MOSFET / IGBT

MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effecto Transistor) y los IGBT (Insulated-Gcomió Bipolar Transistor) son transistores de potencia que se utilizan para controlar la salida en muchos servoaccionamientos. Ambos transistores de potencia son dispositivos semiconductores de potencia de tres terminales que se utilizan para conmutar y amplificar las señales electrónicas.

MOSFET

El MOSFET es un transistor de efecto de campo que consta de tres componentes: una fuente, un drenaje y una puerta. El MOSFET funciona variando la anchura de un canal entre los nodos de origen y drenaje por el que fluyen los portadores de carga. La tensión que se aplica a través de la puerta controla el tamaño del canal, que determina el flujo de corriente hacia el drenaje. Los MOSFET sólo tienen 2 capas de sustrato de tipo P y N, lo que reduce su capacidad de tensión en comparación con los IGBT, pero les permite manejar velocidades de conmutación más rápidas. Los MOSFETs más recientes han sido capaces de manejar voltajes mucho más altos, pero esto viene acompañado de un mayor tamaño y coste. Los MOSFET se utilizan habitualmente en la electrónica del automóvil y la robótica por su rápida velocidad de conmutación. Los MOSFET también pueden utilizarse en muchas aplicaciones industriales, dependiendo de la tensión y las condiciones de conmutación.

IGBT

El IGBT es un transistor bipolar que también consta de tres componentes: un emisor, un colector y una puerta. Los IGBT tienen la capacidad de entrada de alta corriente y baja tensión de saturación de los transistores bipolares con las características de salida de los MOSFET. A diferencia de los MOSFET, los IGBT son de corriente controlada, produciendo un campo magnético en lugar de un campo eléctrico y una corriente dominante de portadora minoritaria. Los IGBT tienen múltiples capas de sustrato P y N que les dan la ventaja de manejar altos voltajes en comparación con los MOSFET. Estas capas adicionales tienen la desventaja de una menor velocidad de conmutación, pero las innovaciones en la tecnología IGBT han permitido que estos transistores tengan una velocidad de conmutación comparable a la de los MOSFET. Los IGBT se utilizan en muchas aplicaciones industriales y de automoción y suelen ser los preferidos para los electrodomésticos, como los aparatos de aire acondicionado y los frigoríficos. Al igual que los MOSFET, las aplicaciones específicas de los IGBT dependen de la tensión y las condiciones de conmutación.

Comparación entre MOSFET e IGBT

MOSFET IGBT
Similitudes de construcción Compuesto por sustratos de tipo P y N para permitir y controlar el flujo de corriente
Diferencias de construcción Dos capas de sustrato de tipo P y N contribuyen a la alta frecuencia de conmutación, contiene un diodo de cuerpo de drenaje Las múltiples capas de sustrato P y N dan al IGBT una alta conductividad, no tiene diodo de drenaje de cuerpo
Controlar Dispositivos portadores mayoritarios accionados por tensión, producen un campo eléctrico Dispositivos de portadores minoritarios controlados por la corriente, produce un campo magnético
Utiliza Pueden utilizarse en accionamientos digitales y analógicos, y ambos se emplean en servoaccionamientos estándar y personalizados. Sus reducidas dimensiones han propiciado la posibilidad de crear servoaccionamientos más pequeños, como la serie µZ
Similitudes de interfaz Transistores de tres terminales compuestos por un circuito de accionamiento de puerta relativamente sencillo
Diferencias de interfaz Fuente, Drenaje, Puerta Emisor, Colector, Puerta
Tensión de funcionamiento Normalmente <250V Capaz de >1000V
Frecuencia de conmutación Alto +100kHz Bajo ~20kHz

Historia

Antes de que se introdujeran los MOSFET en los años 60, los transistores bipolares eran los únicos transistores de potencia reales del mercado. De hecho, Julius Lilienfeld describió un dispositivo extremadamente similar a un transistor de efecto de campo en 1926, años antes incluso de que se introdujera el transistor bipolar, pero nunca se fabricó porque no era necesario en la principal innovación de la época: el teléfono. Los transistores bipolares son controlados por corriente, requieren una alta corriente de base para encenderse y son responsables de altas cantidades de desbordamiento térmico. Los MOSFET ofrecen las mismas capacidades de los transistores bipolares, pero están controlados por la tensión en el terminal de la puerta en lugar de la corriente, lo que les permite utilizar mucha menos energía para encenderse. Los MOSFET se pueden hacer mucho más pequeños que los transistores bipolares, tienen mayor velocidad de conmutación, permiten una densidad mucho mayor y minimizan el desbordamiento térmico. El pequeño tamaño de los transistores de potencia MOSFET permitió la creación de circuitos integrados de alta densidad, como los chips de memoria y los microprocesadores, que han revolucionado la industria electrónica.

En los años 80 se introdujeron los IGBT como un cruce entre los transistores bipolares y los MOSFET. La necesidad de un transistor más eficiente y potente surgió cuando GE pidió a Bantval Baliga que hiciera más eficientes las unidades de aire acondicionado, ya que los MOSFET de la época no eran capaces de funcionar eficazmente a voltajes tan altos. Baliga combinó las características de entrada de un transistor bipolar con las características de salida de un MOSFET para crear un transistor que pudiera funcionar eficazmente a voltajes y temperaturas más elevados sin dejar de conservar la energía.

Innovaciones futuras

Bantval Jayant Baliga, el inventor del IGBT, pretende ahora revolucionar y sustituir los IGBT y MOSFET por transistores de potencia de carburo de silicio. Mientras investigaba en la Universidad Estatal de Carolina del Norte, Baliga descubrió que el carburo de silicio resultaba ser más de 100 veces más eficiente que el silicio que viene de serie en los MOSFET e IGBT. El carburo de silicio permite que los transistores conmuten más rápido y soporten temperaturas extremadamente altas, por lo que se espera que sea muy útil en la producción de vehículos autónomos, donde la electrónica debe ser robusta y capaz de soportar altas temperaturas. Sin embargo, los transistores de carburo de silicio tienen un precio mucho más elevado que los IGBT de silicio y no han demostrado ser económicamente sostenibles para la mayoría de los fabricantes de electrónica, incluso con su mayor eficiencia energética y robustez. Se calcula que los IGBT han ahorrado $25 billones gracias a su mayor eficiencia energética; los transistores de carburo de silicio podrían allanar el camino para reducir nuestro consumo de energía y disminuir la necesidad de combustibles fósiles.

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