El transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico ( MOSFET , MOS-FET o MOS FET ) es un tipo de transistor de efecto de campo (FET), fabricado más comúnmente mediante oxidación controlada de silicio . Tiene una puerta aislada, cuyo voltaje determina la conductividad del dispositivo. Esta capacidad de cambiar la conductividad con la cantidad de voltaje aplicado se puede utilizar para amplificar o conmutar señales electrónicas . El término transistor de efecto de campo metal-aislante-semiconductor ( MISFET ) es casi sinónimo de MOSFET . Otro casi sinónimo es transistor de efecto de campo de puerta aislada ( IGFET ).
El principio básico del transistor de efecto de campo fue patentado por primera vez por Julius Edgar Lilienfeld en 1925. [1]
La principal ventaja de un MOSFET es que casi no requiere corriente de entrada para controlar la corriente de carga, en comparación con los transistores de unión bipolar (BJT). En un MOSFET en modo de mejora , el voltaje aplicado al terminal de puerta aumenta la conductividad del dispositivo. En los transistores en modo de agotamiento , el voltaje aplicado en la puerta reduce la conductividad. [2]
El "metal" en el nombre MOSFET es a veces un nombre inapropiado , porque el material de la puerta puede ser una capa de polisilicio (silicio policristalino). De manera similar, "óxido" en el nombre también puede ser un nombre inapropiado, ya que se utilizan diferentes materiales dieléctricos con el objetivo de obtener canales fuertes con voltajes aplicados más pequeños.
El MOSFET es, con diferencia, el transistor más común en los circuitos digitales , ya que se pueden incluir miles de millones en un chip de memoria o microprocesador. Dado que los MOSFET pueden fabricarse con semiconductores tipo p o tipo n, se pueden utilizar pares complementarios de transistores MOS para crear circuitos de conmutación con muy bajo consumo de energía, en forma de lógica CMOS .
El principio básico de este tipo de transistor fue patentado por primera vez por Julius Edgar Lilienfeld en 1925. [1]
La estructura que se asemeja al transistor MOS fue propuesta por los científicos de Bell William Shockley , John Bardeen y Walter Houser Brattain , durante su investigación que condujo al descubrimiento del efecto transistor. La estructura no logró mostrar los efectos esperados, debido al problema del estado de la superficie: trampas en la superficie del semiconductor que mantienen inmóviles a los electrones. En 1955, Carl Frosch y L. Derick hicieron crecer accidentalmente una capa de dióxido de silicio sobre la oblea de silicio. Investigaciones adicionales demostraron que el dióxido de silicio podría evitar que los dopantes se difundan en la oblea de silicio. A partir de este trabajo, Mohamed M. Atalla demostró que el dióxido de silicio es muy eficaz para resolver el problema de una clase importante de estados superficiales. [3]
Tras esta investigación, Mohamed Atalla y Dawon Kahng demostraron en la década de 1960 un dispositivo que tenía la estructura de un transistor MOS moderno. [4] Los principios detrás del dispositivo eran los mismos que probaron Bardeen, Shockley y Brattain en su fallido intento de construir un dispositivo de efecto de campo de superficie.
El dispositivo era aproximadamente 100 veces más lento que los transistores bipolares contemporáneos e inicialmente se consideró inferior. Sin embargo, Kahng destacó varias ventajas del dispositivo, en particular la facilidad de fabricación y su aplicación en circuitos integrados . [5]
Generalmente el semiconductor de elección es el silicio . Algunos fabricantes de chips, sobre todo IBM e Intel , utilizan una aleación de silicio y germanio ( SiGe ) en los canales MOSFET. [ cita necesaria ] Muchos semiconductores con mejores propiedades eléctricas que el silicio, como el arseniuro de galio , no forman buenas interfaces semiconductor-aislante y, por lo tanto, no son adecuados para MOSFET. Continúan las investigaciones para crear aisladores con características eléctricas aceptables en otros materiales semiconductores.
