los portadores. Su aplicación está limitada a niveles de tensión correspondientes a redes de baja tensión o menores (230V o 400V). Es el dispositivo de elección en fuentes de alimentación

de hasta algunos KW, para sistemas electrónicos conectados a

servicios de baja tensión. Su velocidad y su fácil manejo ha permitido la reducción del tamaño de equipos, al reducirse los componentes pasivos que los integran. 2. Principio de funcionamiento. El MOSFET es un dispositivo de cuatro terminales llamados drenaje (D), fuente (S), compuerta (G) y sustrato (B). Sin embargo, el sustrato generalmente está conectado internamente al terminal de la fuente (S), por este motivo se encuentra dispositivos MOSFET de tres terminales. Willy Coronel.

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Robet L. Boylestad, Louis Nashelsky - Electrónica: Teoría De Circuitos Y Dispositivos Electrónicos - Décima Edición – pág. 125.

Un transistor MOSFET consiste de un sustrato de material semiconductor dopado en el que, mediante técnicas de difusión de dopantes, se crean dos islas de tipo opuesto separadas por un área la cual se hace crecer una capa de dieléctrico culminada por una capa de conductor. Existen dos tipos de transistores MOSFET:  MOSFET de enriquecimiento.  MOSFET de empobrecimiento. Los MOSFET de enriquecimiento (E-MOSFET) se basan en la formación de un canal entre drenaje y fuente, al aplicar un voltaje en la compuerta. El voltaje en la compuerta atrae potadores minoritarios hacia el canal, de manera que se forma una región de inversión es decir, una región con dopado opuesto al que tenía el sustrato originalmente. El E-MOSFET solo puede operar en el modo de enriquecimiento, en la figura siguiente se puede observar que el sustrato se extiende por completo hasta la capa de SiO2 .

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Thomas L. Floyd - Dispositivos Electrónicos - Octava Edición – pág. 397.

Para un dispositivo de canal n, un voltaje positivo en la compuerta por encima de un valor de umbral induce un canal al crear una delgada capa de cargas negativas en la región del sustrato adyacente a la capa de SiO2, como se muestra a continuación.

Thomas L. Floyd - Dispositivos Electrónicos - Octava Edición – pág. 397.

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FACULTAD DE INGENIERIA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Dispositivos Electrónicos La conductividad del canal se incrementa al incrementar el voltaje de compuerta a fuente y, por lo tanto, atrae más electrones hacia el área del canal. Con cualquier voltaje en la compuerta a fuente y, por lo tanto, atrae más electrones hacia el área del canal. Con cualquier voltaje en la compuerta por debajo del valor umbral, no existe ningún canal. Los símbolos esquemáticos para E-MOSFET de canal n y canal p se muestra a continuación.

Thomas L. Floyd - Dispositivos Electrónicos - Octava Edición – pág. 398.

Las líneas quebradas simbolizan la ausencia de un canal físico. Una flecha en el sustrato que apunta hacia dentro indica un canal n y una flecha que apunta hacia afuera indica un canal p. Por lo general los MOSFET de potencia son de tipo enriquecimiento

Los MOSFET de empobrecimiento (D-MOSFET) tienen un canal conductor en su estado de reposo, que se debe hacer desaparecer mediante la aplicación de la tensión eléctrica en la compuerta, lo cual ocasiona una disminución de la cantidad de portadores de carga y una disminución de la conductividad. La figura siguiente muestra su estructura básica

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Thomas L. Floyd - Dispositivos Electrónicos - Octava Edición – pág. 398.

El drenaje y la fuente se difunden en el material del sustrato y luego se conectan mediante un canal angosto adyacente a la compuerta aislada, se puede aplicar en la compuerta un voltaje positivo o negativo. El D-MOSFET puede ser operado en modo de enriquecimiento y en modo de empobrecimiento, un D-MOSFET de canal n opera en el modo de empobrecimiento cuando se aplica un voltaje positivo de compuerta a fuente, y en modo de enriquecimiento cuando se aplica un voltaje positivo de compuerta fuente. Estos dispositivos en general se operan en el modo de empobrecimiento. Los símbolos esquemáticos para D-MOSFET de canal n y canal p se muestra a continuación.

Thomas L. Floyd - Dispositivos Electrónicos - Octava Edición – pág. 399.

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Modo de empobrecimiento imagínese la compuerta como la placa de un capacitor de placas paralelas y el canal como la otra placa. La placa aislante de bióxido de silicio es el dieléctrico. Con un voltaje negativo en la compuerta, las carga negativas en esta repelen los electrones de conducción provenientes del canal y dejan a los iones positivos en su lugar. Por esto, el canal n se queda sin ninguno de sus electrones, por lo que disminuye la conductividad del canal. Mientras más grande es el voltaje negativo en la compuerta, más grande es el empobrecimiento de electrones en el canal n. Con un voltaje de compuerta a fuente suficientemente negativo, el canal se empobrece totalmente y la corriente en el drenaje es cero, el modo de empobrecimiento se muestra a continuación.

Thomas L. Floyd - Dispositivos Electrónicos - Octava Edición – pág. 399.

Modo de enriquecimiento con un voltaje positivo en la compuerta, más electrones de conducción son atraídos hacia el canal, por lo que la conductividad de este se enriquece como se muestra a continuación.

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Thomas L. Floyd - Dispositivos Electrónicos - Octava Edición – pág. 399.

Estructura de los MOSFET de potencia Los MOSFET de potencia se fabrican de tal manera que el canal sea lo más corto posible y de mayor espesor y ancho posible como se muestra a continuación

Thomas L. Floyd - Dispositivos Electrónicos - Octava Edición – pág. 399.

