¿Qué es un MOSFET de Potencia?
Un MOSFET de potencia es un término genérico para dispositivos MOSFET para aplicaciones de alta potencia. MOS significa “Metal Oxide Silicon” (silicio de óxido metálico).
En el pasado, los transistores bipolares con terminales de base, colector y emisor eran el pilar de los dispositivos de conmutación, pero en comparación, los MOSFET tienen velocidades de conmutación más rápidas, baja tensión y baja resistencia a la conexión, lo que permite un funcionamiento con pocas pérdidas.
Usos de los MOSFET de Potencia
Los MOSFET de potencia pueden utilizarse en circuitos en los que convencionalmente se emplean transistores bipolares de potencia. En particular, los MOSFET de potencia tienen menores pérdidas de conmutación que los transistores bipolares de potencia.
La alta resistencia a la conexión y la baja tensión de ruptura de los MOSFET, así como la dificultad de aplicarlos a aplicaciones de alta potencia, que habían sido problemas de los MOSFET, se han solucionado gracias a recientes innovaciones tecnológicas como la estructura de doble difusión de tipo puerta planar, la estructura de puerta en zanja y la estructura de superunión, y ahora se utilizan en transistores de potencia. Los MOSFET son ahora el pilar del mundo de los transistores de potencia.
Principio de los MOSFET de Potencia
En principio, los MOSFET de potencia funcionan sólo con un gran número de núcleos (electrones para los de tipo n y huecos para los de tipo p). Por lo tanto, no se ven afectados por la cearia minoritaria del tipo bipolar, que fue el pilar de los transistores de Potencia en el pasado, y fundamentalmente tienen una impedancia de entrada mayor que los FET de tipo unión.
Los MOSFET de potencia también pueden clasificarse a grandes rasgos según su estructura de puerta y su estructura de capa de deriva, y a continuación se describen las tres estructuras principales predominantes en los últimos años.
1. Estructura D-MOS MOSFET de Doble Difusión
Esta estructura consigue una alta tensión de ruptura mediante la formación de canales de doble difusión, lo que da lugar a un MOSFET de potencia de alto rendimiento con alta integración, baja resistencia a la conexión y bajas pérdidas. Concretamente, en el caso de los MOSFET de canal N, se forma una capa de tipo p de baja concentración y una capa de tipo n de alta concentración sobre la capa epitaxial del sustrato N mediante doble difusión; también existen MOSFET de canal P, pero la movilidad de los huecos es menor que la de los electrones, lo que da lugar a una alta resistencia a la conexión y a un deterioro de las características.
2. Estructura de Puerta de Trinchera
Esta estructura tiene una puerta con ranura en U y los canales se forman verticalmente para lograr una alta integración e incluso una menor resistencia a la conexión. Sin embargo, esta estructura se utiliza para MOSFET de potencia de bajo voltaje. Se caracteriza por la reducción del área de la celda unitaria mediante la ranura en U de la puerta.
3. Estructura de Superunión
Este es actualmente el mejor MOSFET de potencia disponible, excepto por el cambio de material del sustrato. La estructura periódica vertical p/n denominada superunión se forma en la capa de deriva para conseguir una resistencia en ON ultrabaja por debajo del límite del silicio de los MOSFET de potencia convencionales.
Más Información sobre los MOSFET de Potencia
Ámbito de uso de los MOSFET de Potencia en el Mercado
Los MOSFET de potencia se utilizan en aplicaciones de fuentes de alimentación de alta potencia a un coste relativamente bajo gracias a sus sustratos de silicio de bajo coste y alta fiabilidad, pero cuando se trata de aplicaciones de fuentes de alimentación de alta potencia que manejan varios kVA, la resistencia a la conexión aumenta hasta varios ohmios, lo que incrementa significativamente las pérdidas y los sitúa fuera del rango utilizable.
Los dispositivos semiconductores que más se utilizan actualmente en este campo son los IGBT (transistores bipolares de puerta aislada) o los MOSFET de potencia de SiC, en los que los IGBT se combinan con transistores bipolares para suprimir el aumento de la resistencia a la conexión en el rango de alta corriente de los MOSFET. El MOSFET de potencia de SiC es un MOSFET de potencia con un transistor bipolar y un MOSFET de potencia de SiC.
Los MOSFET de potencia de SiC utilizan semiconductores compuestos de SiC, un cristal de banda prohibida ancha, como material de sustrato y se caracterizan por su tensión de ruptura espectacularmente mejorada. Los MOSFET se utilizan para aplicaciones de fuentes de alimentación de alta potencia y alta velocidad de conmutación a varios 100 KHz.
Los IGBT no son adecuados para fuentes de alimentación de conmutación de alta velocidad debido a la estructura de sus dispositivos, mientras que los MOSFET de potencia de SiC tienen un coste de sustrato de SiC relativamente alto (en parte debido a las limitaciones de tamaño de las obleas). No obstante, los MOSFET de Potencia en sustratos de silicio, relativamente baratos y fáciles de usar, seguirán utilizándose en la gama de media y baja potencia, con mejoras en características y coste, a menos que surjan nuevos dispositivos que tengan el mérito de sustituirlos.