MOSFET , que muestra los terminales de compuerta (G), cuerpo (B), fuente (S) y drenaje (D). La compuerta está separada del cuerpo por una capa aislante (rosa).
El MOSFET es el tipo de transistor más utilizado y el componente de dispositivo más crítico en chips de circuitos integrados (CI). [2] El proceso planar , desarrollado por Jean Hoerni en Fairchild Semiconductor a principios de 1959, fue fundamental para la invención del chip de circuito integrado monolítico por Robert Noyce más tarde en 1959. [3] [4] [5] El MOSFET se inventó en Bell Labs entre 1955 y 1960. [6] [7] [8] [9] [10] Esto fue seguido por el desarrollo de salas limpias para reducir la contaminación a niveles nunca antes considerados necesarios, y coincidió con el desarrollo de la fotolitografía [11] que, junto con la pasivación de superficies y el proceso planar, permitió realizar circuitos en pocos pasos.
Atalla se dio cuenta de que la principal ventaja de un transistor MOS era su facilidad de fabricación , lo que lo hacía particularmente adecuado para su uso en los circuitos integrados recientemente inventados. [12] A diferencia de los transistores bipolares que requerían una serie de pasos para el aislamiento de la unión p-n de los transistores en un chip, los MOSFET no requerían tales pasos, pero podían aislarse fácilmente entre sí. [13] Su ventaja para los circuitos integrados fue reiterada por Dawon Kahng en 1961. [14] El sistema Si – SiO 2 poseía los atractivos técnicos de un bajo costo de producción (por circuito) y facilidad de integración. Estos dos factores, junto con su miniaturización de rápida escala y su bajo consumo de energía , llevaron a que el MOSFET se convirtiera en el tipo de transistor más utilizado en chips de CI.
El primer IC MOS experimental que se demostró fue un chip de 16 transistores construido por Fred Heiman y Steven Hofstein en RCA en 1962. [15] General Microelectronics introdujo más tarde los primeros circuitos integrados MOS comerciales en 1964, que consistían en 120 transistores de canal p . [16] Era un registro de desplazamiento de 20 bits , desarrollado por Robert Norman [15] y Frank Wanlass . [17] En 1967, los investigadores de Bell Labs Robert Kerwin, Donald Klein y John Sarace desarrollaron el transistor MOS de compuerta autoalineada (compuerta de silicio), que los investigadores de Fairchild Semiconductor Federico Faggin y Tom Klein utilizaron para desarrollar el primer IC MOS de compuerta de silicio . [18]
Con su alta escalabilidad, [36] y un consumo de energía mucho menor y una mayor densidad que los transistores de unión bipolar, [37] el MOSFET hizo posible construir chips de circuitos integrados de alta densidad . [1] Para 1964, los chips MOS habían alcanzado una mayor densidad de transistores y menores costos de fabricación que los chips bipolares . Los chips MOS aumentaron aún más en complejidad a un ritmo predicho por la ley de Moore , lo que llevó a la integración a gran escala (LSI) con cientos de MOSFET en un chip a fines de la década de 1960. [24] La tecnología MOS permitió la integración de más de 10,000 transistores en un solo chip LSI a principios de la década de 1970, [38] antes de permitir más tarde la integración a muy gran escala (VLSI). [25] [20]
Microprocesadores
El MOSFET es la base de cada microprocesador , [30] y fue responsable de la invención del microprocesador. [39] Los orígenes tanto del microprocesador como del microcontrolador se remontan a la invención y desarrollo de la tecnología MOS. La aplicación de chips MOS LSI a la informática fue la base de los primeros microprocesadores, ya que los ingenieros comenzaron a reconocer que un procesador de computadora completo podía estar contenido en un solo chip MOS LSI. [24]
Los primeros microprocesadores eran todos chips MOS, construidos con circuitos MOS LSI. Los primeros microprocesadores multichip, el Four-Phase Systems AL1 en 1969 y el Garrett AiResearch MP944 en 1970, se desarrollaron con múltiples chips MOS LSI. El primer microprocesador comercial de un solo chip, el Intel 4004 , fue desarrollado por Federico Faggin , utilizando su tecnología de circuitos integrados MOS de compuerta de silicio, con los ingenieros de Intel Marcian Hoff y Stan Mazor , y el ingeniero de Busicom Masatoshi Shima . [40] Con la llegada de los microprocesadores CMOS en 1975, el término "microprocesadores MOS" comenzó a referirse a chips fabricados completamente con lógica PMOS o fabricados completamente con lógica NMOS , en contraste con los "microprocesadores CMOS" y los " procesadores de rebanadas de bits bipolares ". [41]
