Conducci´on

En el estado de conducci´on, o llave prendida (figura 7.11b)), el dispositivo se comporta como una resistencia aproximadamente constante en el rango de corrientes de trabajo, que depende del ´area total del chip. Para esto es necesario aplicar y mantener una tensi´on adecuada de gate.

Las corrientes m´aximas de operaci´on dadas por el fabricante se indican en la figura 7.11c). IDes la m´axima corriente que el dispositivo puede conducir en

forma permanente. IDM es la m´axima corriente absoluta que puede conducir

en forma transitoria. El MOSFET puede trabajar en forma permanente con corrientes menores que ID y en forma transitoria con corrientes con valores

entre ID e IDM.

La figura 7.12(International Rectifier Technical Library) muestra las curvas caracter´ısticas de un dispositivo comercial. Se ve que pr´acticamente no hay diferencia entre las curvas de zona resistiva correspondientes a UGS 10V y 15V

en el rango de corrientes en que puede trabajar el MOSFET. En la pr´actica se utiliza un valor entre esas tensiones. La tensi´on UGS m´axima admisible dada

por el fabricante es ±20V o ±30V, seg´un el dispositivo.

Al aplicar la tensi´on de encendido UGS se acumulan electrones en la zona

del canal seg´un el mecanismo ya descrito. Debido a la tensi´on aplicada y a las dimensiones de la zona del canal la zona de inversi´on que se forma corresponde a un MOSFET de canal ”corto”. Esa zona del cuerpo p pasa entonces a comportarse como un material con dopaje n. Tambi´en se acumulan electrones en la zona n−

del drain que queda enfrentada a la placa del gate. En el chip se forma entonces un camino de conducci´on entre los terminales de source y drain formado por el material n+ _{del source, el canal con comportamiento n, la zona de acumulaci´on}

de portadores n en el material n−_{, la capa n}− _{y la capa n}+ _{de contacto con el}

metal del drain. En definitiva es un camino de conducci´on n en el que se mueven electrones como portadores. Es un dispositivo de portadores mayoritarios y el mecanismo de conducci´on es de tipo drif t, es decir, de portadores impulsados por un campo el´ectrico. Por lo tanto el dispositivo se comporta como una

los metales, por lo cual el nombre de esa zona podr´ıa traducirse como ”de conducci´on”. De acuerdo a la convenci´on de trabajo adoptada mantenemos el nombre en ingl´es.

p n+ D S G n+ _n+ p n- n+

zona de canal (inversión) canal “corto”

+

UGS S

- - - -

- - -

--

---

-

-

-

acumulación de electrones p n+ D S G n+ _n+ p n- n+

+

UGS<0 S zona de deplexión diodo en inverso _ ≈UDS + I_D U_DS U_GS= 5-6V BV_DSS V_DSS I_DM UGS= 10V UGS= 15V conducción transitoria conducción permanente a) Bloqueo b) Conducción

c) Puntos correspondientes en la curva característica

Figura 7.11: Bloqueo y conducci´on en el MOSFET a) Bloqueo, b) Conducci´on. c) Puntos correspondientes en la curva caracter´ıstica

resistencia. La movilidad de los portadores disminuye con la temperatura, ya que aumentan las colisiones con ´atomos de la misma forma que en un metal, por lo tanto el coeficiente de temperatura de esa resistencia es positivo. Por este motivo no se producen focalizaciones de corriente y puntos calientes en el chip, y el MOSFET, a diferencia del BJT, no presenta el fen´omeno de ”segundo breakdown”. Su zona de operaci´on segura queda limitada solamente por la temperatura de juntura, que depende de la disipaci´on t´ermica.

Resistencia en estado de conducci´on RDS(on)

La RDS(on)se compone de las resistencias de las distintas zonas que conducen

la corriente. Son la resistencia de source RS, la del canal Rch, la de la zona de

acumulaci´on Racc, la de la zona n− del drain RD, y la de la zona n+ del drain.

