TECNOLOGIA DE LOS COMPONENTES ELECTRONICOS
  Transistores MOSFET
Hay dos familias de transistores de efecto de campo: los JFET y los MOSFET.
Pese a que el concepto basico de los FET se conocia ya en 1930, estos dispositivos solo
empezaron a fabricarse comercialmente a partir de la decada de los 60. Y a partir de los
80 los transistores de tipo MOSFET han alcanzado una enorme popularidad.
Comparados con los transistores bipolares o BJT, los transistores MOS ocupan menos
espacio, es decir, dentro de un circuito integrado puede incorporarse un numero mayor
de MOS que de BJT. Ademas su proceso de fabricacion es tambien mas simple y existe
un gran numero de funciones logicas que pueden ser implementadas unicamente con
transistores MOS (sin resistencias ni diodos). Esto ha hecho del transistor MOS el
componente estrella de la electronica digital. Y como la electronica actual es cada ves
mas digital el MOSFET domina toda la electronica.
¿Que es un MOSFET?
  Comencemos con la definicion del nombre: significa
"FET de Metal Oxido Semiconductor" o FET de compuerta aislada.
Uno de los motivos que impulso su desarrollo es que los transistores bipolares presentan
algunas limitaciones insalvables al ser dispositivos controlado por corriente (la corriente de base controla la corriente de colector) en cambio El MOSFET es un dispositivo controlado por
tension (la tension de compuerta). Es un dispositivo extremadamente veloz en virtud de
la pequeña corriente de señal necesaria para estrangular o ensanchar el canal. Por esta
razon se los usa ampliamente en conmutacion y en amplificacion de señales. En general
los MOSFETs dedicados a amplificacion se fabrican especialmente para esa funcion (MOSFET lineales): por otro lado, los dedicados a conmutacion son mas
economicos y rapidos y solo sirven para funcionar como llaves. Su velocidad permite
diseñar llaves con bajas perdidas y sus bajas capacidades les permiten trabajar con
frecuencias muy altas.
La caracteristica constructiva comun a todos los tipos de transistores MOS es
que el terminal de puerta (G) esta formado por una estructura de tipo
Metal/Oxido/Semiconductor. El oxido es aislante (dioxido de silicio para ser exactos,
que es el nombre quimico del vidrio) con lo que la corriente de compuerta es
practicamente nula. Por ello, los MOS tambien se emplean para tratar señales de muy baja potencia.(Ejemplo, para amplificar la señal de entrada de Radiodrecuencia en sintonizadores de Radio/ Television)
Los MOSFET tienen una version NPN (Canal N)  y otra PNP (Canal P) y ademas los hay de
enriquecimiento y de empobrecimiento.
Los de enriquecimiento son aislantes sin tension de compuerta y se vuelven conductores al aplicar tension de compuerta.
Los de empobrecimiento por lo contrario son conductores sin tension de compuerta y se vuelven aisladores al aplicar tension.
A continuacion vamos a analizar los mas comunes que son los MOSFET de "Canal N" (NPN) y los MOSFET de Canal P (PNP) de enriquecimiento para luego continuar con el Canal N (NPN) de empobrecimiento (la cuarta variedad no tiene sentido analizarla porque practicamente
no se usa).
Como dijimos antes El NPN es llamado MOSFET de canal N y el PNP es llamado MOSFET de
canal P;  En el MOSFET de enriquecimiento de canal N la barra conductora principal
que se dibuja cortada es de material "N" y esta conectada a la fuente o surtidor (source)
y al drenaje (drain) y en su simbolo tiene la flecha hacia adentro y el canal cortado.
Cuando se les aplica tension de compuerta el canal N se completa y conducen.
En la figura 1 se puede observar a la derecha la construccion interna. En el
centro el simbolo y a la derecha la circulacion de corriente cuando se aplica tension a la
compuerta.





