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# Transistor MOSFET: regiones de funcionamiento, interruptor y amplificador

> El transistor MOSFET explicado: estructura, canal N y canal P, enriquecimiento, tensión umbral, regiones de corte, óhmica (triodo) y saturación, ecuación cuadrática, resistencia RDS(on), el MOSFET como interruptor de potencia, el inversor CMOS y el amplificador en fuente común, con ejemplos resueltos.

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 $V_{th}$ y $V_{DS}$ 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](https://apuntes.simulab.es/electronica/logica-combinacional/puertas-logicas.md) 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

> [accordion] Ejemplo 1 · ¿En qué región está?
>
> Canal N con $V_{th} = 2$ V y $k = 20$ mA/V², con $V_{DD} = 12$ V, $R_D = 1$ kΩ y $V_{GS} = 3$ V.
>
> $V_{ov} = 1$ V. Suponiendo saturación: $I_D = \frac{20}{2}\cdot1^2 = 10$ mA, y $V_{DS} = 12 - 10 = 2$ V $\ge V_{ov}$. **Saturación**, correcto.
>
> Con $V_{GS} = 4$ V: $I_D$ "sería" 40 mA y $V_{DS} = 12 - 40 < 0$. Está en la **región óhmica**.

> [accordion] 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.

> [accordion] 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.

> [accordion] 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.

> [accordion] 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

> [accordion] ¿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.

> [accordion] ¿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

> [card] [Transistor BJT](https://apuntes.simulab.es/electronica/analogica/transistor-bjt.md)
>
> El transistor bipolar.

> [card] [Puertas lógicas](https://apuntes.simulab.es/electronica/logica-combinacional/puertas-logicas.md)
>
> Lo que se construye con CMOS.

> [card] [Potencia eléctrica](https://apuntes.simulab.es/electronica/componentes/potencia-electrica.md)
>
> Calcula la potencia disipada.


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