¿Qué es un MOSFET?
Un MOSFET es uno de los dispositivos semiconductores y un tipo de transistor indispensables en los equipos electrónicos.
MOS son las siglas de “Metal Oxide Semiconductor”, que en ingles significa película de óxido metálico, mientras que FET son las siglas de “Field-Effect Transistor”, que en ingles significa transistor de efecto de campo.
Los MOSFET realizan esencialmente operaciones de encendido y apagado y de amplificación de señales. Sus ventajas son un funcionamiento muy rápido y un control preciso.
Antes, los dispositivos semiconductores estaban dominados por los transistores de alta polaridad. Sin embargo, con la creciente necesidad de dispositivos más pequeños, ligeros y eficientes, los MOSFET se están convirtiendo en los últimos años en el dispositivo semiconductor dominante.
Usos de los MOSFET
Los MOSFET se utilizan como transistores en la construcción de circuitos electrónicos para diversos circuitos integrados y LSI.
Las aplicaciones discretas incluyen electrónica de potencia, sensores y otras industrias, así como sistemas de alimentación e inversores. Diversos LSI se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, como microcontroladores para automóviles y aparatos informáticos, terminales móviles como smartphones y tabletas, memorias de PC y CPU para diversos ordenadores.
Los MOSFET son indispensables en los productos recientes porque pueden hacerse más pequeños, ligeros e integrados.
Principios de los MOSFET
Los MOSFET tienen tres terminales (electrodos), que se denominan “drenaje”, “puerta” y “fuente” respectivamente. El MOSFET tiene la propiedad de hacer fluir corriente cuando se le aplica tensión, y puede encenderse y apagarse o amplificarse como un transistor aplicando una tensión al electrodo de puerta.
Existen dos tipos de MOSFET: de canal N (N-Ch) y de canal P (P-Ch).
- Tipo de Canal N (N-Ch)
La corriente fluye aplicando un voltaje a la puerta que es más positivo que el potencial de la fuente. - Tipo Canal P (P-Ch)
El tipo de canal N (N-Ch) se utiliza a menudo porque es más conveniente en términos de rendimiento y circuitos.
Los transistores CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), que se utilizan de forma generalizada y universal en circuitos digitales, circuitos integrados de memoria y sensores, tienen una estructura MOS de tipo p y MOS de tipo n. La conmutación es posible. Los MOSFET tienen una alta velocidad de funcionamiento, lo que permite una conmutación de alta velocidad.
También son adecuados para el funcionamiento a alta frecuencia debido a su baja potencia de accionamiento. Aunque son vulnerables a corrientes elevadas, su facilidad de integración y manejo los ha convertido en un dispositivo pilar en los últimos años.
Tipos de MOSFET
Los MOSFET son de tipo p y de tipo n, y se clasifican a su vez en tipo de mejora y tipo de agotamiento en función de las diferencias en las características de funcionamiento.
1. Tipo de Mejora
Tipo normal-off, es decir, no fluye corriente entre la fuente y el drenaje cuando no se aplica tensión a la puerta.
2. Tipo de Agotamiento
Tipo normal-encendido, es decir, la corriente fluye entre la fuente y el drenaje incluso cuando no se aplica tensión a la puerta.
Existen dos tipos de MOSFET, pero el tipo de potenciación es el más utilizado para aplicaciones de conmutación. Los primeros MOSFET que se desarrollaron eran del tipo de agotamiento, que ahora se utilizan en aplicaciones muy limitadas.
Supongamos, por ejemplo, que en un circuito debe haber una alimentación negativa. Cuando se genera -5 V, la puerta del tipo de agotamiento se conecta aquí con una resistencia de unos 10 kΩ.
Normalmente, si la tensión negativa -5 V se emite correctamente, no fluye ninguna corriente entre la fuente y el drenaje del tipo de agotamiento, pero si la alimentación negativa no se emite correctamente debido a alguna anomalía, fluye una corriente entre la fuente y el drenaje, lo que permite que se emita una alerta.