Figura 1. Construcción interna de los MOSFET de enriquecimiento y circulación
de corriente con la compuerta polarizada

Observa que el substrato sobre el cual se construye el MOSFET es una barra tipo
P. En dos zonas de la misma se realiza una inversion de polaridad por agregado de
impurezas dadoras. Esa zona corresponde con el drenaje y la fuente. Luego se produce
una oxidacion del silicio y sobre la misma una metalizacion que forma la compuerta. De
este modo la compuerta queda aislada de la barra formando un capacitor; pero hay
tener en cuenta que ese capacitor tiene una tension de ruptura de la aislacion muy baja
porque es una capa de oxido muy fina.
Analicemos ahora la forma de operacion:
Cuando no se aplica tension en la compuerta no hay flujo de corriente entre el drenaje (Drain) y la fuente (Source) porque la barra de material N esta incompleta; entre el drenaje y la fuente no hay portadores (en este caso electrones).
Para que circule corriente por un MOSFET de enriquecimiento de canal N se debe aplicar una tension positiva en la compuerta con respecto al terminal de fuente tal como se observa a la derecha. Asi los electrones del canal N de la fuente (source) y el drenaje (Drain) son atraidos por la compuerta (Gate) cerrando el canal N. Si la tension aplicada a la compuerta es muy elevada el canal se ensancha considerablemente y circula una gran corriente entre drenaje y fuente.El funcionamiento es similar al de una valvula triodo.
En la figura 2 se puede observar una simulación en WB para que quede
claro cual es la polarizacion correcta de este tipo de dispositivo.



Figura 2. Polarizacion de un MOSFET de enriquecimiento de canal N

Observa que estamos aplicando a la compuerta una señal triangular de CA para explorar los dos cuadrantes de la tension aplicada a la misma. Hasta que la tension no llega a unos 4,5V el transistor no conduce y luego se satura rapidamente porque estamos
analizando un transistor especifico de conmutacion.(este transistor en particular no es un MOSFET lineal)
Recapitulando. En el material tipo N el movimiento de los electrones debido a la
carga positiva aplicada en la compuerta, crea las condiciones para que aparezca un
puente por el que circulen los electrones entre el drenaje y la fuente. El ancho de este
puente (y por lo tanto la cantidad de corriente) es controlado por la tension aplicada a la
compuerta.

En el MOSFET de canal P ocurre algo similar con las lagunas pero cuando se aplica tension negativa a la compuerta. No repetire toda la explicación porque considerar que la figura 3 es suficientemente explicita al respecto.

 

Figura 3. Construccion simbolo y circulacion de corriente por los MOSFET de
enriquecimiento tipo P al aplicar tension a la compuerta.

En el caso del MOSFET de canal P, se da una situacion similar a la del N.
Cuando se aplica una tension negativa en la compuerta, los huecos (ausencia de
electrones) del canal P del drenaje y del electrodo de fuente, son atraidos hacia la
compuerta y pasan a traves del canal N que hay entre ellos, creando un puente entre
drenaje y fuente. El ancho del puente (y por lo tanto la cantidad de corriente circulante)
depende de la tension aplicada a la compuerta. Debido a la delgada capa de vidrio que
hay entre la compuerta y el semiconductor, no hay corriente por la compuerta. La
corriente que circula entre drenaje y fuente es controlada por la tension aplicada a la
misma.
Observamos ahora la circulacion de lagunas positivas que por supuesto salen del
terminal sumidero en donde se encuentran en exceso y circulan al terminal de fuente
donde se encuentran en defecto.
  En la figura 4 se puede observar una simulacion de este dispositivo que nos aclara el modo de polarizacion empleado. En principio debe observarse que la fuente VCC es ahora negativa de 50V para que el funcionamiento sea totalmente complementario del anterior(masa es ahora positivo). Y ademas se observa que la conduccion ocurre en el cuadrante negativo de la tension de compuerta. En efecto cuando la tension de compuerta es mas negativa que –4V aproximadamente el MOSFET conduce y anula la tension de drenaje. Con tensiones mas positivas que -4V el canal se abre y aparece la tension de la fuente sobre el drenaje que por supuesto es de –50V.
(El modo en que se lo utiliza en  un circuito es similar a cuando se usa un transistor PNP en un equipo que tiene fuente positiva. El transistor se pone cabeza abajo con el emisor mirando hacia
fuente y colector hacia masa).


