Transistor MOSFET: regiones de funcionamiento, interruptor y amplificador

Un procesador moderno tiene decenas de miles de millones de MOSFET, y casi todas las fuentes de alimentación, cargadores y controladores de motores usan MOSFET de potencia. A diferencia del transistor bipolar, el MOSFET se controla con tensión, no con corriente: su puerta está aislada y, en reposo, no consume nada. Eso lo hace ideal para la lógica digital y para conmutar grandes corrientes con muy pocas pérdidas.

Lo que vas a aprender

La estructura de un MOSFET y sus terminales.
Qué es la tensión umbral y cómo se forma el canal.
Las regiones de corte, óhmica y saturación, con sus ecuaciones.
El MOSFET como interruptor: $R_{DS(on)}$ y pérdidas.
El inversor CMOS, base de la electrónica digital.
La idea del amplificador en fuente común.

Fundamentos teóricos

Estructura

MOSFET significa Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor. Tiene tres terminales: puerta (G, gate), drenador (D, drain) y fuente (S, source). La puerta está separada del semiconductor por una capa finísima de óxido aislante: forma un condensador. Al aplicar tensión positiva a la puerta (en un canal N), el campo eléctrico atrae electrones bajo el óxido y forma un canal conductor entre fuente y drenador. Por eso es de efecto de campo.

Tipos

Tipo	Conduce cuando	Uso típico
Canal N, enriquecimiento	$V_{GS} > V_{th} > 0$	El más usado: interruptor a masa (low side)
Canal P, enriquecimiento	$V_{GS} < V_{th} < 0$	Interruptor a positivo (high side)
Empobrecimiento	Conduce con $V_{GS} = 0$	Poco habitual

V_{th}

es la tensión umbral, típicamente de 1 a 4 V en MOSFET discretos.

Regiones de funcionamiento (canal N)

Con

V_{ov} = V_{GS} - V_{th}

(la tensión de sobreexcitación):

Región	Condición	Corriente de drenador
Corte	$V_{GS} < V_{th}$	$I_D = 0$
Óhmica (triodo)	$V_{GS} > V_{th}$ y $V_{DS} < V_{ov}$	$I_D = k\left(V_{ov}V_{DS} - \frac{V_{DS}^2}{2}\right)$
Saturación	$V_{GS} > V_{th}$ y $V_{DS} \ge V_{ov}$	$I_D = \frac{k}{2}V_{ov}^2$

k = \mu_n C_{ox}\frac{W}{L}

depende de la tecnología y de las dimensiones del canal. Cuidado con los nombres: la “saturación” del MOSFET (corriente constante, para amplificar) equivale a la región activa del BJT, y la región óhmica del MOSFET hace el papel de la saturación del BJT (interruptor cerrado).

Corriente de puerta

En continua,

I_G = 0

. La puerta solo consume corriente para cargar y descargar su capacidad al conmutar. A frecuencias altas esa corriente es importante, y por eso los MOSFET de potencia se manejan con drivers especiales.

El MOSFET como interruptor

Con

V_{GS}

bastante mayor que

V_{th}

V_{DS}

pequeño, el canal se comporta como una resistencia muy pequeña, la

R_{DS(on)}

(de miliohmios en MOSFET de potencia):

P_{\text{cond}} = I_D^2\,R_{DS(on)}

Hay además pérdidas de conmutación en cada transición, proporcionales a la frecuencia. Un MOSFET de 5 mΩ que conduce 20 A disipa solo 2 W; un BJT saturado con 0,2 V disiparía 4 W, y además necesitaría corriente de base. MOSFET de nivel lógico: los que están completamente encendidos con

V_{GS} = 4{,}5

V o menos. Son los que se pueden controlar directamente desde un microcontrolador.

El inversor CMOS

Un MOSFET de canal P arriba (a

V_{DD}

) y uno de canal N abajo (a masa), con las puertas unidas como entrada y los drenadores unidos como salida:

Entrada a 0: el P conduce y el N está cortado. Salida a $V_{DD}$ (1).
Entrada a $V_{DD}$ : el N conduce y el P está cortado. Salida a 0.

En los dos estados, uno de los dos está cortado: no hay corriente de $V_{DD}$ a masa. Solo se consume energía al conmutar,

P \approx C V_{DD}^2 f

. Esta es la razón por la que los chips modernos pueden tener tantos transistores. Todas las puertas lógicas se construyen así.

Amplificador en fuente común

En saturación, una pequeña variación de

V_{GS}

produce una variación de

I_D

dada por la transconductancia:

g_m = \frac{\partial I_D}{\partial V_{GS}} = k\,V_{ov} = \frac{2\,I_D}{V_{ov}}

Con una resistencia

R_D

en el drenador, la ganancia de tensión es

A_v \approx -g_m R_D

, invertida como en el emisor común. Suele ser menor que la de un BJT con la misma corriente.

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1 · ¿En qué región está?