La zona de conducci´on se forma alrededor del borde de cada celda p, donde se forma el canal. La resistencia total del dispositivo es entonces el paralelo de las resistencias de las miles de celdas que componen el MOSFET, obteni´endose una resistencia total mucho m´as baja que la de un MOSFET de se˜nal.

Figura 7.12: Curvas caracter´ısticas de un IRFP254

Las resistencias de las distintas partes tienen distintos comportamientos y su incidencia en la RDS(on) total depende del tipo de dispositivo. Las resistencias

que inciden m´as son las del canal, la de acumulaci´on y la de drif t.

Las resistencias de canal y de acumulaci´on dependen de la tensi´on UGS de

encendido que se utilice. A mayor tensi´on, menor valor de estas resistencias. Se debe elegir entonces la tensi´on m´as alta posible compatible con los l´ımites dados por el fabricante y por los m´argenes de seguridad necesarios para operaci´on segura. Estas resistencias son importantes en MOSFETs de baja tensi´on de avalancha (hasta una centena de voltios).

Al crecer la tensi´on de bloqueo requerida debe aumentarse el espesor de la zona de drif t. Esta zona tiene bajo dopaje por lo tanto alta resistividad, y la tensi´on UGS pr´acticamente no influye en ella. Por lo tanto en dispositivos con

capacidad de bloqueo de algunos cientos de voltios o m´as el t´ermino dominante en la RDS(on) es la resistencia de drif t, Rd. La resistencia espec´ıfica de estos

dispositivos (resistencia de la unidad de ´area, Ohm.cm2_{) es proporcional a} BV_D2,5−2,7_ss (Mohan et al. 1995). Una expresi´on de la resistencia RDS(on) para los

p D S n+ n- n+ Rsource Rch RAcc RDRIFT RDRAIN

Figura 7.13: Resistencia en conducci´on RDS(on)

1900):

RDS(on)=

8, 3 × 10−7_{× BV}2,5

Dss

A (Ω) (7.13)

Siendo A el ´area del chip en mm2_.

Para la misma capacidad de corriente, dada aproximadamente por el ´area del chip, un dispositivo de alta tensi´on (hasta 1000V) tiene una ca´ıda de tensi´on mucho m´as elevada que la de uno de baja tensi´on (hasta aproximadamente 100 - 200V).

La RDS(on) depende fuertemente de la temperatura, con coeficiente positivo

(7.14). La dependencia est´a dada en las hojas de datos a trav´es de una curva, que muestra el valor normalizado con respecto al valor a 25◦_C.

Al comportarse como una resistencia, las p´erdidas en el MOSFET en conducci´on est´an dadas por:

p(t) = RDS(on)× iD(t)

2 _(7.14)

La potencia media es entonces: hp(t)i = RDS(on)× hiD(t)

2_{i = R}

DS(on)× I

2

Drms (7.15)

Para el c´alculo de la potencia se debe tener en cuenta el valor de la resistencia a la temperatura de juntura elegida, que normalmente es del orden de dos veces la resistencia a 25◦_{C indicada en la primera p´agina de la hoja de datos dada}

por el fabricante.

Conexi´on en paralelo

El coeficiente positivo de RDS(on)permite la conexi´on en paralelo de MOSFETs

Figura 7.14: RDS(on)/RDS(on)25

◦_{C en funci´on de la temperatura para un} MOSFET IRFPG 50 (International Rectifier Technical Library)

La misma tensi´on de gate puede ser utilizada para el encendido de todos los dispositivos conectados en paralelo. Sin embargo los electrodos de gate no pueden conectarse directamente, ya que las capacidades de gate e inductancias par´asitas de los electrodos pueden formar circuitos resonantes que generen sobretensiones que superen la rigidez diel´ectrica del gate. Cada gate debe tener entonces una resistencia individual. Esta resistencia disminuye la velocidad de carga y descarga de la capacidad de entrada del MOSFET, y por lo tanto su velocidad de conmutaci´on. Una llave formada por MOSFETs en paralelo no es entonces equivalente a una formada con un ´unico MOSFET de la misma corriente total.

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