Así como podemos decir que el transistor bipolar se controla por corriente, los MOSFET son transistores controlados por tensión. Ello de debe al aislamiento (óxido de Silicio) de la puerta respecto al resto del dispositivo. Existen dos tipos básicos de MOSFET, los de canal n y los de canal p, si bien en Electrónica de Potencia los más comunes son los primeros, por presentar menores pérdidas y mayor velocidad de conmutación, debido a la mayor movilidad de los electrones con relación a los agujeros.
Si bien el TBP fue inventado a finales de los años 40, ya en 1925 fue registrada una patente que se refería a un método y un dispositivo para controlar el flujo de una corriente eléctrica entre dos terminales de un sólido conductor. Así mismo, tal patente, que se puede considerar como la precursora de los Transistores de Efecto de Campo, no redundó en un componente práctico, puesto que entonces no había tecnología que permitiese la construcción de los dispositivos. Esto se modificó en los años 60, cuando surgieron los primeros FETs,
pero aún con limitaciones importantes con respecto a las características de conmutación. En los años 80, con la tecnología MOS, fue posible construir dispositivos capaces de conmutar valores significativos de corriente y tensión, con velocidad superior al que se obtenía con los bipolares.
El terminal de puerta G (Gate) está aislado del semiconductor por óxido de silicio (SiO2). La unión PN define un diodo entre la Fuente S (Source) y el Drenador D (Drain), el cual conduce cuando VDS < 0. El funcionamiento como transistor ocurre cuando VDS > 0. La figura 2.22 muestra la estructura básica del transistor.
Cuando una tensión VGS > 0 es aplicada, el potencial positivo en la puerta repele los agujeros en la región P, dejando una carga negativa, pero sin portadores libres. Cuando esta tensión alcanza un cierto valor umbral (VT), electrones libres (generados principalmente por efecto térmico) presentes en la región P son atraídos y forman un canal N dentro de la región , por el cual se hace posible la circulación de corriente entre D y S. Aumentando VGS, más portadores son atraídos, ampliando el canal, reduciendo su resistencia (RDS), permitiendo el aumento de ID. Este comportamiento caracteriza la llamada “región óhmica”
La circulación de ID por el canal produce una caída de tensión que produce un “efecto embudo”, o sea, el canal es más ancho en la frontera con la región N+ que cuando se conecta a la región N-. Un aumento de ID lleva a una mayor caída de tensión en el canal y a un mayor “efecto embudo”, lo que conduciría a su colapso y a la extinción de la corriente. Obviamente el fenómeno tiende a un punto de equilibrio, en el cual la corriente ID se mantiene constante para cualquier VDS, caracterizando una región activa o de saturación del MOSFET. La figura 2.23 muestra la característica estática del MOSFET de potencia.
Una pequeña corriente de puerta es necesaria apenas para cargar y descargar las capacidades de entrada del transistor. La resistencia de entrada es del orden de 1012Ohms.
De forma análoga a los bipolares, tenemos fundamentalmente tres zonas de trabajo
bien diferenciadas:
- Corte: La tensión entre la puerta y la fuente es más pequeña que una determinada tensión umbral (VT), con lo que el dispositivo se comporta como un interruptor abierto.
- Óhmica: Si la tensión entre la puerta y la fuente (o surtidor) es suficientemente grande y la tensión entre el drenador y la fuente es pequeña, el transistor se comporta como un interruptor cerrado, modelado por una resistencia, denominada RON.
- Saturación: Si el transistor está cerrado pero soporta una tensión drenador-surtidor elevada, éste se comporta como una fuente de corriente constante, controlada por la tensión entre la puerta y el surtidor. La disipación de potencia en este caso puede ser elevada dado que el producto tensión-corriente es alto.
Obviamente, en Electrónica de Potencia nos interesa que un MOSFET trabaje en corte o en óhmica
(interruptor abierto o cerrado). Atención con los nombres de las zonas de trabajo, que pueda causarconfusión al lector cuando se habla de un bipolar y de un MOSFET. Observar que la zona de saturación de un BJT corresponde a la zona Óhmica del MOSFET y que la zona de saturación de éste corresponde a la zona activa del BJT.
Uno de los inconvenientes de los transistores MOSFET es que la potencia que pueden manejar es bastante reducida. Para grandes potencias es inviable el uso de estos dispositivos, en general, por la limitación de tensión. Sin embargo, son los transistores más rápidos que existen, con lo cual se utilizan en aplicaciones donde es necesario altas velocidades de conmutación (se pueden llegar a tener aplicaciones que trabajan a 1MHz, algo impensable para los bipolares).
Otro de los inconvenientes de este tipo de transistores es que la resistencia en conducción RON varía mucho con la temperatura y con la corriente que circula, con lo que no se tiene un comportamiento de interruptor casi ideal como en el caso de los bipolares. Sin embargo, su ventaja más relevante es la facilidad de control gracias al aislamiento de la puerta. El consumo de corriente de puerta es pequeño y se simplifica el diseño del circuito de disparo (driver) y control correspondiente.
Para evitar los inconvenientes del MOSFET y del bipolar y aprovechar las ventajas de ambos, los fabricantes han introducido un dispositivo nuevo, denominado IGBT que se describe en el siguiente apartado