Para superar el aumento en el consumo de energía debido a la fuga de corriente de la puerta, se utiliza un dieléctrico de alto κ en lugar de dióxido de silicio para el aislante de la puerta, mientras que el polisilicio se reemplaza por puertas metálicas (por ejemplo, Intel , 2009). [6]
La compuerta está separada del canal por una fina capa aislante, tradicionalmente de dióxido de silicio y posteriormente de oxinitruro de silicio . Algunas empresas utilizan una combinación de puerta metálica y dieléctrico de alto κ en el nodo de 45 nanómetros .
Cuando se aplica un voltaje entre la puerta y la fuente, el campo eléctrico generado penetra a través del óxido y crea una capa o canal de inversión en la interfaz semiconductor-aislante. La capa de inversión proporciona un canal a través del cual la corriente puede pasar entre los terminales de fuente y drenaje. Variar el voltaje entre la puerta y el cuerpo modula la conductividad de esta capa y, por lo tanto, controla el flujo de corriente entre el drenaje y la fuente. Esto se conoce como modo de mejora.
La estructura tradicional de semiconductores de óxido de metal (MOS) se obtiene haciendo crecer una capa de dióxido de silicio ( SiO
2) sobre un sustrato de silicio, comúnmente mediante oxidación térmica y depositando una capa de metal o silicio policristalino (comúnmente se usa este último). Como el dióxido de silicio es un material dieléctrico , su estructura es equivalente a la de un condensador plano , con uno de los electrodos sustituido por un semiconductor.
Cuando se aplica un voltaje a través de una estructura MOS, se modifica la distribución de cargas en el semiconductor. Si consideramos un semiconductor de tipo p (con densidad de aceptores , p la densidad de huecos; p = N A en masa neutra), un voltaje positivo, desde la puerta al cuerpo (ver figura) crea una capa de agotamiento al forzar la orificios cargados positivamente lejos de la interfaz puerta-aislante/semiconductor, dejando expuesta una región libre de portadores de iones aceptores inmóviles y cargados negativamente (ver dopaje ). Si es lo suficientemente alta, se forma una alta concentración de portadores de carga negativa en una capa de inversión ubicada en una capa delgada al lado de la interfaz entre el semiconductor y el aislante.
Convencionalmente, el voltaje de puerta al que la densidad volumétrica de los electrones en la capa de inversión es la misma que la densidad volumétrica de los agujeros en el cuerpo se llama voltaje umbral . Cuando el voltaje entre la puerta del transistor y la fuente ( V GS ) excede el voltaje umbral ( V th ), la diferencia se conoce como voltaje de sobreexcitación .
Esta estructura con cuerpo tipo p es la base del MOSFET tipo n, que requiere la adición de regiones fuente y drenaje de tipo n.
La estructura del condensador MOS es el corazón del MOSFET. Considere un condensador MOS donde la base de silicio es de tipo p. Si se aplica un voltaje positivo en la puerta, los agujeros que se encuentran en la superficie del sustrato tipo p serán repelidos por el campo eléctrico generado por el voltaje aplicado. Al principio, los agujeros simplemente serán repelidos y lo que quedará en la superficie serán átomos inmóviles (negativos) del tipo aceptor, lo que crea una región de agotamiento en la superficie. Un hueco se crea mediante un átomo aceptor, por ejemplo el boro, que tiene un electrón menos que el silicio. Los agujeros en realidad no son repelidos, ya que no son entidades; Los electrones son atraídos por el campo positivo y llenan estos huecos. Esto crea una región de agotamiento donde no existen portadores de carga porque el electrón ahora está fijado al átomo e inmóvil.
A medida que aumenta el voltaje en la puerta, habrá un punto en el que la superficie sobre la región de agotamiento se convertirá de tipo p a tipo n, a medida que los electrones del área general comenzarán a ser atraídos por el campo eléctrico más grande. Esto se conoce como inversión . El voltaje umbral al que se produce esta conversión es uno de los parámetros más importantes en un MOSFET.
En el caso de un MOSFET tipo p, la inversión masiva ocurre cuando el nivel de energía intrínseca en la superficie se vuelve más pequeño que el nivel de Fermi en la superficie. Esto se puede ver en un diagrama de bandas. El nivel de Fermi define el tipo de semiconductor en discusión. Si el nivel de Fermi es igual al nivel intrínseco, el semiconductor es de tipo intrínseco o puro. Si el nivel de Fermi se encuentra más cerca de la banda de conducción (banda de valencia), entonces el tipo de semiconductor será de tipo n (tipo p).