Cómo Seleccionar un MOSFET
El factor más importante en la selección de un MOSFET es el valor máximo absoluto de la tensión soportada de fuente a drenaje VDSS. Esto se debe a que cuanto mayor es la tensión soportada de un MOSFET, mayor tiende a ser su resistencia a la conexión. Si no se selecciona la tensión soportada óptima con un margen que tenga en cuenta la aplicación del sistema, la resistencia de activación será innecesariamente alta, lo que provocará un aumento del consumo de energía del sistema.
Si la tensión aplicada entre la fuente y el drenaje es casi constante, la selección puede hacerse sin problemas, pero el problema es cómo tener en cuenta las sobretensiones. Si se incluyen las sobretensiones, hay que contar con un margen de varias veces el valor nominal en estado estacionario.
Incluso los MOSFET con la misma tensión soportada tienen diferentes capacidades de resistencia para las corrientes de avalancha y la energía de avalancha. Si se tienen en cuenta las sobretensiones, la selección de un MOSFET con una alta capacidad de resistencia a las avalanchas dará como resultado un MOSFET con una tensión de resistencia más baja y una menor resistencia a la conexión.
Más Información sobre los MOSFET
1. Compatibilidad con los IGBT
Los Si-MOSFET no son adecuados para corrientes elevadas, y para aplicaciones de dispositivos de potencia, como el funcionamiento a alta polarización por encima de 2 V y los circuitos inversores para corrientes elevadas, son más adecuados los IGBT, que integran un MOSFET en la puerta y un transistor bipolar en la salida.
Los IGBT son dispositivos complejos que, por lo general, necesitan un circuito controlador de puerta para funcionar y son más difíciles de manejar que los MOSFET, ya que requieren una SOA (Safety Operation Area) y circuitos de protección para sus transistores, que son susceptibles de averiarse si se superan sus valores nominales máximos absolutos.
Recientemente se han popularizado los SiC-MOSFET, que utilizan semiconductores compuestos de SiC en lugar de Si como sustrato del MOSFET y tienen una mayor brecha de banda en las propiedades del material. Estos dispositivos tienen ventajas e inconvenientes, incluido el coste, por lo que, de momento, se diferenciarán según su aplicación en el mercado.
2. Información sobre SOI-CMOS
Los MOSFET han mejorado en términos de resistencia a la conexión y otras características como resultado de la miniaturización del proceso, y también se han soportado altas frecuencias. Tradicionalmente, las estructuras CMOS con capas de pozos se han formado sobre sustratos de Si de tipo p (o de tipo n) denominados sustratos bulk.
Sin embargo, la necesidad de dispositivos de alta frecuencia, especialmente para aplicaciones móviles de RF, ha llevado a la introducción de dispositivos CMOS con características de alta frecuencia mejoradas mediante la introducción de una capa de capas aislantes denominada SOI (Silicon On Insulator), en lugar de un sustrato de Si a granel, para aumentar el aislamiento del sustrato y suprimir la vía de fuga exclusiva de los MOSFET. Ya existen dispositivos CMOS con características de alta frecuencia mejoradas.
Se denominan SOI-CMOS y están llamando la atención como dispositivos con funcionamiento a alta velocidad y bajas pérdidas. 3. La miniaturización del proceso de los MOSFET.
3. Miniaturización del Proceso de los MOSFET
La característica más importante de los MOSFET es que son dispositivos semiconductores de bajo consumo y adecuados para la integración a gran escala. Sin embargo, al hacer más finas las dimensiones del proceso, es posible hacer funcionar los transistores a velocidades más altas y tensiones más bajas y aumentar drásticamente el grado de integración de los circuitos.
En el caso de los mencionados procesadores digitales a gran escala que utilizan CMOS, donde la integración es especialmente importante, se dice que las dimensiones del proceso serán de 3 nm a partir de 2022, frente a los 100 nm de principios de la década de 2000, y la estructura utiliza un proceso de vanguardia denominado FinFET, que incorpora innovaciones en la estructura de la sección transversal del transistor. La estructura utiliza un proceso de vanguardia denominado FinFET, que incorpora una ingeniosa estructura de sección transversal de los transistores.
Aunque hay muchos aspectos que hacen difícil predecir una mayor miniaturización en el futuro, una tendencia tecnológica que se está considerando activamente es la introducción de una tecnología de montaje de chips tridimensionales conocida como chiplet de estructura multichip, principalmente por parte de organizaciones de investigación y desarrollo de todo el mundo.