Principio de funcionamiento del MOSFET

1. Introducción

Un MOSFET (Transistor de Efecto de Campo con Aislante Metálico) es un transistor de efecto de campo ampliamente utilizado en circuitos electrónicos modernos. Controla el conmutado de corriente formando o bloqueando un canal conductor mediante la aplicación de un campo eléctrico. Los MOSFET destacan por su alta eficiencia de control, bajo consumo de energía y velocidad de conmutación rápida, lo que los hace indispensables tanto en sistemas digitales como analógicos.

2. Estructura

Un MOSFET típicamente consta de las siguientes partes:

Puerta: Un electrodo de metal o polisilicio aislado del semiconductor por una capa dieléctrica (generalmente óxido de silicio, SiO₂).

Fuente y Drenaje: Dos regiones N-tipo altamente dopadas incrustadas en un sustrato semiconductor P-tipo.

Cuerpo (Sustrato): Normalmente un semiconductor P-tipo. En la mayoría de los diseños de circuitos, el cuerpo se conecta al fuente para mantener un potencial fijo y reducir la interferencia del efecto de cuerpo.

3. Principio de Operación

El MOSFET opera controlando si se forma un canal conductor entre la fuente y el drenaje, dependiendo del voltaje de la puerta.

3.1 Estado Apagado

Cuando la voltaje de la puerta es 0 V o inferior al voltaje umbral (Vth):

No se forma un canal conductor en la superficie del sustrato de tipo P.

Existe una alta impedancia entre la fuente y el drenador, lo que resulta en casi ninguna corriente.

El MOSFET está en el estado "apagado", funcionando como un interruptor abierto.

3.2 Estado de Encendido

Cuando la tensión de la puerta (VGS) supera la tensión umbral (VGS > Vth):

Se forma un campo eléctrico vertical bajo la capa dieléctrica de la puerta.

Este campo atrae electrones del sustrato P-tipo hacia la superficie del semiconductor y repele agujeros, creando una capa de inversión de tipo N.

Este canal conductor conecta la fuente y el drenador, permitiendo que fluya corriente del drenador a la fuente (de acuerdo con la dirección convencional de la corriente).

4. Características Principales

Los MOSFET presentan las siguientes características eléctricas:

Dispositivo Controlado por Voltaje: La corriente es regulada por el voltaje de la puerta, y debido al óxido aislante de la puerta, fluye casi ninguna corriente de puerta, lo que resulta en un consumo de energía estática ultra-bajo.

Velocidad de Conmutación Rápida: Ideal para circuitos de alta frecuencia, incluidos RF y conmutación digital.

Baja Disipación de Potencia: La potencia se consume solo durante las transiciones de conmutación, lo que hace que los MOSFET sean adecuados para sistemas portátiles y eficientes en energía.

5. Aplicaciones

Los MOSFET se utilizan comúnmente en las siguientes áreas:

Circuitos Digitales: Sirven como interruptores en puertas lógicas, flip-flops y transistores en CPUs.

Circuitos Analógicos: Funcionan como amplificadores de voltaje, seguidores de fuente y reguladores de corriente.

Gestión de Energía: Se emplean en convertidores DC-DC, interruptores de potencia y circuitos de control de motores.

6. resumen

La función principal de un MOSFET es controlar el flujo de corriente utilizando un campo eléctrico. Al aplicar voltaje a la puerta, se induce un canal conductor temporal en la superficie del semiconductor, permitiendo así habilitar o deshabilitar la conducción de corriente. Este mecanismo le otorga al MOSFET su excelente respuesta, bajo consumo de energía y amplia aplicabilidad en dispositivos electrónicos y de potencia modernos.