Figura 4 Simulacion  de un transistor MOSFET tipo P de
enriquecimiento


  Queda por analizar un MOSFET de empobrecimiento pero no vamos a realizar un analisis de su fabricacion sino solamente de su comportamiento realizando una simulacion. (Ver la figura 5).
En principio observemos que ya en el simbolo queda claro que el canal esta cerrado (cuando no hay polarizacion de compuerta). Y en efecto el oscilograma nos muestra que cuando se aplica tension nula o positiva en la compuerta el transistor conduce a pleno y el drenaje cae a potencial de masa. Para que el transistor se abra se debe aplicar un potencial negativo pequeño en la compuerta aunque este valor puede variar mucho con el codigo del transistor utilizado.

Figura 5 Simulacion de un MOSFET de empobrecimiento del tipo N

Observe que el comportamiento parece similar al MOSFET tipo N de enriquecimiento pero con la salvedad de que en este caso la conduccion comienza a nivel de 0V y por lo tanto el dispositivo esta cortado durante cuadrante negativo de la señal aplicada a la compuerta. En realidad este es un caso particular del transistor analizado que es el BSS229. Si utilizáramos otro dispositivo observariamos que la tension de corte puede ser otra. En general los MOSFET de enriquecimiento tanto N como P dedicados a conmutacion tiene caracteristicas de compuerta muy similares entre si en lo que respecta a la tension
de conduccion o de saturacion cosa que puede observarse en las caracteristicas de los
mismos (entre 4 y 6 V conducen a pleno). Pero el alumno debe saber que existen transistores MOSFET de potencia especificos por ejemplo para amplificadores de audio los mismos no tienen una tension de saturacion neta sino una caracteristica de transferencia mucho mas suave que en un MOSFET de conmutacion.
 Vale aclarar que los MOSFET de empobrecimiento son mas caros que los de enriquecimiento y por ellos hay menos fabricantes y una variedad mucho menor de dispositivos.

