¿Qué es un transistor MOSFET?
MOSFET, abreviatura de «transistor de efecto de campo de óxido metálico-semiconductor», es un componente electrónico que se utiliza habitualmente en circuitos electrónicos como interruptor o amplificador para controlar el flujo de alta tensión y alta corriente. Es un tipo de transistor compuesto por una puerta metálica, una capa de óxido y un canal semiconductor.
¿Quién inventó el transistor MOSFET?
En 1959, D. Kahng y Martin Atalla, de Bell Labs, revolucionaron el mundo de la electrónica con su invento del transistor MOSFET. Este avance revolucionario hizo posible la miniaturización de los componentes electrónicos, allanando el camino para los circuitos integrados y los ordenadores modernos. Si bien el invento en sí mismo fue revolucionario, el proceso de su invención también fue fascinante.
Kahng y Atalla comenzaron su investigación sobre el MOSFET estudiando primero las propiedades de las estructuras de metal-óxido-semiconductor (MOS). Utilizando una técnica llamada deposición química de vapor (CVD), lograron depositar una fina capa de dióxido de silicio sobre un sustrato de silicio. Esta capa de dióxido de silicio actuaba como aislante entre las dos capas conductoras de la estructura MOS.
El siguiente paso en el proceso fue fabricar el MOSFET. Al introducir un dopante en la capa aislante, Kahng y Atalla pudieron crear un canal entre las dos capas conductoras. A continuación, este canal se conectó a una puerta, lo que permitió que la electricidad fluyera a través del MOSFET cuando se activaba. Esto hizo posible controlar el flujo de corriente a través del transistor con una entrada de voltaje.
Finalmente, Kahng y Atalla probaron su invento para asegurarse de que funcionaba correctamente. Descubrieron que el MOSFET era capaz de encender y apagar la corriente rápidamente, lo que lo hacía ideal para su uso en ordenadores y otros dispositivos electrónicos. Gracias a su investigación y su arduo trabajo, el transistor MOSFET se ha convertido en una parte integral de la electrónica moderna.
Estructura del MOSFET
Un transistor de efecto de campo de óxido metálico-semiconductor (MOSFET) consta de una puerta metálica, una capa de óxido y un semiconductor, siendo la capa de óxido normalmente de dióxido de silicio. El material de la puerta suele sustituirse por silicio policristalino en lugar de metal. La estructura forma un condensador, en el que la capa de óxido actúa como dieléctrico y la capacitancia viene determinada por el espesor de la capa de óxido y la constante dieléctrica del dióxido de silicio. La puerta de silicio policristalino y el semiconductor de silicio forman los dos terminales del condensador MOS. Además de la estructura del condensador, una estructura MOSFET completa incluye una fuente y un drenaje para proporcionar portadores mayoritarios y aceptarlos, respectivamente.
Símbolo del circuito MOSFET
El símbolo del circuito para el transistor MOSFET, comúnmente utilizado en circuitos electrónicos, consiste en una línea vertical que representa el canal, dos líneas paralelas junto al canal que representan la fuente y el drenaje, y una línea perpendicular a la izquierda que representa la puerta. La línea del canal también puede representarse mediante una línea discontinua para diferenciar entre los MOSFET de modo de enriquecimiento y los de modo de agotamiento.
Los transistores MOSFET son dispositivos de cuatro terminales, que constan de los terminales fuente, drenaje, puerta y bulk o cuerpo. La dirección de la flecha que se extiende desde el canal hasta el terminal bulk indica si el MOSFET es un dispositivo de tipo p o de tipo n, con la flecha siempre apuntando desde el lado P hacia el lado N. Si la flecha apunta desde el canal hacia la puerta, representa un MOSFET de tipo p o PMOS, mientras que la dirección opuesta representa un MOSFET de tipo n o NMOS. En los circuitos integrados, el terminal bulk suele ser compartido, por lo que no se indica su polaridad, mientras que a menudo se añade un círculo al terminal de puerta del PMOS para distinguirlo del NMOS.
