MOSFET: todo lo que necesitas saber sobre este tipo de transistor

transistor

Existen varios tipos de transistores. Estos dispositivos electrónicos son muy importantes para la electrónica actual, y supusieron un gran avance para pasar de la electrónica basada en tubos de vacío a la basada en estado sólido, mucho más fiable y de menor consumo. De hecho, los MOSFET son los usados en la mayoría de los chips o circuitos integrados, aunque también los puedes encontrar en placas de circuito impreso para otras muchas aplicaciones.

Pues bien, como es un dispositivo semiconductor tan importante, te voy a presentar todo lo que necesitas saber sobre esta obra de la ciencia y la ingeniería que nos permite hacer tantos circuitos y que nos han mejorado la vida en muchos sentidos.

¿Qué es un transistor?

La palabra transistor proviene de transfer-resistor, y fue inventado en 1951, aunque en Europa ya había patentes y desarrollos anteriores a que los americanos presentasen el primer diseño, aunque esto es ya otra historia… En aquel tiempo se buscaba un dispositivo basado en estado sólido, semiconductor, que pudiese sustituir a las toscas y poco fiables válvulas de vacío que componían los ordenadores y otros aparatos electrónicos de la época.

Las válvulas o tubos de vacío tiene una arquitectura similar a las bombillas convencionales, y por tanto también se fundía. Tenían que ser sustituidas con frecuencia para que las máquinas siguiesen funcionando. Además, se calentaba, y eso quiere decir que derrochaban grandes cantidades de energía en forma de calor por su ineficiencia. Por tanto, no eran nada prácticos y necesitaban un sustituto urgentemente.

Pues bien, en los Bell Labs de AT&T, Williams Shockley, John Bardeen y Walter Brattain se pusieron manos a la obra en crear ese dispositivo semiconductor. La verdad es que les costó mucho dar con la clave. Se mantuvo en secreto el proyecto porque se sabía que en Europa se estaba desarrollando algo similar. Pero la II Guerra Mundial se atravesó, y los protagonistas tuvieron que ir a la batalla. A la vuelta, misteriosamente ya habían encontrado la solución.

El primer prototipo que crearon era muy tosco, y presentaba serios problemas de diseño. Entre ellos, era complejo y complicado de fabricar en serie. Además, usaba partes de oro que lo encarecían y la punta a veces dejaba de hacer contacto con el cristal semiconductor, por lo que dejaba de funcionar y había que empujarla para que volviese a tener contacto. La verdad es que poco habían solucionado con este invento, pero poco a poco se fueron mejorando y aparecieron nuevos tipos.

Ya tenían un componente electrónico de estado sólido y más pequeño para reducir el tamaño de los aparatos de radio, alarmas, automóviles, ordenadores, televisores, etc.

Partes y funcionamiento

mosfet

El transistor se compone de tres patillas o contactos, que a su vez hacen contacto con tres zonas semiconductoras diferenciadas. En los bipolares esas zonas se llaman emisor, base y colector. En cambio, en los unipolares, como es el MOSFET, se suelen denominar fuente, puerta y drenador. Debes leer bien los datasheets o catálogos para saber identificar bien sus patillas y no confundirlas, ya que de ello va a depender el funcionamiento.

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La puerta o base hace como si fuese un interruptor, abriendo o cerrando el paso de corriente entre los otros dos extremos. Así es como actúa. Y según esto, se puede usar para dos funciones básicas:

  • Función 1:puede actuar para dejar pasar o cortar señales eléctricas, es decir, como un interruptor para la electrónica digital. Esto es importante para el sistema binario o digital, ya que controlando la puerta (con 0 o 1), puedes obtener un valor u otro a su salida (0/1). De esa forma se pueden formar puertas lógicas.
  • Función 2: también se pueden usar, para electrónica analógica, como amplificadores de señal. Si llega una pequeña intensidad a la base, se puede convertir en una más grande entre el colector y emisor que se puede usar como salida.

Tipos de transistores

símbolos de MOSFET

Símbolos del MOSFET N y P

 

Una vez visto el funcionamiento básico y un poco de su historia, a lo largo del tiempo se han venido mejorando y creando transistores optimizados para un tipo concreto de aplicación, dando lugar a todos estas dos familias que a su vez tienen varios tipos:

Recuerda que la zona N es un tipo de semiconductor dopado con impurezas donadoras, es decir, compuestos pentavalentes (fósforo, arsénico,…). Eso hará que permitan ceder electrones (-), ya que los portadores mayoritarios son los electrones, mientras que los minoritarios son los huecos (+). En el caso de una zona P es lo contrario, los mayoritarios serán los huecos (+), por eso se denomina así. Es decir, van a atraer a los electrones. Para conseguir eso se dopa con otras impurezas aceptadoras, es decir, trivalentes (aluminio, indio, galio,…).  Normalmente el semiconductor base suele ser silicio o germanio, aunque hay otros tipos. Los dopantes suelen estar en dosis muy bajas, del orden de un átomo de impurezas por cada 100.000.000 átomos del semiconductor. En algunas ocasiones se pueden formar zonas pesadas o altamente dopadas como las P+ o N+ que tienen 1 átomo de impurezas por cada 10.000.

