Modos de operación del MOSFET
El transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor (MOSFET, por sus siglas en inglés) es uno de los transistores más utilizados en la electrónica moderna debido a su alta eficiencia, gran impedancia de entrada y capacidades de conmutación rápida. El MOSFET opera en diferentes modos, que dependen del voltaje aplicado en sus terminales: Fuente (S), Puerta (G) y Drenaje (D). Los modos de operación del MOSFET son fundamentales para determinar su comportamiento y aplicación en circuitos de conmutación, amplificación y procesamiento de señales. Los principales modos de operación son: corte, triode (lineal), saturación y sub umbral.
Modo de corte
El modo de corte se produce cuando el voltaje entre la puerta y la fuente (V_GS) es inferior al voltaje umbral (V_th) del MOSFET. En este modo, el MOSFET se comporta como un interruptor abierto, lo que significa que no hay corriente fluyendo entre el drenaje y la fuente (I_D = 0). El transistor está en estado «apagado», y no se conduce corriente independientemente del voltaje aplicado al drenaje. Este modo es utilizado cuando se desea que el MOSFET esté en el estado de «apagado» en circuitos digitales, especialmente en aplicaciones de conmutación, donde no se requiere flujo de corriente.
Modo Triode (Lineal)
El modo triode, también conocido como modo lineal, ocurre cuando el voltaje entre la puerta y la fuente (V_GS) supera el voltaje umbral (V_th) y el voltaje entre el drenaje y la fuente (V_DS) es pequeño (V_DS < V_GS – V_th). En este modo, el MOSFET funciona como una resistencia variable. La corriente entre el drenaje y la fuente (I_D) está controlada por el voltaje aplicado a la puerta y el dispositivo actúa como una resistencia lineal cuyo valor es inversamente proporcional a V_GS. Este modo se emplea comúnmente en circuitos analógicos donde el MOSFET se usa para amplificación lineal o como una resistencia controlada por voltaje.
La corriente en el modo triode se expresa mediante la siguiente ecuación:
I_D = K[(V_GS - V_th)V_DS - (V_DS^2)/2]
Donde K es una constante que depende de los parámetros del MOSFET, como la movilidad, la capacitancia de óxido y la longitud del canal.
Modo de Saturación
El modo de saturación, también conocido como modo activo, es el más comúnmente utilizado para aplicaciones de conmutación y amplificación de MOSFET. En este modo, el voltaje entre la puerta y la fuente (V_GS) es mayor que el voltaje umbral (V_th), y el voltaje entre el drenaje y la fuente (V_DS) es mayor que la diferencia entre V_GS y V_th (V_DS > V_GS – V_th). En este modo, el MOSFET está completamente «encendido» y la corriente del drenaje (I_D) se vuelve relativamente independiente de V_DS. La corriente es controlada principalmente por V_GS y el MOSFET actúa como una fuente de corriente constante. Este modo es esencial en circuitos digitales y amplificadores, donde los MOSFET actúan como interruptores o amplificadores de corriente.
La corriente en el modo de saturación se puede expresar como:
I_D = (K/2) * (V_GS - V_th)^2
Esta relación indica que la corriente del drenaje depende de forma cuadrática de la diferencia entre V_GS y el voltaje umbral, lo que lo hace adecuado para conmutación digital de alta velocidad y tareas de amplificación. En este modo, el MOSFET está completamente saturado y opera como un amplificador de corriente.
Modo Sub-umbral (Inversión débil)
El modo sub-umbral, también conocido como modo de inversión débil, ocurre cuando el voltaje entre la puerta y la fuente (V_GS) está por debajo del voltaje umbral (V_th). En este modo, el MOSFET sigue conduciendo una pequeña corriente, pero esta corriente depende de manera exponencial de V_GS. La corriente en esta región es muy pequeña y es el resultado de la generación térmica de portadores minoritarios en el canal. El modo sub-umbral se usa en aplicaciones de bajo consumo de energía, particularmente en circuitos diseñados para un consumo de energía ultrabajo, como en dispositivos móviles donde la eficiencia energética es crucial.
La corriente del drenaje en la región sub-umbral sigue una función exponencial:
I_D = I_D0 * exp((V_GS - V_th) / nV_T)
Donde I_D0 es la corriente para V_GS = V_th, V_T es el voltaje térmico y n es un factor relacionado con la pendiente sub-umbral. Este modo es crítico en el diseño de circuitos donde se debe minimizar el consumo de energía a expensas de la velocidad.
Efecto de cuerpo (efecto de puerta inversa)
Además de los modos de operación primarios, el MOSFET puede mostrar un comportamiento de operación inversa debido al efecto de cuerpo (también conocido como efecto de puerta inversa). Este efecto ocurre cuando se aplica un sesgo inverso entre el cuerpo (o sustrato) y el terminal de fuente, lo que puede aumentar el voltaje umbral (V_th) y reducir la conductividad del canal. El efecto de cuerpo se vuelve significativo cuando existe una diferencia de voltaje entre el cuerpo y la fuente, y es comúnmente observado en MOSFETs con un terminal de cuerpo separado en circuitos integrados (ICs). El efecto de cuerpo generalmente se evita o minimiza en circuitos bien diseñados.
En resumen, el MOSFET opera en diferentes modos según los voltajes aplicados a sus terminales, cada uno con características y aplicaciones distintas. El modo de corte se utiliza para la conmutación «apagada», el modo triode para amplificación lineal, el modo de saturación para conmutación de alta velocidad y amplificación de corriente, y el modo sub-umbral para aplicaciones de ultra bajo consumo de energía. Comprender los diferentes modos de operación de los MOSFET es crucial para diseñar circuitos electrónicos eficientes y confiables, ya que cada modo ofrece ventajas únicas dependiendo de la aplicación.