  REMPLAZOS DE MOSFETS

En muchos casos el tecnico se ve forzado a encontrar un reemplazo para algun
MOSFET de potencia. Por todo lo visto sabemos que no todos los MOSFET son iguales
como dicen en las casas de ventas de componentes.
* El tecnico debera conseguir la especificacion del transistor a reemplazar y observar de cual de las tres clases se trata.
* Luego debera observar si se trata de un dispositivo de conmutacion y si lo es con que
tension conduce (aunque por lo general en los circuitos de conmutacion siempre hay
una tension bastante mayor a la necesaria).
* Luego debera analizar la corriente y tensión maxima del dispositivo, velocidad de conmutacion y capacidad del gate a source.
Y si nos ofrecen  un reemplazo, observar las especificaciones del mismo.
El caso de un amplificador lineal es bastante mas complejo; en estos casos no basta con comparar
parametros sino que hay que comparar la curva de transferencia de los dispositivos (corriente de drenaje en funcion de la tension de compuerta o transconductancia del MOSFET).
Los MOSFET lineales pueden proveer potencia con una amplificacion muy lineal lo cual reduce la
distorsion de los amplificadores de audio.
 Otra caracteristica muy importante en los MOSFET es la capacitancia de la
compuerta que es practicamente su unica caracteristica de entrada a tener en cuenta ya
que la parte resistiva es practicamente infinita.
Para los dispositivos de conmutacion existen dos capacitancias importantes en la funcion de encendido-apagado; Estas son Cgs (entre Gate y fuente) y Cgd (entre Gate y drenaje).
Un MOSFET de señal (usados para amplificar entradas de radiofrecuencia en sintonizadores de radio/TV) tendrá una pequeña capacidad de gate, porque el canal es
pequeño y por lo tanto la metalizacion tambien lo sera. En cambio un MOSFET de
potencia tanto de los utilizados como amplificadores como los de utilizados como
conmutadores tendra una importante capacidad de entrada.
En el ultimo caso, en la mayoría de los circuitos con MOSFET, el objetivo es
encenderlo tan rapido como sea posible para minimizar las perdidas por conmutación.
Para lograrlo, el circuito driver debe ser capaz de entregar suficiente corriente como
para incrementar rapidamente la tension de gate al valor requerido.
Pero no solo es necesario encender rapidamente a un MOSFET de conmutacion tambien se lo debe apagar rapidamente.
Para apagar el MOSFET, la tension gate-fuente debe reducirse y ponerse en inversa para sacar rapidamente los electrones ingresados en el gate y evitar asi que el MOSFET conduzca.
 Muchas veces el circuito de inyeccion de electrones es diferente al circuito de extraccion de los mismos utilizando diodos rapidos o Schottky como llaves. Estos componentes son extremadamente importantes a la hora de reemplazarlos; donde hay un diodo Schottky para la descarga del MOSFET no es recomendable poner un diodo de fuente porque seguramente la excitacion no va ser la correcta y el MOSFET va a calentar ya que su velocidad de conmutacion va a ser baja y si se coloca un diodo rapido el circuito seguramente trabajara en un caso intermedio, tal ves mas dificil de solucionar, porque muchas veces el equipo puede funcionar meses antes de fallar.(Repasar diodos rapidos[FR107] y diodos Schottky)
Los circuitos de equipos electronicos actuales  son practicamente un muestrario de MOSFETs de todos los tipos, empezando por la fuente de alimentacion. Alli es importantisimo la llamada “Area segura de operacion del MOSFET” que sirve para determinar si el mismo esta trabajando dentro o fuera de sus posibilidades.
 Es importante considerar lo siguiente:
- Al apagar el MOSFET,el voltaje gate-fuente debe reducirse y hacerse inverso del mismo modo que fue hecho para encenderlo.
- El driver de un MOSFET puede considerarse un cargador/descargador de un capacitor, que debe cumplir su función muy rapidamente porque de ello depende la temperatura de trabajo del chip.
Justamente esta ultima condicion se basa en reducir las perdidas de conmutacion
del MOSFET.
 La costumbre del tecnico reparador de elegir a un MOSFET por tension y corrientes maximas no es de ningun modo una accion segura. Las perdidas de potencia de un MOSFET utilizado en conmutacion, dependen en gran medida de su velocidad de operacion y la misma debe ser tenida en cuenta tanto como la corriente y la tension.
 Otra  caracteristica muy importante de un MOSFET de conmutacion, es su
resistencia de saturacion, que es mucho mas pequeña que la de un transistor bipolar.
Esta es la principal razon de uso cuando se trata de conmutar corrientes muy altas del
orden de los 10A.

PRUEBA DE UN MOSFET

No existe un modo facil de probar un MOSFET. Si existiera seguramente los tester tendrian el correspondiente probador. Y no es facil probarlos porque se requieren fuentes de por lo menos 10V para hacerlo (la tension de compuerta).
 En el momento actual el tecnico podria armar un circuito de prueba y aun asi solo podra
hacer pruebas parciales a baja potencia.
Pero vayamos por partes. La falla mas comun de un MOSFET es la aislacion del gate quemada y para verificar ese detalle solo se requiere un tester y un trabajo minucioso para no quemar un dispositivo que podria estar bueno.
Lo primero es retirar el MOSFET del circuito sin quemarlo. Para ello se requiere un soldador con buena aislacion lo cual por lo general no ocurre con los soldadores comunes de 220V. Por esa razon y por el hecho de que los MOSFET a cambiar suelen ser de potencia y requieren un soldador grande lo mas practico es utilizar un soldador del tipo de 150W conectado a una llave de dos polos que corte la alimentación en el momento de utilizar el soldador. Un soldador de tal potencia tiene una punta que conserva el calor un tiempo considerable.
En realidad lo mas recomendable es utilizar un Evariac como control manual de temperatura con un transformador separador de muy buena calidad. De cualquier modo la parte metalica del soldador debe estar conectada al chasis del equipo y en lo posible todo debe estar conectado a una tierra de comprobada buena calidad.
 Muchos  no aconseja que el propio reparador se conecte a masa con un brazalete de goma conductora por el peligro que eso significa para la vida del mismo. Esta muy bien proteger el equipo pero primero se debe pensar en la propia vida. Si vos trabajas en un ambiente con piso de goma o de alfombra simplemente se debe establecer un contacto  a masa (jabalina o conexion de masa comprobada) antes de sacar el componente.
 Una vez estraído el MOSFET de la plaqueta vamos a medirlo para lo cual procedemos a  conectar el terminal de fuente del MOSFET a masa y recién despues  intentar medir la aislacion de la compuerta. No toquen el gate con la mano bajo ninguna circunstancia; toquenlo solo con la punta del tester despues de haber conectado el negativo del mismo a masa. En la figura 6 se puede observar una virtualizacion de la
medicion hecha en WB.


