Introducción completa al MOSFET

El MOSFET (Metal-Óxido-Semiconductor Field-Effect Transistor) es un dispositivo controlado por voltaje, accionado mediante un campo eléctrico. Actúa como componente fundamental en circuitos integrados y dispositivos discretos, siendo ampliamente utilizado en diversos sistemas electrónicos analógicos y digitales debido a su estructura simple, rápida respuesta y facilidad de integración.

El desarrollo del MOSFET ha impulsado significativamente tecnologías en electrónica de potencia, gestión de energía, diseño de microchips y electrónica automotriz.

1. Estructura Detallada

La estructura básica de un MOSFET consta de cuatro regiones principales:

• Fuente (Source): Punto donde se inyectan los electrones o huecos; actúa como el terminal de entrada de corriente.
• Drenador (Drain): Terminal por el cual salen los portadores; es el terminal de salida de corriente.
• Puerta: Controla si se forma un canal conductor al aplicar un voltaje externo; actúa como un interruptor. Generalmente está cubierta por una capa delgada de óxido (SiO₂) con excelentes propiedades aislantes.
• Sustrato: Material semiconductor fundamental del dispositivo, normalmente silicio tipo P o tipo N ligeramente dopado.

Tipo de Sustrato y Relación del Canal:

• NMOS: Sustrato tipo P + fuente/drenaje tipo N; los electrones son los portadores de conducción.
• PMOS: Sustrato tipo N + fuente/drenaje tipo P; los huecos son los portadores de conducción.
• Diferencia Entre Modo de Mejora y Modo de Agotamiento:
• Modo de Mejora: Normalmente apagado; requiere voltaje de puerta para conducir.
• Modo de Agotamiento: Normalmente encendido; deja de conducir cuando se aplica el voltaje de puerta.

2. Principio de Funcionamiento (Controlado por Campo)

El funcionamiento de un MOSFET se basa principalmente en el efecto de campo, que controla la distribución de los portadores de carga en el semiconductor.

• Transistor MOSFET de modo de mejoramiento: Cuando se aplica un voltaje positivo a la puerta, el sustrato tipo P debajo de la puerta atrae electrones debido al campo eléctrico, formando una capa de inversión tipo N y estableciendo un canal conductor entre fuente y drenador.
• Transistor PMOSFET de modo de mejoramiento: Cuando se aplica un voltaje negativo a la puerta, los huecos son atraídos hacia la superficie del sustrato tipo N, formando un canal tipo P que permite la conducción entre fuente y drenador.

Control de estados encendido y apagado:

El comportamiento de conmutación de un MOSFET está determinado por el voltaje puerta-fuente (VGS):

Cuando VGS ≥ Vth (voltaje umbral), se forma el canal y el dispositivo se activa.

Cuando VGS < Vth, el canal desaparece y el dispositivo se desactiva.

3. Principales métodos de clasificación

Los transistores MOSFET pueden categorizarse de varias formas basadas en diferentes criterios:

Los dispositivos NMOS se utilizan más ampliamente en aplicaciones de alta frecuencia y alto rendimiento debido a su mayor movilidad de electrones y menor resistencia en conducción.

4. Áreas típicas de aplicación

Los MOSFET son adecuados para diversos escenarios que van desde el control de baja potencia hasta el accionamiento de alta tensión:

• Circuitos Digitales y Diseño Lógico: Las puertas lógicas CMOS, compuestas por NMOS y PMOS complementarios, forman la base de los microprocesadores, microcontroladores y chips de memoria. Los SoC modernos (System-on-Chip) integran miles de millones de MOSFET.
• Alimentación y Control de Potencia: Como dispositivos de conmutación eficientes, se utilizan ampliamente en convertidores CC-CC, fuentes de alimentación conmutadas (SMPS), inversores y controladores LED. Soportan diseños de conmutación suave, baja EMI y alta eficiencia.
• Circuitos Analógicos: Los MOSFET se utilizan como amplificadores de voltaje, fuentes de corriente constante y conmutadores analógicos. Funcionan excelentemente en amplificadores de audio y bucles de realimentación de potencia.
• Automoción y Control Industrial: Los MOSFET se utilizan ampliamente en unidades de control electrónico (ECU) automotrices, controladores de motores y cargadores a bordo (OBC). También se aplican en módulos de accionamiento, PLC y reemplazo de relés en la automatización industrial.
• Sensores y Sistemas de Detección: Los MOSFET se utilizan para construir circuitos de lectura de señales en sensores de imagen CMOS, sensores infrarrojos y sensores MEMS. Actúan como amplificadores front-end para detección de señales de alta sensibilidad.

5. Conclusión

Con un excelente desempeño eléctrico, estructura simple y alta controlabilidad, los MOSFET se han convertido en componentes indispensables en la industria electrónica.

Desde electrónica de consumo y equipos de telecomunicaciones hasta automatización industrial y vehículos eléctricos de nueva energía, sus aplicaciones son ubicuas.

Al comprender su estructura, principios y características de aplicación, se puede seleccionar dispositivos, diseñar sistemas y optimizar productos de manera más eficaz.