¿Cómo funciona el transistor MOSFET?
El principio básico de funcionamiento de un transistor de efecto de campo de óxido metálico-semiconductor (MOSFET) consiste en controlar la formación y la conductividad de un canal aplicando un voltaje al electrodo de puerta, regulando así la corriente que fluye entre los electrodos de drenaje y fuente. El MOSFET consta de tres electrodos: la puerta, la fuente y el drenaje. Hay una capa de óxido aislante entre los electrodos de puerta y fuente, y el canal se forma debajo de esta capa en la superficie del semiconductor.
Cuando se aplica un voltaje positivo a la puerta, los huecos en la superficie del semiconductor debajo de la puerta son repelidos, creando una capa de inversión con carga negativa. La capa de inversión tiene una concentración de electrones mayor que la concentración de huecos, formando una capa conductora de tipo n llamada canal. Cuando se aplica un voltaje entre el drenaje y la fuente, la corriente fluye a través del canal hacia el drenaje. La conductividad y la densidad de carga del canal pueden modularse mediante la magnitud y la polaridad del voltaje de la puerta, lo que permite que el MOSFET funcione como un interruptor de corriente controlable.
Tipos de MOSFET
Según la polaridad de su canal, los transistores MOSFET se pueden dividir en: MOSFET de canal N y MOSFET de canal P. Además, según la amplitud del voltaje de la puerta, se pueden dividir en: tipo de agotamiento y tipo de mejora.
MOSFET de canal N de mejora
Un MOSFET de canal N de enriquecimiento se utiliza habitualmente en circuitos electrónicos con fines de conmutación y amplificación. Se denomina MOSFET de enriquecimiento porque requiere un voltaje positivo en la puerta para activar el canal, y se denomina canal N porque tiene un tipo de portador negativo.
MOSFET de agotamiento de canal N
Un MOSFET de agotamiento de canal N está compuesto por capas de materiales semiconductores que han sido dopados con impurezas específicas para crear un canal que transporta la corriente. El canal ya está formado cuando no se aplica tensión al terminal de la puerta. Esto significa que el MOSFET se encuentra en su modo de «agotamiento» cuando no se aplica potencia. Cuando se aplica tensión a la puerta, se reduce la región de agotamiento, lo que permite que la corriente fluya a través del canal.
MOSFET de canal P de mejora
Un MOSFET de mejora de canal P es un tipo de MOSFET que utiliza un sustrato de canal P para permitir el flujo de electrones entre los terminales de fuente y drenaje. Cuando se aplica voltaje al terminal de puerta de un MOSFET de mejora de canal P, se crea un campo eléctrico que atrae a los huecos con carga positiva (a diferencia de los electrones con carga negativa en un MOSFET de canal N) al canal, lo que permite que la corriente fluya entre los terminales de fuente y drenaje.
MOSFET de agotamiento de canal P
Un MOSFET de agotamiento de canal P funciona controlando el flujo de portadores de carga negativa (electrones) en un canal semiconductor. A diferencia de los MOSFET de canal N, que están construidos con una puerta cargada positivamente que atrae a los portadores de carga negativa, los MOSFET de canal P están construidos con una puerta cargada negativamente que repele a los portadores de carga positiva (huecos). En un MOSFET de agotamiento, el canal semiconductor está dopado con impurezas que crean una región de agotamiento, que actúa como una barrera resistiva al flujo de corriente. Al aplicar un voltaje a la puerta, la región de agotamiento puede ampliarse o reducirse, controlando así el flujo de corriente a través del canal.
¿Dónde se utiliza el MOSFET?
