El transistor MOSFET es un dispositivo que pertenece al grupo de los transistores de efecto campo o también llamados transistores unipolares.
Se utilizan en varias aplicaciones que coinciden, en gran medida, con las del transistor bipolar (BJT). Ambos tipos de transistores tienen características en común, pero también, cosas diferentes.
La principal diferencia entre el transistor MOSFET y el transistor bipolar es que estos últimos son dispositivos controlados por corriente, sin embargo, el transistor MOSFET es un dispositivo controlado por tensión.
Dentro del campo del transistor MOSFET existen dos tipos, por un lado los de canal n y por otro los de canal p. El transistor MOSFET es un dispositivo con una elevada impedancia de entrada.
En consecuencia, la corriente por la puerta del transistor (IG), es prácticamente cero. Estos transistores operan en tres zonas de funcionamiento , zona óhmica, zona fuente de corriente y zona de corte.
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Símbolo de un transistor MOSFET de canal p
En la siguiente imagen se muestra el símbolo de este transistor MOSFET, así como, las tensiones y corrientes que se dan en el transistor.
Símbolo de un transistor MOSFET de canal n
En esta otra imagen, se muestra el símbolo del transistor MOSFET de canal n, además de las tensiones y corrientes a tener en cuenta en este modelo del transistor.
Curvas de salida del transistor MOSFET
Encontramos dos modos de funcionamiento: en modo de vaciamiento o deplexión, en los que el canal ya está hecho, lo que permite que con tensión cero en la puerta ya conducen.
El otro modo de funcionamiento de un transistor MOSFET es el modo enriquecimiento o acumulación, el los que hace falta una tensión positiva entre la puerta y el surtidor para que la corriente de drenador circule.
La curva de salida de un transistor MOSFET de deplexión es:
En esta otra figura, se muestra la curva característica de salida de un MOSFET de acumulación.
Zonas de funcionamiento
Veamos con algunos ejemplos, las diferentes zonas de funcionamiento de un transistor MOSFET.
Ejemplo punto de funcionamiento
Determinar el punto de funcionamiento del transistor MOSFET de la figura, suponiendo que tiene las siguientes curvas características:
Por la puerta del transistor no circula corriente, por lo tanto, la tensión puerta-surtidor (VGS) se puede obtener aplicando la regla del divisor de tensión en la puerta del transistor:
VGS = 10 * [3000 / (2000 + 3000)] = 6 V
La tensión es positiva, luego el transistor conduce. Hay dos posibilidades, puede estar en zona óhmica o en zona fuente de corriente. Supongamos que trabaja en zona óhmica.
Zona óhmica
Por lo tanto, el transistor MOSFET se comporta como una resistencia, cuyo valor se calcula con los datos de la curva de salida. Como la tensión puerta-surtidor es de 6 voltios, le corresponde la curva de ID = 2 mA. Así que la resistencia es:
rD = 4 / 0.002 = 2000 Ω
El circuito equivalente del transistor MOSFET en esta zona de funcionamiento es:
Para comprobar si el transistor trabaja en zona resistiva, es necesario calcular la tensión drenador-surtidor (VDS). Aplicamos la regla del divisor de tensión:
VDS = 10 * [2500 / (2000 + 2500)] = 5,56 V
De la gráfica de salida, si nos fijamos en el eje «x», la tensión VDS límite para estar en zona resistiva es de 4 voltios.
VDS = 5,56 V > 4 V
luego ese resultado es incompatible con la zona resistiva. Comprobamos si trabaja en zona fuente de corriente.
Zona fuente de corriente
El circuito equivalente del transistor MOSFET en esta zona es el siguiente:
En esta zona de funcionamiento, el transistor trabaja como una fuente de corriente, de valor 2 mA, que corresponden con el valor calculado de la tensión puerta-surtidor (VGS) de 6 voltios, calculada anteriormente.
Calculando la tensión drenador-surtidor tenemos:
VDS = 10 – ID*R1 = 10 – 2*10-3 * 2000 = 6 V
El valor de VDS obtenido, sí es compatible con la zona fuente de corriente, ya que es mayor que el valor limite, que es de 4 voltios. Por lo tanto, el transistor MOSFET trabaja en zona fuente de corriente y su punto de funcionamiento (Q) es:
VGS = 6 V
VDS= 6 V
ID= 2 mA
Ejercicio resuelto de un transistor MOSFET de acumulación
El circuito de la figura está formado por un transistor MOSFET de acumulación, con lo siguientes datos:
- k = 0,4 mA/V2
- |Vt| = 3 V
- En zona fuente de corriente se cumple que ——> ID = k * (VGS – Vt)2
Cuestiones
Obtener:
- El valor de la corriente que circula por la resistencia de carga (RL), indicando justificadamente la zona de funcionamiento del transistor MOSFET.