Canal N con

V_{th} = 2

V y

k = 20

mA/V², con

V_{DD} = 12

R_D = 1

kΩ y

V_{GS} = 3

V_{ov} = 1

V. Suponiendo saturación:

I_D = \frac{20}{2}\cdot1^2 = 10

mA, y

V_{DS} = 12 - 10 = 2

\ge V_{ov}

. Saturación, correcto.Con

V_{GS} = 4

I_D

“sería” 40 mA y

V_{DS} = 12 - 40 < 0

. Está en la región óhmica.

Ejemplo 2 · Región óhmica

Mismo transistor,

V_{GS} = 4

V. En la óhmica:

I_D = 20\left(2V_{DS} - \frac{V_{DS}^2}{2}\right)

mA y

I_D = \frac{12 - V_{DS}}{1\text{ k}}

.Igualando (con

I_D

en mA):

40V_{DS} - 10V_{DS}^2 = 12 - V_{DS}

, es decir,

10V_{DS}^2 - 41V_{DS} + 12 = 0

V_{DS} = 0{,}32

V (la otra raíz, 3,78 V, no cumple

V_{DS} < V_{ov} = 2

V).

I_D = 11{,}7

mA. El MOSFET se comporta como una resistencia de unos 27 Ω.

Ejemplo 3 · Pérdidas en un interruptor

Un MOSFET con

R_{DS(on)} = 8

mΩ conmuta una tira de LED de 12 V y 10 A.

P = 10^2\cdot0{,}008 = 0{,}8

W. Con encapsulado TO-220 (unos 60 °C/W sin disipador), sube unos 48 °C: aguanta, pero conviene un disipador pequeño.

Ejemplo 4 · Consumo de un chip CMOS

Un circuito con capacidad total conmutada de 1 nF, a 1 V y 2 GHz, con un 10 % de nodos conmutando en cada ciclo.

P \approx 0{,}1\cdot10^{-9}\cdot1^2\cdot2\cdot10^9 = 0{,}2

W. Bajar la tensión a la mitad reduciría el consumo a la cuarta parte: por eso los procesadores bajan la tensión cuando bajan la frecuencia.

Ejemplo 5 · Transconductancia y ganancia

En el punto del ejemplo 1 (

I_D = 10

mA,

V_{ov} = 1

V):

g_m = \frac{2\cdot10}{1} = 20

mS. Con

R_D = 1

kΩ:

A_v = -20

Errores frecuentes

Confundir la saturación del MOSFET con la del BJT. En el MOSFET, saturación significa corriente constante, no interruptor cerrado.
Controlar un MOSFET normal con 3,3 V. Si no es de nivel lógico, quedará a medio encender y se calentará. Mira la $R_{DS(on)}$ a la $V_{GS}$ que vas a usar.
Dejar la puerta al aire. Se carga con cualquier interferencia; pon una resistencia de puerta a fuente.
Olvidar la electricidad estática. El óxido de la puerta es tan fino que una descarga lo perfora.

Preguntas frecuentes

¿Qué es el diodo interno que aparece en el símbolo?

Es un diodo parásito entre fuente y drenador que se forma por la estructura del MOSFET de potencia. Conduce si se invierte la tensión de drenador. En puentes para motores se aprovecha como diodo de libre circulación.

¿Cuánto mide el canal de un transistor actual?

Los procesos comerciales se llaman de “3 nm” o “2 nm”, aunque ya no es la longitud física del canal sino un nombre comercial. Las estructuras reales miden unas decenas de nanómetros, y los transistores ya no son planos: la puerta rodea el canal por tres lados (FinFET) o por todos (GAA).

Temas relacionados

Transistor BJT

El transistor bipolar.

Puertas lógicas

Lo que se construye con CMOS.

Potencia eléctrica

Calcula la potencia disipada.

Matemáticas

Física

Química

Electrónica

Programación

Inglés

Infantil

Transistor MOSFET: regiones de funcionamiento, interruptor y amplificador

Lo que vas a aprender

Fundamentos teóricos

Estructura

Tipos

Regiones de funcionamiento (canal N)

Corriente de puerta

El MOSFET como interruptor

El inversor CMOS

Amplificador en fuente común

Ejemplos resueltos

Errores frecuentes

Preguntas frecuentes

Temas relacionados

Transistor BJT

Puertas lógicas

Potencia eléctrica

​Lo que vas a aprender

​Fundamentos teóricos

​Estructura

​Tipos

​Regiones de funcionamiento (canal N)

​Corriente de puerta

​El MOSFET como interruptor

​El inversor CMOS

​Amplificador en fuente común

​Ejemplos resueltos

​Errores frecuentes

​Preguntas frecuentes

​Temas relacionados

Transistor BJT

Puertas lógicas

Potencia eléctrica

Lo que vas a aprender

Fundamentos teóricos

Estructura

Tipos

Regiones de funcionamiento (canal N)

Corriente de puerta

El MOSFET como interruptor

El inversor CMOS

Amplificador en fuente común

Ejemplos resueltos

Errores frecuentes

Preguntas frecuentes

Temas relacionados