La lógica complementaria de metal-óxido-semiconductor ( CMOS ) [43] fue desarrollada por Chih-Tang Sah y Frank Wanlass en Fairchild Semiconductor en 1963. [44] CMOS tenía un menor consumo de energía, pero inicialmente era más lento que NMOS, que se usaba más ampliamente para computadoras en la década de 1970. En 1978, Hitachi introdujo el proceso CMOS de pozo doble, que permitió que CMOS igualara el rendimiento de NMOS con un menor consumo de energía. El proceso CMOS de pozo doble eventualmente superó a NMOS como el proceso de fabricación de semiconductores más común para computadoras en la década de 1980. [45] Para la década de 1980, la lógica CMOS consumía más de 7 veces menos energía que la lógica NMOS, [45] y aproximadamente 100.000 veces menos energía que la lógica transistor-transistor bipolar (TTL). [46]
Digital
El crecimiento de las tecnologías digitales como el microprocesador ha proporcionado la motivación para avanzar en la tecnología MOSFET más rápido que cualquier otro tipo de transistor basado en silicio. [47] Una gran ventaja de los MOSFET para la conmutación digital es que la capa de óxido entre la compuerta y el canal evita que la corriente continua fluya a través de la compuerta, lo que reduce aún más el consumo de energía y proporciona una impedancia de entrada muy grande. El óxido aislante entre la compuerta y el canal aísla eficazmente un MOSFET en una etapa lógica de las etapas anteriores y posteriores, lo que permite que una sola salida MOSFET controle una cantidad considerable de entradas MOSFET. La lógica basada en transistores bipolares (como TTL ) no tiene una capacidad de abanico de salida tan alta. Este aislamiento también hace que sea más fácil para los diseñadores ignorar hasta cierto punto los efectos de carga entre las etapas lógicas de forma independiente. Esa medida está definida por la frecuencia de operación: a medida que aumentan las frecuencias, la impedancia de entrada de los MOSFET disminuye.
Cosa análoga
Las ventajas del MOSFET en los circuitos digitales no se traducen en supremacía en todos los circuitos analógicos . Los dos tipos de circuitos se basan en diferentes características del comportamiento del transistor. Los circuitos digitales conmutan, pasando la mayor parte del tiempo totalmente encendidos o totalmente apagados. La transición de uno a otro solo es preocupante en lo que respecta a la velocidad y la carga requerida. Los circuitos analógicos dependen del funcionamiento en la región de transición donde pequeños cambios en V gs pueden modular la corriente de salida (drenaje). El JFET y el transistor de unión bipolar (BJT) son los preferidos por su coincidencia precisa (de dispositivos adyacentes en circuitos integrados), mayor transconductancia y ciertas características de temperatura que simplifican el mantenimiento del rendimiento predecible a medida que varía la temperatura del circuito.
Sin embargo, los MOSFET se utilizan ampliamente en muchos tipos de circuitos analógicos debido a sus propias ventajas (corriente de compuerta cero, impedancia de salida alta y ajustable y robustez mejorada frente a los BJT que pueden degradarse permanentemente incluso rompiendo ligeramente el emisor-base). [ vago ] Las características y el rendimiento de muchos circuitos analógicos se pueden aumentar o reducir cambiando los tamaños (longitud y anchura) de los MOSFET utilizados. En comparación, en los transistores bipolares el tamaño del dispositivo no afecta significativamente a su rendimiento. [ cita requerida ] Las características ideales de los MOSFET con respecto a la corriente de compuerta (cero) y el voltaje de compensación de drenaje-fuente (cero) también los convierten en elementos de conmutación casi ideales, y también hacen que los circuitos analógicos de condensadores conmutados sean prácticos. En su región lineal, los MOSFET se pueden utilizar como resistencias de precisión, que pueden tener una resistencia controlada mucho mayor que los BJT. En circuitos de alta potencia, los MOSFET a veces tienen la ventaja de no sufrir fugas térmicas como lo hacen los BJT. [ dudoso – discutir ] Además, los MOSFET se pueden configurar para funcionar como condensadores y circuitos giratorios que permiten que los amplificadores operacionales fabricados con ellos aparezcan como inductores, lo que permite que todos los dispositivos analógicos normales en un chip (excepto los diodos, que pueden hacerse más pequeños que un MOSFET de todos modos) se construyan completamente a partir de MOSFET. Esto significa que se pueden hacer circuitos analógicos completos en un chip de silicio en un espacio mucho más pequeño y con técnicas de fabricación más simples. Los MOSFET son ideales para conmutar cargas inductivas debido a la tolerancia al retroceso inductivo .
