Transistor MOSFET: transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor
Explicación completa del MOSFET: definición, partes, funcionamiento, variantes, historia y aplicaciones principales en electrónica digital y de potencia.
El transistor MOSFET (metal-óxido-semiconductor de efecto de campo) es un tipo de transistor de efecto de campo ampliamente utilizado en la electrónica moderna. Su función básica es controlar el flujo de corriente entre dos terminales mediante una tercera terminal llamada puerta; por esa razón actúa como interruptor o como amplificador en multitud de circuitos. Su diseño compacto y su facilidad de integración hacen del MOSFET la base de la electrónica digital contemporánea, incluidos microprocesadores y memorias.
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Partes y características principales
Un MOSFET tiene cuatro nodos importantes: puerta (gate), fuente (source), drenaje (drain) y el sustrato o cuerpo. Entre la puerta y el canal existe una capa aislante de óxido que separa eléctricamente la puerta del semiconductor; la existencia de este óxido permite que la puerta modifique el potencial eléctrico sin conducir corriente significativa. Cuando se aplica una tensión adecuada en la puerta, se forma un canal conductor entre la fuente y el drenaje que permite el paso de corriente.
Principio de funcionamiento
El MOSFET opera por efecto de campo: la tensión de la puerta crea un campo eléctrico que atrae o repele portadores de carga en la región cercana al óxido, generando o suprimiendo un canal. Existen dos polaridades comunes, n-channel y p-channel, y dos modos de operación, de enriquecimiento (enhancement) y de agotamiento (depletion). En la práctica digital predominan MOSFET de enriquecimiento en pares complementarios (CMOS), lo que permite baja disipación estática y alta densidad de integración.
Historia y desarrollo
El MOSFET fue desarrollado a finales de los años 50 y principios de los 60 y rápidamente desplazó a otras tecnologías por su facilidad de miniaturización y su compatibilidad con procesos de manufactura en silicio. Su capacidad de integración creció de forma exponencial durante las décadas siguientes: los circuitos integrados pasaron de contener unos pocos miles de transistores en los años setenta a miles de millones a principios del siglo XXI, siguiendo tendencias de reducción de tamaño y mejoras en litografía y materiales.
Aplicaciones y ejemplos
Los MOSFET se emplean tanto en electrónica digital como en electrónica de potencia. En lógica digital forman las puertas lógicas de la tecnología CMOS utilizadas en microprocesadores, controladores y memorias. En electrónica de potencia existen variantes con estructura y empaquetado optimizados para conmutación de alta corriente y baja resistencia de conducción; se usan en fuentes conmutadas, controladores de motores y convertidores. Otros usos incluyen amplificadores analógicos, circuitos RF y sensores integrados.
Variantes y comparaciones
- NMOS y PMOS: difieren en el tipo de portadores que conducen (electrones o huecos) y se combinan en CMOS.
- MOSFET de potencia: diseñados para altas tensiones y corrientes, suelen tener carcasa y geometrías especiales.
- Comparación con BJT y JFET: frente a los BJT, los MOSFET ofrecen mayor impedancia de entrada y un comportamiento más sencillo en lógica; frente a JFET, el MOSFET permite mayor densidad de integración en procesos de óxido.
Aspectos prácticos como la tensión umbral, la resistencia drenaje-fuente en conducción (Rds(on)), la capacidad de puerta y la disipación térmica condicionan la selección de un MOSFET para cada aplicación. Además, la fiabilidad depende del control de la calidad del óxido y de la protección frente a descargas electrostáticas y eventos transitorios.
Recursos y lecturas adicionales
- Descripción técnica básica
- MOSFET como interruptor
- Transistores y su papel en electrónica
- Aplicaciones en informática
- Sistemas electrónicos modernos
- Uso en señales analógicas
- Uso en electrónica digital
- Analogía: válvula y control
- Función del óxido aislante
- Semiconductores y dopado
- Control por señal eléctrica
- Integración en circuitos
Operación
Hay cuatro tipos comunes de MOSFET:
MOSFET de canal N en modo de mejora
El interruptor entre la "fuente" y el "drenaje" suele estar apagado. Puede encender el interruptor aplicando un voltaje positivo a la "compuerta", para que tenga un voltaje más alto que la "fuente".
MOSFET de canal P en modo de mejora
El interruptor entre la "fuente" y el "drenaje" suele estar apagado. Puede encender el interruptor aplicando un voltaje negativo a la "compuerta", para que tenga un voltaje menor que el de la "fuente".
