Estructura y umbral del MOSFET: el voltaje abre un canal
Sube el voltaje de compuerta y despierta el canal
Arriba está la compuerta, y la banda delgada debajo es el óxido aislante. Sube el voltaje de compuerta Vgs. Por debajo de un umbral Vth no hay nada en la superficie, pero por encima los electrones se juntan en la superficie y forman un canal dorado que une fuente y drenador.
Una compuerta aislada, campo no corriente
La compuerta de un MOSFET descansa sobre una delgada capa aislante de óxido. Como el aislante la bloquea, prácticamente ninguna corriente entra a la compuerta. Esto es justo lo contrario del BJT, que necesitaba una corriente de base para funcionar. La compuerta trabaja por su campo eléctrico en vez de corriente. Como casi ninguna corriente entra, la impedancia de entrada es muy grande y apenas carga a la fuente de señal.
Cruza el umbral y se forma un canal
El cuerpo bajo la compuerta es tipo p, así que casi no hay electrones en su superficie. Pon un voltaje positivo en la compuerta y su campo aparta los huecos y atrae electrones, los portadores minoritarios, hacia la superficie. A bajo voltaje se atraen muy pocos, pero pasado un umbral se juntan suficientes electrones en la superficie para formar una delgada capa tipo n, una capa de inversión. Esta capa se vuelve el canal que une la fuente y el drenador tipo n a cada lado, y solo entonces se abre un camino para la corriente.
Voltaje de umbral Vth y sobreimpulso
El voltaje de compuerta al que el canal apenas empieza a formarse es el voltaje de umbral Vth. Su valor lo fijan el grosor del óxido, el dopaje y los materiales. Cuanto más exceda Vgs a Vth, es decir, cuanto mayor el sobreimpulso Vgs - Vth, más electrones se atraen, más grueso el canal y más corriente puede llevar. Este interruptor, que abre y cierra un canal solo con voltaje mediante una compuerta aislada que casi no consume corriente, es la razón por la que los MOSFET sostienen los chips digitales y la conversión de potencia.
De vuelta a la primera pantalla
Cuando el voltaje de compuerta estaba bajo el umbral, la superficie estaba vacía y fuente y drenador desconectados. En cuanto subiste el voltaje pasado el umbral, los electrones fueron atraídos a la superficie y un canal dorado unió las dos regiones tipo n. Lo que abrió ese camino no fue una corriente a la compuerta sino el campo eléctrico de la compuerta actuando a través del aislante. El umbral es la frontera donde el canal apenas aparece, y el sobreimpulso elevado por encima engrosa el canal. Este interruptor, que abre y cierra un flujo solo con voltaje sin beber una gota de corriente, es el punto de partida del MOSFET.
Lo que sigue
Cruzaste el umbral y abriste el canal. Pero cuánto fluye realmente una vez que el canal existe también depende del voltaje de drenador. La siguiente unidad sube el voltaje de drenador y observa cómo se divide el comportamiento: una región lineal donde el canal actúa como un resistor, y una de saturación donde el extremo del canal se estrangula y la corriente deja de crecer.