Figura 6. Medicion de aislación de un gate

 Si el gate da una resistencia baja aunque sea de varios Mohms se lo debe considerar defectuoso. Pero si da resistencia infinita debemos suponer que la aislación de la compuerta es adecuada y pasar a realizar otras mediciones.

¿Que tenemos para medir un MOSFET? Con instrumental completo cualquiera trabaja. Lo importante es aprender a sacarle provecho a lo que tenemos. Por lo menos se requiere un tester, quizas tambien  una fuente Evariac y algunos resistores de potencia.
Las primeras mediciones son las mas groseras y se basan en no superar las caracteristicas termicas del transistor a medir. En una palabra que si se trata de un
transistor de 200V 5A y el tecnico pretende medirlo a esos valores maximos seguro que el
MOSFET se va a quemar porque disiparia 1000W, por lo que se necesita saber la potencia de disipacion que soporta.
 Algunos softaware simuladores permiten obtener un resumen de las especificaciones tecnicas de un componente determinado, en tal se resumen sus propiedades en una pantalla como la siguiente:

Figura 7  Especificacion resumida del IRF620

Estos valores se interpretan del siguiente modo:
El primero de todos es la resistencia termica entre la juntura y el ambiente sin usar disipador alguno medida en ºC/W. En nuestro caso si queremos medir el transistor a 200V 5A es decir 1.000W significa que la juntura llegaria a 1000W . 80ºC/W = 80.000 ºC. Se entiende porque les dije que seguro que se funde. ¿Y si le pongo un disipador? Imaginese que le pone un disipador infinitamente grande; en este caso debe usar el segundo coeficiente que es la resistencia termica juntura carcaza (entre el cristal y el disipador propio porque se supone que ese disipador esta a la temperatura ambiente debido a su masa mecanica).En este caso la juntura llega a una temperatura de 1000W . 3,12ºC/W = 3.120 ºC (en realidad habría que sumarle la temperatura ambiente). Se quema igual porque el siguiente parametro que es la disipacion de potencia maxima indica 40W.
Todo esto nos indica que aunque el transistor sea de 200V 5A no puede manejar ambos valores al mismo tiempo. Si no usamos un disipador y queremos probar el transistor a 200V deberemos limitar la corriente a valores de 5 mA. Así disiparíamos 1W y la juntura se calentaria a 80ºC mas la ambiente que podemos suponer de 30 ºC y llegariamos a 120ºC que esta por debajo de maxima temperatura de juntura que es de 150ºC como esta indicado en el anteultimo lugar de la tabla superior.
En la tabla de la parte inferior se pueden observar otros importantes parametros del MOSFET. El primero es la tensión maxima de drenaje a fuente que en este caso coincide con el segundo dato que es la tension maxima de drenaje a gate y que en este caso es de 200V. En la tercer fila aparece la corriente de drenaje que como sabemos es de 5A. Sigue la resistencia intriseca de drenaje a fuente o resistencia interna del MOSFET en Ohms y luego la tranconductancia gFS que es relacion existente entre la corriente de drenaje y la tension de gate y que se mide en S (Siemens o mho) y que nos da una idea de la ganancia del dispositivo. Luego observamos un renglon en blanco que es la frecuencia de transicion del dispositivo que esta vacia porque se trata de un transistor de conmutacion. Y en ultimo termino la potencia maxima que puede disipar que es este caso es de 40W.
En la practica se utiliza una fuente de tensión igual a la maxima tensión de drenaje que soporta el dispositivo y se limita la corriente con un resistor para que esta no produzca una disipacion peligrosa y que elegimos en 10 mA. Puede calcular esa resistencia aplicando una de nuestras leyes predilectas y entonces  armar un circuito tal como el indicado en la figura 8 utilizando el EVARIAC que ya tiene una fuente regulada de 1,5 a 30V  ajustada a minimo.
Recuerde que si esta fuente supera la tension maxima de aislación de compuerta la misma se quema (para este transistor es de 20V positiva o negativa). Lamentablemente este parámetro no esta incluido en la especificaciones resumidas del software simulador que se tomo como referencia (Worbench) y debe ser averiguado por separado utilizando la especificacion bajada de Internet u obtenida de un manual en CD o en papel.