- Calcular la relación existente entre la potencia que se consume en la resistencia de carga y la aportada al circuito por el generador de continua.
- Si a continuación conectamos un a resistencia variable de valor 4700 ohmios en serie con la resistencia de carga ¿Cuál es el valor de la resistencia variable, que hace que el transistor MOSFET cambie de zona de trabajo?
Primer apartado
La corriente que circula por la resistencia de carga coincide con la corriente de drenador del transistor MOSFET. Suponiendo que el transistor trabaja en zona fuente de corriente:
ID = k * (VGS – Vt)2
En primer lugar, es necesario calcular la tensión puerta-surtidor, sabiendo que:
VGS = VG – VS
la tensión el puerta del transistor se puede hallar mediante la regla del divisor de tensión ya que la corriente por la puerta del transistor MOSFET es nula.
VG = V1 * [R4 / (R1 + R4)] = 10 * [6M / (6M + 4M)]= 6 V
En segundo lugar, hallamos la tensión de surtidor. La corriente que circula por el surtidos es la misma que la corriente de drenador.
ID = IS
VS = ID * R3 = ID * 3300
El valor de Vt es de 3 voltios ya que el transistor MOSFET es de canal «n». Sustituyendo nos queda:
ID = k * (VGS – Vt)2 = k * (VG – VS – Vt)2 = k * ((VG – (ID * 3300) – Vt)2
ID = 0,4*10-3 * (6 – ( ID * 3300) – 3)2
4350*(ID )2 – 8,92*ID + 3,6*10-3 = 0
Resolviendo esta ecuación , tiene dos soluciones posibles:
ID1 = 1,49 mA
ID2 = 0,55 mA
La forma de averiguar cuál de las dos soluciones es la válida, calculamos el valor de la tensión puerta-surtidor y comprobamos si se cumple la condición de funcionamiento.
VGS1 = VG – ID1*R3 = 6 – 1,49*10-3 * 3300 = 1,08 V
VGS2 = VG – ID2*R3 = 6 – 0,55*10-3 * 3300 = 4,18 V
Comprobación de las condiciones de funcionamiento
La condición es que VGS > Vt. Recordemos que Vt es la tensión umbral necesaria para la creación del canal el transistor MOSFET del ejercicio. Así que:
VGS > 3
Por lo tanto la solución válida para la corriente de drenador es ID2
ID = 0,55 mA
y la tensión puerta-surtidor en el transistor MOSFET es:
VGS = 4,18 V
Finalmente, hay que comprobar que la suposición realizada de que el transistor está en zona de fuente de corriente es correcta. La condición es:
VDS > VGS – Vt
Calculamos la tensión drenador-surtidor (VDS)
VDS = V1 – ID * RL – ID * R3 = 10 – 0,55*10-3 * 11000 – 0,55*10-3 * 3300
VDS = 2,13 V
la condición es:
VDS > VGS – Vt
2,13 > 4,18 – 3
La suposición es correcta. El transistor MOSFET esta trabajando en zona fuente de corriente, y su punto de funcionamiento (Q) es:
VGS = 4,18 V
VDS = 2,13 V
ID = 0,55 mA
Segundo apartado
En primer lugar se calcula la potencia absorbida por la resistencia de carga.
PRL = ID2 * RL = (0,55*10-3)2 * 11000 = 3,33 mW
En segundo lugar hallamos la potencia entregada al circuito, por el generador de tensión.
Pg = V1 * Ig
Para ello, hay que calcular previamente el valor de la corriente que circula por el generador.
Ig = I1 + ID
I1 = V1 / (R1 + R4) = 10 / (4M + 6M) = 1 uA
Ig = 1*10-6 + 0,55*10-3 = 551 *10-6 A
Por lo tanto, la potencia del generador es:
Pg = V1 * Ig = 10 * 551 *10-6 = 5,51 mW
La relación de potencias es:
(PRL / Pg) * 100 = (3,33 mW / 5,51 mW) *100 = 60,44 %
Tercer apartado
Hay que comprobar el punto en el limite entre las zonas resistiva y fuente de corriente. La condición es:
VDS =VGS −Vt = 4,18 – 3 = 1,18 V
ese es el valor límite o frontera entre las zonas de funcionamiento. Ahora con ese valor, planteamos la ecuación de la malla de drenador y se obtiene el valor de Rp que hace que se pase de una zona de funcionamiento a otra en el transistor MOSFET. La ecuación es:
V1 = ID*(RL + RP) + VDS lim + ID*R3
10 = 0,55*10-3 *(11000 + RP) + 1,18+ 0,55*10-3 *3300
RP = 1740 Ω
Por lo tanto:
Si RP > 1740 Ω el transistor MOSFET estará polarizado en zona resistiva
Si RP < 1740 Ω el transistor MOSFET estará polarizado en zona fuente de corriente