MOSFET de canal N en modo de agotamiento
El interruptor entre la "fuente" y el "drenaje" suele estar encendido. Puede apagar el interruptor aplicando un voltaje negativo a la "puerta", para que tenga un voltaje más bajo que la "fuente".
MOSFET de canal P en modo de agotamiento
El interruptor entre la "fuente" y el "drenaje" suele estar encendido. Puede apagar el interruptor aplicando un voltaje positivo a la "puerta", para que tenga un voltaje más alto que la "fuente".
Los MOSFET de canal P en modo de agotamiento no suelen estar disponibles.
Resumen
| Tipo MOSFET | Normalmente | Para cambiar, aplique la tensión ____ a la "puerta" |
| Modo de mejora Canal-N | Off | Positivo |
| Modo de mejora Canal P | Off | Negativo |
| Modo de agotamiento de canal N | En | Negativo |
| Modo de agotamiento Canal P | En | Positivo |
Diferencias entre los MOSFET
Circuitos integrados
Un pequeño trozo de silicio puede tener millones de MOSFETs creados en él. Esto constituye un circuito integrado. Consulte el artículo sobre los circuitos integrados para obtener más detalles.
El resto de esta sección trata de los MOSFETs simples con tres conexiones.
Calor
Si el MOSFET está parcialmente encendido, reducirá la potencia que pasa por él. Lo hace convirtiendo parte de la potencia en calor. Incluso si está encendido, seguirá convirtiendo parte de la potencia en calor.
El MOSFET tiene una resistencia. Cuando la corriente fluye del drenaje del MOSFET a su fuente, habrá una caída de tensión. Multiplique esa corriente y esa tensión para obtener la pérdida de potencia. Esa potencia perdida se convierte en calor.
El MOSFET debe deshacerse de ese calor, normalmente pasándolo al aire.
Los MOSFET más pequeños se calientan y calientan el aire cercano. Algunos MOSFET deben estar en una placa de circuito, que tiene una superficie mayor para calentar más aire. Los MOSFET de mayor potencia deben estar sobre un disipador. El disipador es una gran pieza de metal con aletas para transferir el calor al aire en una gran superficie. También pueden necesitar un ventilador para empujar mucho aire sobre el disipador.
Otras diferencias entre los MOSFET
Hay muchos MOSFET diferentes disponibles. A la hora de elegir un MOSFET, una vez que haya decidido entre los 4 tipos principales, hay muchas otras cosas en las que pensar. Las diferencias entre los MOSFETs incluyen:
- VGSS - La tensión permitida entre la puerta y la fuente. Si aplica una tensión demasiado grande, el MOSFET se romperá.
- VDSS - La tensión permitida entre el drenaje y la fuente. Si aplica una tensión demasiado grande, el MOSFET se romperá.
- ID - La corriente permitida entre el drenaje y la fuente. Si intenta alimentar una carga grande, como un motor, entonces necesita un MOSFET diseñado para altas corrientes.
- VGS(TH) ("Tensión de umbral") - Es la tensión aproximada que hay que aplicar a la "puerta" para que conmute. El grado de "encendido" del MOSFET depende de la tensión exacta en la "puerta", la temperatura y la tensión en el "drenaje". La hoja de datos del MOSFET tendrá detalles.
- RDS(ON) - Cuando el MOSFET está totalmente "encendido", actuará como una resistencia con este valor. Un valor más alto significa que, cuando el MOSFET está totalmente "encendido", hay más energía desperdiciada y más calor. Más pequeño es mejor.
- PD - La mayor cantidad de calor que el MOSFET puede emitir cada segundo sin romperse. (La "disipación de potencia"). Si hace que el MOSFET emita calor más rápido que esto, entonces el MOSFET se sobrecalentará y se romperá.
- RθJA - Cómo de malo es el MOSFET para transferir ese calor al aire. Los números más bajos son mejores. En el caso de los MOSFET que utilizan un disipador, dirán lo malos que son transfiriendo el calor al disipador.
- TJ - La temperatura de trabajo de la parte del MOSFET que genera el calor. Si la hace subir por encima del límite, el MOSFET se romperá.
- tD(ON) y tD(OFF) - El tiempo que tarda en encenderse y apagarse el MOSFET. Los MOSFET más pequeños, de bajo voltaje y baja corriente, pueden ser lo suficientemente rápidos para utilizarlos en los ordenadores más rápidos. Los MOSFET más grandes y de mayor potencia, suelen ser más lentos.
- La electricidad estática puede romper un MOSFET. Algunos MOSFET incluyen protección contra la electricidad estática.