Figura 8.


Figura 8  Prueba de la tension de conduccion de un MOSFET

La prueba consiste en medir la tension de compuerta que hace cambiar el estado de conduccion del MOSFET. En realidad se deberia ajustar la tension de compuerta para cual la tension de drenaje es de 100V pero se puede observar que es muy dificil ajustar esa tension con exactitud. Por esos simplemente medimos la tension en que se produce el cambio de saturacion a corte. En realidad si el tecnico  tiene un EVARIAC no necesita el potenciometro R2 porque ya lo tiene dentro de la fuente auxiliar de 30V; simplemente aplique esa tension a la compuerta recodando que debe asegurarse primero que el cable negativo debe estar conectado al terminal de fuente.

En general con la medicion de aislacion de gate y esta ultima medicion estamos en condiciones de decir que el MOSFET tiene un funcionamiento correcto aunque solo hallamos medido pocas caracteristicas del mismo.
Si se trata de un MOSFET de canal P simplemente hay que invertir la dos fuentes del circuito. Y si se trata de un MOSFET de empobrecimiento de canal N recordar que la tensión de compuerta puede ser cualquiera desde 0 hasta unos 6 o 7 V positivos.

MEDICIONES COMPLETAS DE UN MOSFET

 Con lo visto hasta aqui se puede decir que es suficiente para que un tecnico pueda medir un MOSFET y considerarlo como bueno o como malo; pero no es suficiente cuando se trata de determinar un reemplazo porque el MOSFET original no se consigue.
En realidad se podria encontrar el reemplazo comparando especificaciones pero eso entraña una gran dificultad que todos sufrimos en America Latina. ¿Quien nos asegura que el transistor de reemplazo cumple realmente con todas las caracteristicas especificadas? Por lo general las fuentes de aprovisionamiento no son de lo mas confiables, encontrándonos fundamentalmente con dos problemas importantisimo que a veces se suman en un mismo repuesto: la velocidad y el tamaño del chip.
En muchos casos nos encontramos que un transistor que teoricamente es un reemplazo directo, al colocarlo en el circuito recalienta y al cabo de unas horas se quema. Y esos nos hace pensar en diferentes alternativas:
1) Si uno encuentra un MOSFET de potencia quemado no deberiamos presuponer que el
circuito de excitacion esta funcionando correctamente. Puede ocurrir que el MOSFET
original se haya quemado por una falla en la excitacion y su simple reemplazo no
corrige definitivamente la falla. Cuando el tecnico cambia un transistor se debe dejar  funcionando el equipo por lo menos durante un dia entero y verificar frecuentemente su funcionamiento.
2) Si uno determina que el circuito de excitación funciona correctamente y el MOSFET se calienta debera verificar todas las caracteristicas del reemplazo con mayor profundidad incluyendo la capacidad de gate a drenaje y de gate a fuente. Los MOSFET modernos pueden ser del tipo de baja capacidad para simplificar el diseño del driver y un MOSFET antiguo puede cargar al driver y deformar las transiciones haciéndolas mas lentas. (Observar la pendiente de las transiciones en el osciloscopio).
3) Por ultimo, nunca deberiamos tirar el transistor original aunque este quemado. Como ultimo recurso se debe romper el encapsulado del original y el reemplazo y analizar el tamaño de los chips. Muchas veces el reemplazo tiene dimensiones muy inferiores al original lo cual supone una resistencia termica juntura carcaza mucho mas elevada. Lo peor es que en este ultimo caso el disipador externo y el cuerpo del transistor estarán tan frios o mas frios que el original pero el chip estará mas caliente porque esta termicamente mas aislado del encapsulado y de su propio disipador ¡ Buen detalle a considerar!...








www.000webhost.com