nMOSFET

Un nMOSFET es un interruptor semiconductor construido sobre un canal conductor de tipo n (rico en electrones) enterrado entre los terminales de fuente y drenaje. Cuando se aplica un voltaje positivo al terminal de puerta en relación con la fuente, ese voltaje atrae electrones al canal, creando una ruta conductora. Si se desactiva el voltaje de puerta, el canal se agota, bloqueando el flujo de corriente. Este comportamiento convierte al nMOSFET en un interruptor electrónico rápido y eficiente utilizado en fuentes de alimentación, accionamientos de motores y circuitos lógicos digitales.

El dispositivo consta de un sustrato de silicio con una fina capa de dióxido de silicio (el óxido) sobre él, y luego un electrodo de puerta de metal o polisilicio encima. La fuente y el drenaje son regiones de tipo n fuertemente dopadas, mientras que el cuerpo o sustrato es de silicio de tipo p. Cuando el voltaje de puerta excede el voltaje umbral, típicamente entre 0.5 y 2 voltios dependiendo del dispositivo, los electrones se acumulan bajo la puerta y conducen entre la fuente y el drenaje. Este comportamiento umbral es la razón por la que el control de la puerta es fiable y repetible.

Pérdidas de potencia y conmutación

En electrónica de potencia, los nMOSFETs se prefieren sobre los pMOSFETs porque tienen una menor resistencia en estado activo (típicamente decenas de miliohmios para dispositivos modernos) y velocidades de conmutación más rápidas. Sin embargo, disipan calor tanto en el estado activo (pérdida resistiva por la corriente drenaje-fuente que fluye a través de la resistencia en estado activo) como durante las transiciones de conmutación (pérdidas capacitivas a medida que el voltaje de puerta aumenta). El diodo de cuerpo intrínseco en un nMOSFET conduce corriente inversa si el drenaje oscila negativamente en relación con la fuente, lo que puede causar corrientes de cortocircuito en topologías de medio puente si el control de la puerta no se temporiza cuidadosamente.

Los nMOSFETs prácticos vienen en encapsulados discretos (TO-220, D2PAK) y como arreglos en circuitos integrados. Los dispositivos modernos de alta potencia utilizan geometría de trinchera, donde el óxido de puerta recubre las paredes de una trinchera vertical profunda cortada en el silicio, aumentando el ancho del canal y disminuyendo la resistencia en estado activo. La combinación paralela de muchas celdas pequeñas (a veces millones en un solo chip) determina la capacidad de corriente total. Los fabricantes especifican el voltaje máximo drenaje-fuente, las clasificaciones de corriente continua y pulsada, y la resistencia térmica de la unión a la carcasa.

Los nMOSFETs dominan en convertidores DC-DC, inversores para energía renovable y fuentes de alimentación conmutadas porque toleran frecuencias de conmutación rápidas (hasta cientos de kilohercios) sin pérdidas excesivas. También forman la base de la lógica digital CMOS, donde pares de nMOSFETs y pMOSFETs funcionan como puertas complementarias. El término canal n se refiere al tipo de portador de carga: electrones, que son más rápidos que los huecos que conducen en los pMOSFETs, lo que explica por qué los nMOSFETs alcanzan la conducción más rápidamente y conmutan a mayor velocidad.