MOSFET: MOSFET de Potencia

Un transistor MOSFET es una barra de silicio con un sector oxidado (el óxido de silicio se conoce vulgarmente como vidrio) sobre el que se produce un metalizado. Este metalizado está por lo tanto aislado de la barra de silicio pero suficientemente cercano como para cambiar la magnitud de la corriente circulante por la barra.

Existen diferentes versiones de MOSFETs en función del tipo de barra de silicio (canal tipo P y canal tipo N) y del funcionamiento del dispositivo, ya que existen MOSFET de ensanchamiento de canal y otros de estrechamiento del canal (los primeros tiene una resistencia intrínseca alta, que se reduce al aplicar tensión a la compuerta y los segundos tienen una resistencia intrínseca baja, que aumenta al aplicar tensión a la compuerta). Los cuatro tipos se individualizan por el símbolo, la flecha hacia el canal significa tipo N y la flecha hacia el lado contrario al canal significa tipo P.

El dispositivo MOSFET es perfectamente capaz de amplificar señal eléctrica y de hecho existen amplificadores de potencia basados en ellos; sin embargo se les utiliza como interruptor con posiciones de cierre o apertura dejando la función de amplificación de potencia en manos de transistores Darlington complementarios que también presentan excelentes características de excitación (alta impedancia de entrada aunque no tan elevada como los MOSFET).

El comportamiento del MOSFET es bastante distinto al de un bipolar. El MOSFET tiene sus 3 electrodos (pines) llamadas DRAIN, GATE y SOURCE (drenaje, compuerta y fuente). Se utiliza aplicando tensión de entre 0 y 12V entre G y S. El G es un capacitor (del orden del pícofaradio) que tiene conectada una placa al pin y la otra placa a la pastilla interna con un dieléctrico de oxido de silicio en el medio. El D y el S se encuentran eléctricamente aislados y físicamente próximos al capacitor de G. Al colocarle tensión entre G y S el capacitor se cargará y acumulará cargas en la pastilla interna. De esta manera, dichas cargas unirán eléctricamente al D y al S comenzando la circulación de corriente. Así con la Vgs (tensión entre G y S) se controla la ID (I de drenaje). Debido a su estructura, la característica de salida del MOSFET es una resistencia que cambia su valor función de Vgs. Cuando el MOSFET está saturado, se especifica la RDSon en vez de la Vsat. Esto es un problema en potencias sumamente grandes. La solución dio origen a los IGBT.

La distancia entre placas del capacitor de G es de algunos pocos micrones lo que hace al G sumamente frágil a las tensiones estáticas. Por ello se obtienen los mejores resultados de los MOSFET evitando las tensiones estáticas excesivas.

Las características de conmutación son muy buenas. El hecho que en el G se muevan pocas cargas hace que el tiempo entre encendido y apagado sea sumamente corto; al igual que a la inversa. La curva en la conmutación es una recta, ya que mientras la VDS disminuye, inyecta cargas en el G a través del capacitor CDG.

Su coeficiente térmico positivo, les permite ser paralelizados sin precaución alguna ya que a medida que su temperatura se eleva, aumenta la RDSon bajando la ID y aumentando en el otro MOSFET del paralelo. La estabilización del sistema es inmediata y sin riesgos de embalajes térmicos.

La principal ventaja del MOSFET es la prácticamente nula energía requerida en la G para manejarlo, además de su velocidad de conmutación. Si comparamos con un equivalente bipolar, que en corrientes grandes pueden tener un hfe típico de 8 o menos, el MOSFET no requiere prácticamente energía para manejarlo correctamente, mientras que en el bipolar es considerable.

Mostramos a continuación un dibujo del esquema de polarización del MOSFET comparado con un bipolar y su construcción interna.