MOSFET

Un MOSFET es un dispositivo semiconductor de tres terminales que utiliza un campo eléctrico para controlar el flujo de corriente entre dos terminales, actuando como un interruptor controlado por compuerta sin partes móviles. El nombre se expande a transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico, describiendo su construcción física: una delgada capa aislante de dióxido de silicio se encuentra entre un electrodo de control metálico (la compuerta) y un canal semiconductor a través del cual fluye la corriente. Cuando se aplica voltaje a la compuerta, se crea un campo eléctrico que abre o cierra la trayectoria conductiva, encendiendo o apagando el dispositivo en nanosegundos.

Los MOSFET vienen en dos tipos principales de canal: dispositivos de canal N (NMOS), que conducen electrones y se encienden cuando la compuerta es positiva, y dispositivos de canal P (PMOS), que conducen huecos y se encienden cuando la compuerta es negativa. Los MOSFET de modo de enriquecimiento normalmente están apagados y requieren voltaje de compuerta para encenderse; los dispositivos de modo de agotamiento normalmente están encendidos y se apagan con el voltaje aplicado. El voltaje necesario para conmutar un MOSFET suele estar entre 2 y 15 voltios, dependiendo del dispositivo, lo que los hace compatibles con circuitos lógicos digitales y salidas de microcontroladores sin búfer intermedio.

Las aplicaciones industriales dependen de los MOSFET en accionamientos de motores, fuentes de alimentación, inversores y reguladores de conmutación porque manejan altas corrientes y voltajes de manera eficiente. Un MOSFET industrial moderno clasificado para 50 amperios a 600 voltios puede disipar alrededor de 100 vatios a la corriente nominal, con pérdidas de conmutación medidas en microsegundos. Son mucho más rápidos que los transistores bipolares y prácticamente no requieren corriente de compuerta continua una vez conmutados, lo que reduce las demandas de energía del circuito de control. Grandes conjuntos de MOSFET se integran en circuitos de puente para inversores trifásicos y convertidores DC-DC.

Modos de falla y límites prácticos

Los MOSFET fallan cuando su capa aislante compuerta-fuente se rompe, típicamente por picos de sobrevoltaje que exceden la clasificación de voltaje de compuerta nominal (a menudo 20 voltios máximo absoluto). La descarga electrostática durante la manipulación es una causa común en la fabricación; los circuitos de protección y la disciplina de conexión a tierra son esenciales. El desbordamiento térmico puede ocurrir en los MOSFET de potencia si la temperatura de la unión excede el máximo nominal, alrededor de 150 a 175 grados Celsius para dispositivos industriales. La conexión en paralelo de múltiples MOSFET para compartir corriente requiere umbrales compuerta-fuente coincidentes y un diseño cuidadoso para evitar el acaparamiento de corriente en un solo dispositivo.

La resistencia en estado activo (RDS-on) del MOSFET determina las pérdidas por conducción; un dispositivo de 50 amperios con 0.01 ohmios de resistencia en estado activo disipa 25 vatios a la corriente nominal. Esta resistencia aumenta con la temperatura, creando un bucle de retroalimentación positiva si la gestión térmica es deficiente. Los MOSFET industriales modernos utilizan estructuras de trinchera o de superunión para reducir la RDS-on por debajo de lo que podían lograr los diseños planares más antiguos, mejorando la eficiencia en los sistemas de conversión de energía. La carga de compuerta, medida en nanoculombios, determina cuánta carga debe suministrar el circuito de excitación para conmutar el dispositivo; una carga mayor significa una conmutación más lenta y más pérdidas a altas frecuencias.