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En este caso el campo creado por la tensión del drenaje cuando pasa del VDsat puede llegar a valores mayores, con estas condiciones la conducción de los electrones se satura y se hace independiente de la tensión VDS, dependiendo solamente de la disponibilidad de portadores, que depende de VGs - VGs(Th). La conducciones debida a los electrones y, por lo tanto su alta velocidad de conducción basada en los mismos los convierten en una opción para superar las limitaciones de los BJT en circuitos convertidores de potencia Los MOSFET de potencia tienen como características fundamentales las siguientes:  Máximo voltaje drenaje-fuente Corresponde al voltaje de ruptura de la unión que forma el sustrato (unido a la fuente) y el drenaje. Se mide con la compuerta cortocircuitada a la fuente, este parámetro ayuda a clasificar a los transistores MOSFET de potencia.

Baja tensión(V)

Media tensión(V)

Alta tensión(V)

15

100

500

30

150

600

45

200

800

55

400

1000

60 80  Máxima corriente de drenaje  Resistencia de conducción Es uno de los parámetros más importantes en un MOSFET (cuanto menor sea, mejor es el dispositivo). Para un dispositivo particular, crece con la temperatura y decrece con el voltaje de compuerta (Este decrecimiento tiene un límite)

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FACULTAD DE INGENIERIA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Dispositivos Electrónicos  Velocidad de conmutación Los MOSFET de potencia son más rápidos que otros dispositivos usados en electrónica de potencia (tiristores, transistores bipolares, IGBT, etc.), en estos dispositivos los niveles de corriente conducida no están asociados al aumento de la concentración de portadores minoritarios, que luego son fáciles de eliminar para que el dispositivo deje de conducir.

3. Tipos de MOSFET de potencia Entre los principales MOSFET de potencia tenemos los siguientes:  LDMOSFET  VMOSFET  TMOSFET

LMOSFET Tiene una estructura de canal lateral y es un tipo de MOSFET de enriquecimiento diseñado para aplicaciones de potencia. Este dispositivo tiene un canal más corto entre el drenaje y la fuente que el E-MOSFET convencional. El canal más corto opone menos resistencia, lo que permite una corriente y voltajes más altos. La figura siguiente muestra la estructura básica de un LDMOSFET

Thomas L. Floyd - Dispositivos Electrónicos - Octava Edición – pág. 400.

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FACULTAD DE INGENIERIA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Dispositivos Electrónicos Cuando la compuerta es positiva se induce un canal n muy corto en la capa p entre la fuente levemente dopada y la región n-. Hay corriente desde el drenaje, a través de las regiones n y el canal inducido hasta la fuente, como se puede ver.

VMOSFET Este MOSFET de ranura V es otro ejemplo del E-MOSFET convencional diseñado para alcanzar una capacidad de potencia más alta, creando un canal más corto y más ancho con menos resistencia entere el drenaje y la fuente por medio de una estructura de canal vertical. Los canales más cortos y anchos permiten corrientes más altas y, por lo tanto, una disipación de potencia más grande. También mejora la respuesta a frecuencia. El VMOSFET tiene dos conexiones de fuente, una conexión de compuerta en la parte superior y una conexión de drenaje en la parte inferior. Como se muestra a continuación

Thomas L. Floyd - Dispositivos Electrónicos - Octava Edición – pág. 400.

El canal se induce verticalmente a lo largo de ambos lados de la ranura de forma de V entre el drenaje (sustrato n+ donde n+ significa un nivel de dopado más alto que n-) y las conexiones de fuente. El espesor de las capas establece la longitud del canal, lo cual se controla mediante las densidades y el tiempo de difusión del dopada en lugar de las dimensiones del enmascaramiento.

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TMOSFET La estructura de la compuerta esta incrustada en una capa de bióxido de silicio y el contacto de fuentes es continua sobre toda el área de superficie. La estructura vertical del TMOSFET se muestra a continuación.

Thomas L. Floyd - Dispositivos Electrónicos - Octava Edición – pág. 400.

El drenaje se encuentra en la parte inferior, el TMOSFET permite una mayor densidad de encapsulamiento que el VMOSFET, al mismo tiempo que retiene la ventaja del canal vertical corto

4. Hojas de datos

Anexo

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5. Aplicaciones  Los MOSFET de potencia se usan en convertidores de potencia y se consiguen con capacidades relativamente bajas de potencia de 1000V y 100A, en un intervalo de frecuencias de varias decenas de kilohertzios  Se utilizan en convertidores de alta frecuencia y baja potencia.  Los MOSFET de potencia operan en la región lineal para acciones de conmutación, y en la región de saturación como amplificadores de voltaje.  Son muy populares en aplicaciones de bajo voltaje, baja potencia y conmutación a altas frecuencias, así como en fuentes de potencia conmutadas, motores de cd sin escobillas y aplicaciones automotrices.

Bibliografía Referencias

[1] Thomas L. Floyd, Dispositivos Electrónicos, Décima edición. Pearson/Prentice Hall [2] Robert L. Boylestad; Louis Nashelsky, Electrónica: Teoría De Circuitos Y Dispositivos Electrónicos, Décima edición. Pearson [3] Daniel W. Hart, Electrónica De Potencia, Primera edición. Prentice Hall [4] Muhammad H. Rashid, Electrónica De Potencia: Circuitos, Dispositivos Y Aplicaciones, Segunda edición. Prentice Hall

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