¿Qué es la tensión umbral de un MOSFET?

La tensión umbral es la tensión puerta-surtidor a la que empieza a formarse un canal conductor entre drenador y surtidor. Por debajo, el MOSFET está en corte salvo una pequeña fuga. Los MOSFET de potencia estándar tienen umbrales de unos 2 a 4 V, pero necesitan alrededor de 10 V en la puerta para conducir del todo; los de nivel lógico conducen por completo con 4,5 V o menos.

¿Cuál es la diferencia entre la región lineal y la de saturación de un MOSFET?

En la región lineal (óhmica), VDS es menor que VGS − Vth y el canal se comporta como una resistencia controlada por tensión; los interruptores trabajan aquí cuando conducen del todo. En saturación, VDS es igual o mayor que VGS − Vth y la corriente de drenador la fija sobre todo la puerta, creciendo aproximadamente con el cuadrado de VGS − Vth; los amplificadores trabajan aquí. Las curvas de salida del simulador muestran ambas regiones.

¿Por qué un MOSFET necesita un driver de puerta?

La puerta es un condensador que hay que cargar y descargar en cada conmutación. Cuanto más rápido ocurre, menos tiempo pasa el dispositivo a medio conducir, donde las pérdidas de conmutación son altas. El pin de un microcontrolador solo da unos pocos miliamperios; los drivers de puerta entregan amperios de pico y la tensión de puerta adecuada para conmutar rápido y sin calentarse.

Simulador MOSFET de Canal N y Curvas

¿Qué es un MOSFET de canal N de enriquecimiento?

Principio de funcionamiento

Un MOSFET es un interruptor controlado por tensión construido sobre un chip semiconductor con tres terminales: puerta, drenador y surtidor. En un dispositivo de canal N de enriquecimiento la puerta se sitúa sobre una fina capa de óxido encima de un sustrato tipo P. Al aplicar una tensión puerta-surtidor positiva se atraen electrones a la superficie y, superada la tensión umbral, la región se invierte formando un canal N conductor. Sin tensión de puerta el dispositivo está cortado, y eso es precisamente el modo de enriquecimiento.

Regiones de trabajo

Por debajo del umbral el MOSFET está en corte y solo conduce fugas. Justo por encima, con una tensión drenador-surtidor pequeña, se comporta como una resistencia cuyo valor fija la puerta: es la región óhmica o lineal, caracterizada por la resistencia de conducción RDS(on). Si se aumenta la tensión drenador-surtidor más allá de la saturación, el canal se estrangula: la corriente de drenador se vuelve casi independiente de esa tensión y la gobierna solo la puerta, que es la región usada para amplificar.

Ataque de puerta y pérdidas de conmutación

La puerta es un condensador aislado, así que un MOSFET no necesita prácticamente corriente de mando en régimen permanente, pero cargar y descargar esa capacidad sí consume corriente real y determina lo rápido que puede conmutar. Las pérdidas totales tienen dos partes: las de conducción, iguales a la corriente al cuadrado por RDS(on), y las de conmutación durante las transiciones. Atacar la puerta con fuerza y saturar bien el canal mantiene ambas pequeñas, y por eso un MOSFET de conmutación se gobierna muy por encima de su umbral.

Dónde se utiliza

Los MOSFET de potencia conmutan la corriente en casi todos los convertidores modernos: reguladores reductores y elevadores, inversores para motores, amplificadores en clase D, circuitos de protección de baterías y relés de estado sólido. Los MOSFET de pequeña señal forman las puertas lógicas de todo circuito integrado CMOS. Su alta impedancia de entrada, su conmutación rápida y su baja resistencia de conducción los han convertido en el interruptor por defecto por debajo de unos 200 voltios.

Preguntas frecuentes

¿Qué es la tensión umbral de un MOSFET?: La tensión umbral es la tensión puerta-surtidor a la que empieza a formarse un canal conductor entre drenador y surtidor. Por debajo, el MOSFET está en corte salvo una pequeña fuga. Los MOSFET de potencia estándar tienen umbrales de unos 2 a 4 V, pero necesitan alrededor de 10 V en la puerta para conducir del todo; los de nivel lógico conducen por completo con 4,5 V o menos.
¿Cuál es la diferencia entre la región lineal y la de saturación de un MOSFET?: En la región lineal (óhmica), VDS es menor que VGS − Vth y el canal se comporta como una resistencia controlada por tensión; los interruptores trabajan aquí cuando conducen del todo. En saturación, VDS es igual o mayor que VGS − Vth y la corriente de drenador la fija sobre todo la puerta, creciendo aproximadamente con el cuadrado de VGS − Vth; los amplificadores trabajan aquí. Las curvas de salida del simulador muestran ambas regiones.
¿Por qué un MOSFET necesita un driver de puerta?: La puerta es un condensador que hay que cargar y descargar en cada conmutación. Cuanto más rápido ocurre, menos tiempo pasa el dispositivo a medio conducir, donde las pérdidas de conmutación son altas. El pin de un microcontrolador solo da unos pocos miliamperios; los drivers de puerta entregan amperios de pico y la tensión de puerta adecuada para conmutar rápido y sin calentarse.