¿Es el voltaje umbral de la compuerta MOSFET un límite o el mínimo voltaje de conmutación "Totalmente activado"?

Question

He estado buscando algunos transistores mosfet, para un kit de iniciación, y noté listados que indican que un mosfet es adecuado para lógica de 5v, pero las hojas de datos indican que el Umbral de Puerta es de 1-2v. Los mosfets con compuerta de 4v, que están más cerca de los 5v, del mismo vendedor no se anuncian como adecuados.

Entiendo que aplicar voltaje Vgs a la compuerta activará el mosfet, pero ¿cómo interactúa con diferentes voltajes?

Por ejemplo, si un mosfet tuviera un rango de Vgs de 2-3 y aplicara rangos de voltaje de 0-1, 2-3, 3-7, asumo que sería algo así (corríjame si me equivoco):

• 0-1v - apagado
• 2-3v - encendido con conductividad proporcional (con 3v como máximo).
• 3-7v - ¿calor/quemadura?

Answer 1

Como Andy dice V_GS(th), es decir, la tensión umbral de puerta-fuente corresponde a una corriente baja, cuando el MOSFET apenas se enciende y Rds todavía es alto.

Desde una perspectiva de usuario/comprador, lo que desea buscar es garantizado (y bajo) Rds(on) para un determinado V_GS que planea usar en su aplicación. Lamentablemente, no enlazaste a ninguna hoja de datos ni mencionaste partes específicas en tu pregunta, pero estoy bastante seguro de que el Rds(on) garantizado bajo solo se da a 4-5V para tu MOSFET.

Además, el MOSFET no "se calentará/quemará" a un V_GS más alto, siempre que no exceda el máximo permitido. De hecho, es mejor conducirlo con un V_GS lo más alto posible para asegurarse de que esté completamente encendido.

Por ejemplo, el FDD24AN06LA0_F085 MOSFET tiene un V_GS(th) entre 1 y 2V, pero la corriente de drenaje en este punto solo se garantiza que sea de 250µA, que probablemente sea demasiado baja para ser útil. Por otro lado, prometen "rDS(ON) = 20mΩ (Typ.), VGS = 5V, ID = 36A". Por lo tanto, normalmente usarás este MOSFET con un V_GS de 5V o más. Además, para este MOSFET, V_GS no debe exceder los 20V (o caer por debajo de -20V) o se dañará. Pero cualquier cosa en este rango está bien.

Aquí están las partes relevantes de la hoja de datos:

Que se detalla como:

No exceder las clasificaciones:

También vale la pena destacar es el gráfico de Rds(on) versus Vgs e corriente de drenaje:

En general, el bajo Rds(on) prometido tendrá una condición de prueba bastante especializada (como un cierto ciclo de trabajo). Como regla general, lo duplico en comparación con lo prometido en la hoja de datos.

Answer 2

El voltaje umbral puerta-fuente es el voltaje que se requiere para conducir (generalmente) 100 uA de corriente hacia el drenaje. Diferentes MOSFETs tienen diferentes definiciones y algunos dispositivos definen el voltaje umbral en hasta 1 mA de corriente de drenaje.

Es un indicador comparativo bastante útil de cómo puede operar un cierto dispositivo cuando se le proporciona una señal de nivel lógico adecuado, pero siempre es mejor examinar la hoja de datos. Normalmente se puede encontrar lo siguiente: -

Puedes ver que V\$_{GST}\$ hace que fluya muy poca corriente, pero al aumentar el voltaje de la puerta por encima de esto verás que el dispositivo conduce mucha más corriente.

Por lo general, los voltajes máximos permitidos para las puertas de los MOSFET son +/- 20V, por lo que hay un margen bastante amplio entre los niveles de operación y daño.

Answer 3

• No te confundas entre Tensión de umbral de la puerta (Vth) y Tensión entre la puerta y la fuente (Vgs). Vth es una propiedad inherente del MOSFET, mientras que Vgs es una entrada al MOSFET. Siempre que la entrada sea menor al nivel deseado, es decir, cuando Vgs < Vth, el MOSFET estará apagado. Para encender el MOSFET, debes aplicar Vgs > Vth.

• Vth es algo que se determina durante el proceso de fabricación del MOSFET. Sin embargo, debido a condiciones prácticas e imperfecciones en la fabricación, nunca tendrás un Vth constante perfecto para un MOSFET. Por lo tanto, siempre hay un rango de Vth. Un Vth de 1-2 V significa que la tensión de umbral de tu MOSFET variará en un rango de 1-2 V.

• Entonces, ¿qué es Vgs? Vgs es la tensión de puerta real que aplicas a la puerta del MOSFET. Para encender el MOSFET, debes aplicar Vgs > Vth. sin embargo, ten en cuenta que la corriente máxima de drenaje varía con Vgs. Así que no pienses que aplicando Vgs = Vth(min) puedes esperar que la corriente de drenaje máxima nominal fluya a través del MOSFET. En Vgs = Vth, el MOSFET simplemente se enciende y no está en posición de permitir que pase una gran corriente de drenaje.

• ¿Por qué hay un límite máximo en Vgs? La tensión entre la puerta y la fuente es responsable de formar un canal debajo de la puerta. El campo eléctrico producido por esta tensión es lo que atrae los electrones hacia la puerta, lo que finalmente forma el canal para que la corriente fluya entre la fuente y el drenaje. Para evitar cualquier corriente de fuga, hay una fina capa aislante - óxido de puerta, debajo de la terminal de la puerta. Esta capa de SiO2 es lo que hace que los MOSFET sean especiales (un tema más allá del alcance de esta discusión). El punto es que cada capa dieléctrica/aislante puede soportar solo cierta cantidad máxima de fuerza. Más allá de esto, la capa dieléctrica/aislante se rompe y se comporta como un cortocircuito. Entonces, si aplicas Vgs > Vgs(max), se producirá un campo eléctrico alto que generará una fuerza mayor de la que la capa de óxido puede manejar. Como resultado, la capa de óxido de puerta se romperá y cortocircuitará las capas que se suponía que debía aislar. La ruptura de una capa dieléctrica/aislante crea un punto débil, también conocido como punto caliente, en la capa misma y, como resultado, comienza a fluir corriente a través del punto débil. Esto conduce a un calentamiento localizado y un incremento en la corriente que aumenta aún más el calentamiento. Este ciclo continúa y finalmente conduce al derretimiento del silicio, el dieléctrico/aislante y otros materiales en el punto caliente.