MOSFET como interruptor: ¿cuándo está en saturación?

En primer lugar, la "saturación" en mosfets significa que el cambio en VDS no producirá un cambio significativo en el Id (corriente de drenaje). Puede pensar en MOSFET en saturación como fuente actual. Eso es, independientemente del voltaje a través de VDS (con límites, por supuesto), la corriente a través del dispositivo será (casi) constante.

Ahora volviendo a la pregunta:

Según wikipedia, el MOSFET está saturado cuando V(GS) > V(TH) y V(DS) > V(GS) - V(TH).

Eso es correcto.

Si aumento lentamente el voltaje de la puerta a partir de 0, el MOSFET permanece apagado. El LED comienza a conducir una pequeña cantidad de corriente cuando el voltaje de la puerta es de aproximadamente 2,5 V.

Aumentó The Vgs por encima de Vth de NMOS para que se formara el canal y el dispositivo comenzara a conducir.

El brillo deja de aumentar cuando el voltaje de la puerta alcanza alrededor de 4V. No hay cambio en el brillo del LED cuando el voltaje de la puerta es mayor a 4V. Incluso si aumento el voltaje rápidamente de 4 a 12, el brillo del LED permanece sin cambios.

Aumentó los Vgs haciendo que el dispositivo conduzca más corriente. En Vgs = 4V, lo que limita la cantidad de corriente ya no es el transistor sino la resistencia que tiene en serie con el transistor.

También controlo el voltaje de drenaje a fuente mientras aumento el voltaje de la puerta. El voltaje de drenaje a fuente cae de 12 V a cerca de 0 V cuando el voltaje de la puerta es de 4 V más o menos. Esto es fácil de entender: dado que R1 y R(DS) forman un divisor de voltaje y R1 es mucho más grande que R(DS), la mayor parte del voltaje cae en R1. En mis mediciones, alrededor de 10 V caen en R1 y el resto en el LED rojo (2 V).

Todo parece estar en orden aquí.

Sin embargo, dado que V(DS) ahora es aproximadamente 0, la condición V(DS) > V(GS) - V(TH) no se cumple, ¿el MOSFET no está saturado?

No, no es. Está en la región lineal o triodo. Se comporta como una resistencia en esa región. Eso es aumentar Vds aumentará Id.

Si este es el caso, ¿cómo se diseñaría un circuito en el que el MOSFET está saturado?

Tu ya lo tienes. Solo debe tener cuidado con el punto de operación (asegúrese de que se cumplan las condiciones que ha mencionado).

A) En la región lineal, puede observar lo siguiente: -> al aumentar el voltaje de ALIMENTACIÓN, el LED se volverá más brillante a medida que aumente la corriente a través de la resistencia y el transistor y, por lo tanto, fluirá más a través del LED.

B) En la región de saturación sucederá algo diferente -> al aumentar el voltaje de ALIMENTACIÓN, el brillo del LED no cambiará. El voltaje adicional que aplique en el SUMINISTRO no se traducirá en una corriente mayor. En cambio, será a través de MOSFET, por lo que el voltaje de DRENAJE aumentará junto con el voltaje de suministro (por lo tanto, aumentar el suministro en 2 V significará aumentar el voltaje de drenaje en casi 2 V)

Interpreto el significado de 'saturación' en el contexto del artículo de Wikipedia de la siguiente manera:

La hoja de datos para un MOSFET mostrará un gráfico con curvas que muestran un particular$I_D$para un particular$V_{DS}$en un particular$V_{GS}$, por lo general para un número de diferentes$V_{GS}$valores.

En este ejemplo, la línea parabólica roja separa lo que se denomina región 'lineal' de la región de 'saturación'. En la región de saturación, la$I_D$las líneas son planas - la corriente ya no aumenta a medida que$V_{DS}$aumenta En la región lineal, a medida que aumenta la corriente de drenaje,$V_{DS}$aumenta: el MOSFET actúa como una especie de resistencia.

En su situación, suponiendo que su parte tenga curvas similares a las del ejemplo, técnicamente 'no', el dispositivo no está en la región de saturación. Dicho esto, su$I_D$es tan bajo que el$V_{DS}$la caída es minúscula en comparación con la resistencia en serie. No importa qué$V_{GS}$se eleva, la caída 'lineal' del MOSFET es pequeña en comparación con la$390 \Omega$resistencia, y "parece" saturado.