Los dispositivos semiconductores conocidos como transistores MOSFET se utilizan ampliamente en sistemas automotrices, industriales y de comunicación. En el campo de la electrónica automotriz, los transistores MOSFET de potencia sirven como dispositivos de conmutación comunes en unidades de control electrónico y convertidores de potencia para vehículos eléctricos modernos. Además, los transistores MOSFET también se pueden utilizar como interruptores o amplificadores en diversas aplicaciones, como fuentes de alimentación, controles de motores, reguladores de voltaje, microcontroladores, circuitos lógicos digitales y amplificadores de audio.
Concretamente, los transistores MOSFET pueden utilizarse en fuentes de alimentación de ordenadores y televisores para convertir la corriente alterna de alto voltaje en corriente continua de bajo voltaje; en circuitos de control de motores para regular la velocidad de los mismos; en amplificadores de audio para amplificar señales de bajo nivel a señales de alto nivel; y en inversores solares, donde se utilizan a menudo para convertir la corriente continua generada por los paneles solares en corriente alterna para uso residencial y comercial.
En los últimos años, con la mejora del rendimiento de los transistores MOSFET, cada vez más circuitos integrados de procesamiento de señales analógicas también están adoptando transistores MOSFET, además del campo del procesamiento de señales digitales (como microprocesadores y microcontroladores). En los circuitos digitales, los transistores MOSFET se utilizan principalmente en la invención de circuitos lógicos complementarios de semiconductores de óxido metálico, que casi no tienen pérdida de potencia estática y pueden ahorrar corriente y consumo de energía. En los circuitos lógicos CMOS, cada controlador de puerta lógica y cada etapa de puertas lógicas solo tienen que enfrentarse a la misma puerta de transistor MOSFET, lo que facilita su control. En los circuitos analógicos, algunos parámetros de rendimiento de los transistores MOSFET en el diseño de circuitos han mejorado considerablemente, como la transconductancia, la fuerza motriz de la corriente y el ruido. Por lo tanto, los transistores MOSFET se utilizan ahora ampliamente en circuitos analógicos, como amplificadores, filtros, osciladores, amplificadores de potencia y fuentes de alimentación conmutadas.
MOSFET frente a BJT
Hay muchas diferencias entre el transistor MOSFET y el transistor BJT. A continuación se muestra una tabla comparativa entre ambos.
| No. | Characteristics | BJT | MOSFET |
|---|---|---|---|
| 1 | Transistor Type | Bipolar Junction Transistor | Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor |
| 2 | Classification | NPN BJT and PNP BJT | P-channel MOSFET and N-channel MOSFET |
| 3 | Port | Base, Emitter, Collector | Gate, Source, Drain |
| 4 | Symbol |  |  |
| 5 | Charge Carrier | Both electrons and holes serve as charge carriers in BJT | Either electrons or holes serve as charge carriers in MOSFET |
| 6 | Control Mode | current-controlled | oltage-controlled |
| 7 | Input Current | milliamps/microamps | picoamps |
| 8 | Switching Speed | BJT is lower: maximum switching speed is close to 100KHz | MOSFET is higher: maximum switching frequency is 300KHz |
| 9 | Input Impedance | low | high |
| 10 | Output Impedance | low | medium |
| 11 | Temperature Coefficient | BJT has a negative temperature coefficient and cannot be connected in parallel | MOSFET has a positive temperature coefficient and can be connected in parallel |
| 12 | Power Consumption | high | low |
| 13 | Frequency Response | poor | good |
| 14 | Current Gain | BJT has low and unstable current gain: the gain can decrease once the collector current increases. If the temperature increases, the gain can also increase | MOSFET has high current gain and is almost stable for changing drain current |
| 15 | Secondary breakdown | BJT has a second breakdown limit | MOSFET has a safe operating area similar to BJT but does not have a second breakdown limit |
| 16 | Static Electricity | Static discharge is not a problem in BJT | Static discharge can be a problem in MOSFET and can lead to other issues |
| 17 | Cost | cheaper | more expensive |
| 18 | Application | low-current applications such as amplifiers, oscillators, and constant current circuits | high-current applications such as power supplies and low-voltage high-frequency applications |
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