Algunos circuitos integrados combinan circuitos MOSFET analógicos y digitales en un único circuito integrado de señal mixta , lo que hace que el espacio necesario en la placa sea aún menor. Esto crea la necesidad de aislar los circuitos analógicos de los circuitos digitales a nivel de chip, lo que lleva al uso de anillos de aislamiento y silicio sobre aislante (SOI). Dado que los MOSFET requieren más espacio para manejar una cantidad determinada de energía que un BJT, los procesos de fabricación pueden incorporar BJT y MOSFET en un único dispositivo. Los dispositivos de transistores mixtos se denominan bi-FET (FET bipolares) si contienen solo un BJT-FET y BiCMOS (CMOS bipolar) si contienen BJT-FET complementarios. Dichos dispositivos tienen las ventajas de puertas aisladas y una mayor densidad de corriente.
Los interruptores analógicos MOSFET utilizan el MOSFET para pasar señales analógicas cuando están encendidos y como una alta impedancia cuando están apagados. Las señales fluyen en ambas direcciones a través de un interruptor MOSFET. En esta aplicación, el drenador y la fuente de un MOSFET intercambian posiciones dependiendo de los voltajes relativos de los electrodos de fuente/drenaje. La fuente es el lado más negativo para un N-MOS o el lado más positivo para un P-MOS. Todos estos interruptores están limitados en cuanto a las señales que pueden pasar o detener por sus voltajes de compuerta-fuente, compuerta-drenaje y fuente-drenaje; exceder los límites de voltaje, corriente o potencia dañará potencialmente el interruptor.
De un solo tipo
Este interruptor analógico utiliza un MOSFET simple de cuatro terminales de tipo P o N.
En el caso de un interruptor de tipo n, el cuerpo está conectado a la fuente de alimentación más negativa (normalmente GND) y la compuerta se utiliza como control del interruptor. Siempre que el voltaje de la compuerta supere el voltaje de la fuente en al menos un voltaje umbral, el MOSFET conduce. Cuanto mayor sea el voltaje, más puede conducir el MOSFET. Un interruptor N-MOS deja pasar todos los voltajes menores que V gate − V tn . Cuando el interruptor conduce, normalmente funciona en modo de funcionamiento lineal (u óhmico), ya que los voltajes de fuente y drenaje normalmente serán casi iguales.
En el caso de un P-MOS, el cuerpo se conecta al voltaje más positivo y la compuerta se lleva a un potencial más bajo para activar el interruptor. El interruptor P-MOS deja pasar todos los voltajes superiores a V compuerta − V tp (el voltaje umbral V tp es negativo en el caso de P-MOS en modo de mejora).
De tipo dual (CMOS)
Este tipo de interruptor "complementario" o CMOS utiliza un FET P-MOS y un FET N-MOS para contrarrestar las limitaciones del interruptor de tipo único. Los FET tienen sus drenajes y fuentes conectados en paralelo, el cuerpo del P-MOS está conectado al potencial alto ( V DD ) y el cuerpo del N-MOS está conectado al potencial bajo ( gnd ). Para encender el interruptor, la compuerta del P-MOS se lleva al potencial bajo y la compuerta del N-MOS se lleva al potencial alto. Para voltajes entre V DD − V tn y gnd − V tp , ambos FET conducen la señal; para voltajes menores que gnd − V tp , el N-MOS conduce solo; y para voltajes mayores que V DD − V tn , el P-MOS conduce solo.
Los límites de voltaje para este interruptor son los límites de voltaje de compuerta-fuente, compuerta-drenaje y fuente-drenaje para ambos FET. Además, el P-MOS es típicamente dos o tres veces más ancho que el N-MOS, por lo que el interruptor estará equilibrado para la velocidad en las dos direcciones.
