28/08/2020
En el entorno de la electrónica, los MOSFET (Transistores de Efecto de Campo Metal-Óxido-Semiconductor) juegan un papel crucial, especialmente en aplicaciones que involucran la manipulación de señales y la conmutación de potencia. Su versatilidad los ha convertido en componentes esenciales en una amplia gama de dispositivos, desde microprocesadores hasta circuitos de potencia. Este artículo profundiza en el funcionamiento, las características, las aplicaciones y los aspectos clave del MOSFET, con un enfoque especial en su representación gráfica y su control.
¿Qué es un MOSFET y para qué sirve?
El MOSFET es un transistor de tres o cuatro terminales (puerta, drenador y fuente; a veces incluye un sustrato) utilizado para amplificar o conmutar señales electrónicas. A diferencia de los transistores bipolares, los MOSFET son dispositivos controlados por voltaje, lo que significa que una pequeña variación de voltaje en la puerta puede controlar una corriente mucho mayor entre el drenador y la fuente. Esto los hace ideales para una variedad de aplicaciones.
La estructura interna de un MOSFET se basa en una capa de óxido que aisla la puerta del canal semiconductor. Esta capa aislante permite una alta impedancia de entrada, lo que minimiza la corriente necesaria para controlar el dispositivo. El canal semiconductor, entre el drenador y la fuente, puede ser de tipo N (NMOS) o tipo P (PMOS), dependiendo de la polaridad de los portadores de carga.
Tipos de MOSFET:
- MOSFET de enriquecimiento: Requieren un voltaje de puerta para crear un canal conductor entre el drenador y la fuente.
- MOSFET de empobrecimiento: Poseen un canal conductor en reposo, y la aplicación de un voltaje en la puerta disminuye o elimina la conducción.
Estructura y Funcionamiento:
La operación del MOSFET se basa en la modulación de la conductividad del canal mediante el voltaje de puerta. Aplicando un voltaje positivo (en un NMOS) a la puerta, se atraen electrones hacia la superficie del semiconductor, formando un canal conductor. La corriente fluye entonces entre el drenador y la fuente, proporcional al voltaje aplicado a la puerta. Este control de voltaje sobre la corriente es lo que permite al MOSFET actuar como amplificador o interruptor.
Representación Gráfica:
Las características de un MOSFET se representan gráficamente mediante curvas de transferencia y curvas características. Las curvas de transferencia muestran la relación entre la tensión de puerta-fuente (V GS) y la corriente de drenador-fuente (I D) para una tensión de drenador-fuente (V DS) constante. Las curvas características muestran la relación entre V DSe I Dpara diferentes valores de V GS. Estas gráficas son fundamentales para comprender el comportamiento del dispositivo y su uso en diferentes circuitos.
La representación gráfica del MOSFET permite visualizar las diferentes regiones de operación: corte, lineal (óhmica) y saturación. Cada región se caracteriza por una relación diferente entre V DS, V GSe I D.
Aplicaciones de los MOSFET
Los MOSFET tienen una amplia gama de aplicaciones, incluyendo:
- Circuitos integrados: Son los bloques de construcción fundamentales de la mayoría de los circuitos integrados modernos, incluyendo microprocesadores y memorias.
- Amplificadores: Se utilizan en amplificadores de audio, de radiofrecuencia y otros tipos de amplificadores.
- Conmutadores: Actúan como interruptores en circuitos de potencia, permitiendo el control preciso del flujo de corriente a través de cargas como motores, luces y otros dispositivos.
- Convertidores de potencia: Se emplean en convertidores DC-DC, inversores y otros tipos de convertidores de potencia para controlar el voltaje y la corriente.
- Sensores: Pueden utilizarse como parte de sistemas de detección, ya que su conductividad puede ser sensible a cambios en el entorno.
Control del MOSFET
El control del MOSFET se realiza principalmente a través de la puerta. Aplicando un voltaje adecuado a la puerta, se puede controlar la corriente que fluye entre el drenador y la fuente. Para encender un MOSFET NMOS, se aplica un voltaje positivo a la puerta, mientras que para un PMOS se aplica un voltaje negativo. La magnitud del voltaje de puerta determina la cantidad de corriente que fluye a través del dispositivo.
En muchas aplicaciones, es necesario utilizar un circuito de control para manejar el MOSFET. Esto se debe a que los microcontroladores y otros circuitos digitales a menudo no pueden suministrar la corriente o el voltaje necesarios para encender directamente un MOSFET de potencia. Los circuitos de control pueden incluir transistores bipolares, puertas lógicas o controladores de MOSFET dedicados.
Comparación entre MOSFET y Transistores Bipolares
| Característica | MOSFET | Transistor Bipolar |
|---|---|---|
| Control | Voltaje | Corriente |
| Impedancia de entrada | Alta | Baja |
| Consumo de potencia | Bajo | Alto |
| Tamaño | Pequeño | Grande |
| Densidad de integración | Alta | Baja |
| Velocidad de conmutación | Alta | Moderada |
Escalamiento del MOSFET
El escalamiento del MOSFET ha sido una clave en el avance de la tecnología de los circuitos integrados. La miniaturización de los MOSFET permite aumentar la densidad de integración, lo que resulta en circuitos más potentes y eficientes. Sin embargo, el escalamiento presenta desafíos, como el aumento de la corriente de fuga y la reducción de la transconductancia. Estos desafíos han impulsado la innovación en el diseño y la fabricación de MOSFET, llevando al desarrollo de nuevas tecnologías y arquitecturas para mantener la Ley de Moore.
Consultas Habituales sobre MOSFET
A continuación, se responden algunas de las preguntas más frecuentes sobre MOSFET :
- ¿Qué voltaje activa un MOSFET? El voltaje de activación depende del MOSFET específico, y se especifica en su hoja de datos. Generalmente, se requiere un voltaje de puerta-fuente superior a la tensión de umbral (V th ).
- ¿Qué diferencia hay entre un MOSFET y un transistor? Los MOSFET son transistores de efecto de campo, mientras que los transistores bipolares son transistores de unión. La principal diferencia radica en que los MOSFET son controlados por voltaje y tienen una alta impedancia de entrada, mientras que los transistores bipolares son controlados por corriente y tienen una baja impedancia de entrada.
- ¿Qué controla el MOSFET? El MOSFET controla el flujo de corriente entre el drenador y la fuente mediante el voltaje aplicado a la puerta.
Los MOSFET son componentes electrónicos versátiles y esenciales en la electrónica moderna. Su comprensión es fundamental para el diseño y la implementación de una amplia gama de sistemas electrónicos, desde los más simples hasta los más complejos.