- Algunas piezas incluyen varios MOSFET en un solo dispositivo. Esto puede ser más pequeño que tener MOSFETs separados. También puede ser más barato fabricar una placa de circuito electrónico con menos piezas.
Teoría
Hay muchas formas diferentes de fabricar MOSFETs en el semiconductor. El método más sencillo se muestra en el diagrama de la derecha de este texto. La parte azul representa el silicio de tipo P, mientras que la parte roja representa el silicio de tipo N. La intersección de los dos tipos constituye un diodo. En el semiconductor de silicio existe una peculiaridad llamada "región de agotamiento". En el silicio dopado, con una parte de tipo N dopada y otra de tipo P dopada, se formará naturalmente una región de agotamiento en la intersección entre ambas. Esto se debe a sus aceptores y donantes. El silicio de tipo P tiene aceptores, también conocidos como agujeros, que atraen a los electrones hacia ellos. El silicio de tipo N tiene donantes, o electrones, que son atraídos por los huecos. En la frontera entre ambos, los electrones del tipo N llenan los huecos del tipo P. Esto hace que los átomos aceptores, o de tipo P, se carguen negativamente, y como las cargas negativas atraen a las positivas, los aceptores, o huecos, fluirán hacia la "unión". En el lado del tipo N, hay una carga positiva, lo que hace que los donantes, o electrones, fluyan hacia la "unión". Cuando lleguen allí, serán repelidos por la carga negativa del otro lado de la unión, ya que las cargas iguales se repelen. Lo mismo ocurrirá en el lado de tipo P, los donantes, o agujeros, serán repelidos por la zona positiva del lado de tipo N. No puede fluir electricidad entre los dos, ya que ningún electrón puede pasar al otro lado.
Los MOSFET utilizan esto en su beneficio. El "Cuerpo" del MOSFET se alimenta negativamente, lo que amplía la región de agotamiento, ya que los huecos se llenan con los nuevos electrones, por lo que la fuerza opuesta a los electrones en el lado N se hace mucho mayor. La "Fuente" del MOSFET está alimentada negativamente, lo que reduce la zona de agotamiento en el tipo N por completo, ya que hay suficientes electrones para llenar la zona de agotamiento positiva. El "Drenaje" tiene una alimentación positiva. Cuando la "Puerta" recibe una potencia positiva, hará un pequeño campo electromagnético, que eliminará la zona de agotamiento directamente debajo de la puerta, ya que habrá un "spray" de agujeros, que hará algo llamado "Canal N". El canal N es una región temporal de la zona de silicio de tipo P en la que no hay zona de agotamiento. El campo eléctrico positivo neutralizará todos los electrones sobrantes que componen la zona de agotamiento. Los electrones de la zona de la fuente tendrán entonces una vía libre para pasar al "Drenaje", lo que hará que la electricidad fluya de la fuente al drenaje.
Preguntas y respuestas
P: ¿Qué es un MOSFET?
R: Un MOSFET es un transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor, que es un componente electrónico que actúa como un interruptor controlado eléctricamente.
P: ¿Para qué se utilizan los transistores?
R: Los transistores son pequeños dispositivos eléctricos que se utilizan en radios, calculadoras y ordenadores; son algunos de los componentes básicos de los sistemas electrónicos modernos.
P: ¿Cómo funciona un MOSFET?
R: Un MOSFET actúa como una válvula para la electricidad. Tiene una conexión de entrada (la "puerta") que se utiliza para controlar el flujo de electricidad entre otras dos conexiones (la "fuente" y el "drenaje"). La compuerta actúa como un interruptor que controla las dos salidas.
P: ¿A qué se refiere el nombre "MOSFET"?
R: El nombre MOSFET describe la estructura y la función del transistor. 'MOS' se refiere a que se construye mediante la superposición de metal (la "puerta") sobre óxido (un aislante que impide el flujo de electricidad) sobre semiconductor (la "fuente" y el "drenaje"). El término "FET" describe la acción de la puerta sobre el semiconductor.
P: ¿Dónde se utilizan casi todos los MOSFETS?
R: Casi todos los MOSFETS se utilizan en circuitos integrados.
P: ¿Cuántos transistores caben hoy en un circuito integrado en comparación con los de 1970?
R: A partir de 2008, es posible encajar 2.000.000.000 de transistores en un solo circuito integrado, mientras que en 1970 se podían encajar unos 2.000 en un CI.
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Autor
AlegsaOnline.com Transistor MOSFET: transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor Leandro Alegsa
URL: https://es.alegsaonline.com/art/66845