Los circuitos triestado a veces incorporan un interruptor CMOS MOSFET en su salida para proporcionar una salida de rango completo y de bajo valor óhmico cuando está encendido, y una señal de nivel medio y alto valor óhmico cuando está apagado.
La tecnología MOS es la base de la memoria DRAM (memoria dinámica de acceso aleatorio ). En 1966, el Dr. Robert H. Dennard del Centro de Investigación Thomas J. Watson de IBM estaba trabajando en la memoria MOS . Mientras examinaba las características de la tecnología MOS, descubrió que era capaz de construir condensadores y que almacenar una carga o ninguna carga en el condensador MOS podía representar el 1 y el 0 de un bit, mientras que el transistor MOS podía controlar la escritura de la carga en el condensador. Esto lo llevó al desarrollo de una celda de memoria DRAM de un solo transistor. [49] En 1967, Dennard presentó una patente ante IBM para una celda de memoria DRAM (memoria dinámica de acceso aleatorio) de un solo transistor, basada en la tecnología MOS. [50] La memoria MOS permitía un mayor rendimiento, era más barata y consumía menos energía que la memoria de núcleo magnético , lo que llevó a que la memoria MOS superara a la memoria de núcleo magnético como la tecnología de memoria de computadora dominante a principios de la década de 1970. [51]
La tecnología MOS es la base de los sensores de imagen modernos , incluidos el dispositivo de carga acoplada (CCD) y el sensor de píxeles activos CMOS (sensor CMOS), utilizados en imágenes digitales y cámaras digitales . [68] Willard Boyle y George E. Smith desarrollaron el CCD en 1969. Mientras investigaban el proceso MOS, se dieron cuenta de que una carga eléctrica era la analogía de la burbuja magnética y que podía almacenarse en un pequeño condensador MOS. Como era bastante sencillo fabricar una serie de condensadores MOS en fila, les conectaron un voltaje adecuado para que la carga pudiera pasar de uno al siguiente. [68] El CCD es un circuito semiconductor que luego se utilizó en las primeras cámaras de video digitales para transmisión de televisión . [72]
Los sensores de imagen MOS se utilizan ampliamente en la tecnología de ratones ópticos . El primer ratón óptico, inventado por Richard F. Lyon en Xerox en 1980, utilizaba un chip sensor NMOS de 5 μm . [75] [76] Desde el primer ratón óptico comercial, el IntelliMouse presentado en 1999, la mayoría de los dispositivos de ratón óptico utilizan sensores CMOS. [71]
Los MOSFET también se utilizan ampliamente en sistemas microelectromecánicos (MEMS), ya que los MOSFET de silicio podrían interactuar y comunicarse con el entorno y procesar cosas como productos químicos , movimientos y luz. [77] Un ejemplo temprano de un dispositivo MEMS es el transistor de puerta resonante, una adaptación del MOSFET, desarrollado por Harvey C. Nathanson en 1965. [78]
Las aplicaciones comunes de otros sensores MOS incluyen las siguientes.
Dos MOSFET de potencia en encapsulados D2PAK para montaje en superficie . Cada uno de estos componentes, que funcionan como interruptores, puede soportar una tensión de bloqueo de 120 V en estado apagado y puede conducir una corriente continua de 30 A en estado encendido , disipando hasta unos 100 W y controlando una carga de más de 2000 W. Se muestra una cerilla para mostrar la escala.
El MOSFET de potencia , que se utiliza comúnmente en electrónica de potencia , se desarrolló a principios de la década de 1970. [84] El MOSFET de potencia permite un bajo consumo de energía de control de compuerta, una velocidad de conmutación rápida y una capacidad de paralelismo avanzada. [85]
El MOSFET de potencia es el dispositivo de potencia más utilizado en el mundo. [85] Las ventajas sobre los transistores de unión bipolar en la electrónica de potencia incluyen que los MOSFET no requieren un flujo continuo de corriente de accionamiento para permanecer en el estado ON, ofreciendo velocidades de conmutación más altas, menores pérdidas de potencia de conmutación, resistencias de encendido más bajas y una susceptibilidad reducida al descontrol térmico. [86] El MOSFET de potencia tuvo un impacto en las fuentes de alimentación , permitiendo frecuencias de operación más altas, reducción de tamaño y peso y mayor producción en volumen. [87]
Los MOSFET de potencia con estructura lateral (LDMOS ) se utilizan habitualmente en amplificadores de audio de alta gama y sistemas PA de alta potencia. Su ventaja es un mejor comportamiento en la región saturada (que corresponde a la región lineal de un transistor bipolar ) que los MOSFET verticales. Los MOSFET verticales están diseñados para aplicaciones de conmutación. [96]
DMOS y VMOS
Los MOSFET de potencia, incluidos los dispositivos DMOS , LDMOS y VMOS , se utilizan comúnmente para una amplia gama de otras aplicaciones, que incluyen las siguientes.