Otras respuestas aquí dan una buena explicación del término "saturación" aplicado a los MOSFET.

Solo señalaré aquí que este uso es muy diferente de lo que significa para los transistores bipolares y algunas otras clases de dispositivos.

El término se usa correctamente para MOSFET donde

• V(DS) > V(GS) - V(TH)

PERO nunca debería haber sido.
Pero lo es, así que sé consciente de ello.

Un transistor bipolar (y NO un MOSFET) está "en saturación" cuando se enciende con fuerza. La condición equivalente en un MOSFET en modo de mejora (el tipo más común) es cuando está "totalmente mejorado", PERO el término adecuado para esto ya ha sido robado.

Adicional:

Un MOSFET se "encende" mediante el voltaje aplicado a la puerta en relación con la fuente = Vgs.
El Vgs requerido donde el FET comienza a encenderse y conduce una cantidad definida de corriente se conoce como 'voltaje de umbral de puerta' o simplemente 'voltaje de umbral' y generalmente se escribe como Vgsth o Vth o similar.
Vth da una indicación de cuánto voltaje se necesitará para operar el FET como un interruptor, PERO el Vgs real totalmente mejorado es típicamente varias veces Vgsth. Además, los Vg necesarios para una mejora completa varían según los ID deseados.

Este gráfico, copiado de la respuesta de Madmanguruman, muestra que en Vgs = 7V, la relación Ids/Vds es casi lineal hasta aproximadamente Ids = 20A, por lo que el FET está "totalmente mejorado" y parece una resistencia hasta aproximadamente este punto. Para este FET, Vds es de aproximadamente 1,5 V a aproximadamente 20 A, por lo que Rdson es de aproximadamente R = V/I = 1,5/20 = 75 miliohmios.
Para este FET, hay una curva en Vgs = 1V, por lo que VGSth = Vth probablemente esté en el rango de 0.5V-0.8V, digamos 100 uA.

Lo que debe hacer para ver la saturación es suministrar suficiente voltaje hasta que finalmente el aumento de voltaje no haga ninguna diferencia en la corriente.
Para hacer esto, establezca su Vgs en un valor estático (>Vth), luego aumente el voltaje a través de Vds y mida la corriente. Inicialmente, aumentará de forma bastante lineal, estando en la región óhmica o lineal, pero eventualmente se aplanará y, a pesar de aumentar aún más, la corriente a través del MOSFET permanecerá igual.

En cuanto a la definición de saturación, entiendo que la saturación/lineal en los MOSFET significa aproximadamente lo contrario de lo que hacen en un BJT. Este documento (bajo la caracterización de MOSFET en unas pocas páginas) sugiere algo similar, aunque siempre que comprenda cómo funcionan y qué quiere decir con el término, entonces debería estar bien (al menos hasta que esté hablando de transistores con alguien :-))

http://www.falstad.com/circuit/e-nmosfet.html

Hay un buen subprograma de simulador de MOSFET en esta página. Espero que ayude.
También hice una pregunta similar hace un tiempo; usted puede referirse a él también.

B) En la región de saturación sucederá algo diferente -> al aumentar el voltaje de ALIMENTACIÓN, el brillo del LED no cambiará. El voltaje adicional que aplique en el SUMINISTRO no se traducirá en una corriente mayor. En cambio, será a través de MOSFET, por lo que el voltaje de DRENAJE aumentará junto con el voltaje de suministro (por lo tanto, aumentar el suministro en 2 V significará aumentar el voltaje de drenaje en casi 2 V)

¿Cómo es eso? Aumentar el suministro debería aumentar el V ds solo en Id X Rds (encendido). Teniendo en cuenta que el LED tendrá casi la misma caída de voltaje directo, entonces el aumento de voltaje deberá ser compartido por la resistencia en serie y el dispositivo. Dado que la resistencia tiene un valor mucho mayor (390 ohmios en comparación con los 0,8 ohmios del dispositivo), la mayor parte de la caída de tensión tiene que ser a través de la resistencia. Además, definitivamente habrá un aumento en la corriente de drenaje con un aumento en la resistencia. Las pérdidas MOSFET se calculan en estado estacionario como la corriente al cuadrado multiplicada por Rds (encendido). Por lo tanto, la observación "el voltaje de DRENAJE aumentará junto con el voltaje de suministro (por lo tanto, aumentar el suministro en 2 V significará aumentar el voltaje de drenaje en casi 2 V)" es incorrecta