  • BJT (Bipolar Junction Transistor): es el transistor bipolar, el más convencional. En este hay que inyectar una corriente de base para regular la corriente del colector. Dentro existen dos tipos:
    • NPN: como su nombre indica, tiene una zona semiconductora dopada para que sea de tipo N para que actúe como emisor, otra central P como base, y otra para el colector también de tipo N.
    • PNP: en este caso es al revés, la base será de tipo N, y las dos restantes de tipo P. Eso alterará totalmente su comportamiento eléctrico y la forma en la que se usa.
  • FET (Field Effect Transistor): el transistor de efecto de campo, y su diferencia más notable con respecto al BJT es la forma en la que se opera con su terminal de control. En este caso, el control se hace mediante la aplicación de una tensión entre la puerta y la fuente. Dentro de este tipo hay varios subtipos:
    • JFET: los de unión FET son de agotamiento, y tienen un canal o zona semiconductora que puede ser de un tipo u otro. Según eso pueden ser a su vez:
      • De canal N.
      • De canal P.
    • MOSFET: sus siglas provienen de Metal Oxide Semiconductor FET, denominado así porque se usa una fina capa de dióxido de silicio bajo el contacto de la puerta para generar el campo necesario con el que se puede controlar el paso de corriente por su canal para que haya flujo entre la fuente y emisor. El canal puede ser de tipo P, por lo que habrá dos pozos N para drenador y fuente; o de tipo N, con dos pozos tipo P para fuente y drenador. Son algo diferentes a lo anteriores, en este caso se puede tener:
      • Deplection o agotamiento:
        • De canal N.
        • De canal P.
      • Enhanced o mejorados:
        • De canal N.
        • De canal P.
      • Otros: TFT, CMOS, …
  • Otros.

Las diferencias se basan en la arquitectura interna de las zonas semiconductoras de cada uno…

MOSFET

Un MOSFET permite manipular grandes cargas, lo que puede ser útil para ciertos circuitos con tu Arduino, como luego verás. De hecho, sus ventajas lo hacen tan útiles en la electrónica moderna. Puede actuar como amplificador o como interruptor controlado electrónicamente. Para cada tipo de MOSFET que compres, ya sabes que deberías leer el datasheet para ver las propiedades, ya que no todos son iguales.

La diferencia entre uno de canal N y P es:

  • Canal P: para activar el canal P para que deje pasar la corriente, se aplica una tensión negativa a la puerta. La fuente se debe conectar a una tensión positiva. Ten en cuenta que el canal sobre el que está la puerta es de tipo positivo, mientras que los pozos para el drenador y fuente son negativos. De ese modo «se empuja» a que la corriente pase a través del canal.
  • Canal N: en este caso, se aplica un voltaje positivo a la puerta.

Son elementos muy baratos, así que puedes comprar un buen puñado de ellos sin un gran costo. Por ejemplo, aquí tienes algunos comerciales que puedes comprar en las tiendas especializadas:

Si lo vas a usar para mayores potencias se va a calentar, así que sería bueno usar un disipador para refrigerarlo un poco…

Integración con Arduino

esquema con Arduino

Un MOSFET puede ser muy práctico para controlar señales con tu placa Arduino, por tanto, puede servir de forma similar a como se usaba el módulo relé, si lo recuerdas. De hecho, también se venden módulos MOSFET para Arduino, como es el caso del IRF520N, uno de los más populares. Con estos módulos ya tienes el transistor montado en una pequeña PCB y resulta más sencillo de usar.

Pero no es el único que puedes usar con Arduino, también existen otros bastante habituales como el IRF520, IRF540, que permiten intensidades nominales de 9.2 y 28A respectivamente, frente a los 14A del IRF530.

Existen muchos modelos de MOSFET disponibles pero no todos son recomendados para usar directamente con un procesador como Arduino por las limitación de tensión e intensidad en sus salidas.

Si usas el módulo IRF530N, por poner un ejemplo, puedes conectar el conector marcado como SIG en la placa con uno de los pines de la placa Arduino UNO, como puede ser la D9. Luego conecta GND y Vcc a las correspondientes de la placa Arduino, como son GND y 5v en este caso para alimentarlo.

En cuanto al código simple que regularía este esquema sencillo sería el siguiente, que lo que hace es dejar pasar o no carga a la salida cada 5 segundos (en el caso de nuestro esquema sería un motor, pero puede ser lo que quieras…):


onst int pin = 9;    //Pin donde está conectado el MOSFET
 
void setup() {
  pinMode(pin, OUTPUT);  //Definir como salida para controlar el MOSFET
}
 
void loop(){
  digitalWrite(pin, HIGH);   // Lo pone en HIGH
  delay(5000);               // Espera 5 segundos o 5000ms
  digitalWrite(pin, LOW);    // Lo pone en LOW
  delay(5000);               // Espera otros 5s antes de repetir el bucle
}


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