RF DMOS, también conocido como RF power MOSFET, es un tipo de transistor de potencia DMOS diseñado para aplicaciones de radiofrecuencia (RF). Se utiliza en diversas aplicaciones de radio y RF, entre las que se incluyen las siguientes. [123] [124]
Los MOSFET se utilizan habitualmente en una amplia gama de productos electrónicos de consumo, entre los que se incluyen los siguientes dispositivos. Los ordenadores o dispositivos de telecomunicaciones (como los teléfonos ) no se incluyen aquí, pero se enumeran por separado en la sección Tecnologías de la información y las comunicaciones (TIC) que aparece a continuación.
Uno de los primeros productos electrónicos de consumo influyentes habilitados con circuitos MOS LSI fue la calculadora electrónica de bolsillo , [38] ya que la tecnología MOS LSI permitió grandes cantidades de capacidad computacional en paquetes pequeños. [153] En 1965, la calculadora de escritorio Victor 3900 fue la primera calculadora MOS LSI , con 29 chips MOS LSI. [154] En 1967, la Texas Instruments Cal-Tech fue el primer prototipo de calculadora electrónica de mano , con tres chips MOS LSI, y luego se lanzó como Canon Pocketronic en 1970. [155] La calculadora de escritorio Sharp QT-8D fue la primera calculadora MOS LSI producida en masa en 1969, [154] y la Sharp EL-8 que usaba cuatro chips MOS LSI fue la primera calculadora electrónica de mano comercial en 1970. [155] La primera calculadora de bolsillo verdaderamente electrónica fue la Busicom LE-120A HANDY LE, que usaba una sola calculadora MOS LSI en un chip de Mostek , y se lanzó en 1971. [155] En 1972, los circuitos MOS LSI se comercializaron para muchas otras aplicaciones. [130]
Los MOSFET se utilizan comúnmente para una amplia gama de tecnologías de medios audiovisuales (AV), que incluyen la siguiente lista de aplicaciones. [142]
Teléfono inteligente Apple iPhone (2007). Los MOSFET son la base de los teléfonos inteligentes y cada uno de ellos suele contener miles de millones de MOSFET. [191]
Los MOSFET se utilizan comúnmente en una amplia gama de telecomunicaciones, que incluyen las siguientes aplicaciones.
En física cuántica y mecánica cuántica , el MOSFET es la base del gas de electrones bidimensional (2DEG) [239] y del efecto Hall cuántico . [239] [240] El MOSFET permite a los físicos estudiar el comportamiento de los electrones en un gas bidimensional, llamado gas de electrones bidimensional. En un MOSFET, los electrones de conducción viajan en una capa superficial delgada, y un voltaje de "puerta" controla el número de portadores de carga en esta capa. Esto permite a los investigadores explorar los efectos cuánticos al operar MOSFET de alta pureza a temperaturas de helio líquido . [239]
En 1978, los investigadores de la Universidad Gakushuin Jun-ichi Wakabayashi y Shinji Kawaji observaron el efecto Hall en experimentos realizados en la capa de inversión de los MOSFET. [241] En 1980, Klaus von Klitzing , trabajando en el laboratorio de alto campo magnético en Grenoble con muestras de MOSFET basadas en silicio desarrolladas por Michael Pepper y Gerhard Dorda, hizo el descubrimiento inesperado del efecto Hall cuántico. [239] [240]
Los MOSFET se utilizan ampliamente en el transporte. [110] [82] [97] Por ejemplo, se utilizan comúnmente para la electrónica automotriz en la industria automotriz . [70] [57] La tecnología MOS se utiliza comúnmente para una amplia gama de vehículos y transporte, que incluyen las siguientes aplicaciones.
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