Cuando el voltaje de la puerta aumenta en un sentido positivo (para el ejemplo dado), [ aclarar ] esto cambiará la banda del nivel de energía intrínseca de modo que se curvará hacia abajo, hacia la banda de valencia. Si el nivel de Fermi se encuentra más cerca de la banda de valencia (para el tipo p), habrá un punto en el que el nivel intrínseco comenzará a cruzar el nivel de Fermi y cuando el voltaje alcance el voltaje umbral, el nivel intrínseco cruzará el nivel de Fermi. , y eso es lo que se conoce como inversión. En ese punto, la superficie del semiconductor se invierte del tipo p al tipo n.
Si el nivel de Fermi se encuentra por encima del nivel intrínseco, el semiconductor es de tipo n, por lo tanto, en inversión, cuando el nivel intrínseco alcanza y cruza el nivel de Fermi (que se encuentra más cerca de la banda de valencia), el tipo de semiconductor cambia en la superficie como dictado por las posiciones relativas de los niveles de energía intrínseca y de Fermi.
Un MOSFET se basa en la modulación de la concentración de carga mediante una capacitancia MOS entre un electrodo del cuerpo y un electrodo de puerta ubicado sobre el cuerpo y aislado de todas las demás regiones del dispositivo por una capa dieléctrica de puerta. Si se emplean dieléctricos distintos de un óxido, el dispositivo puede denominarse FET semiconductor-aislante metálico (MISFET). En comparación con el condensador MOS, el MOSFET incluye dos terminales adicionales ( fuente y drenaje ), cada uno conectado a regiones individuales altamente dopadas que están separadas por la región del cuerpo. Estas regiones pueden ser de tipo p o n, pero ambas deben ser del mismo tipo y de tipo opuesto a la región del cuerpo. La fuente y el drenaje (a diferencia del cuerpo) están altamente dopados, como lo indica el signo "+" después del tipo de dopaje.
Si el MOSFET es un canal n o un FET nMOS, entonces la fuente y el drenaje son n+ regiones y el cuerpo es una región p . Si el MOSFET es un canal p o pMOS FET, entonces la fuente y el drenaje son regiones p+ y el cuerpo es una región n . La fuente se llama así porque es la fuente de los portadores de carga (electrones para el canal n, huecos para el canal p) que fluyen a través del canal; de manera similar, el drenaje es donde los portadores de carga abandonan el canal.
La ocupación de las bandas de energía en un semiconductor está determinada por la posición del nivel de Fermi con respecto a los bordes de las bandas de energía del semiconductor.
Con suficiente voltaje de compuerta, el borde de la banda de valencia se aleja del nivel de Fermi y los agujeros del cuerpo se alejan de la compuerta.
Con una polarización de puerta aún mayor, cerca de la superficie del semiconductor, el borde de la banda de conducción se acerca al nivel de Fermi, poblando la superficie con electrones en una capa de inversión o canal n en la interfaz entre la región p y el óxido. Este canal conductor se extiende entre la fuente y el drenaje, y la corriente se conduce a través de él cuando se aplica un voltaje entre los dos electrodos. El aumento del voltaje en la puerta conduce a una mayor densidad de electrones en la capa de inversión y, por lo tanto, aumenta el flujo de corriente entre la fuente y el drenaje. Para voltajes de compuerta por debajo del valor umbral, el canal está ligeramente poblado y solo puede fluir una corriente de fuga por debajo del umbral muy pequeña entre la fuente y el drenaje.
Cuando se aplica un voltaje de puerta-fuente negativo (fuente-puerta positiva), se crea un canal p en la superficie de la región n, análogo al caso del canal n, pero con polaridades opuestas de cargas y voltajes. Cuando se aplica un voltaje menos negativo que el valor umbral (un voltaje negativo para el canal p) entre la puerta y la fuente, el canal desaparece y solo una corriente subumbral muy pequeña puede fluir entre la fuente y el drenaje. El dispositivo puede comprender un dispositivo aislante de silicio en el que se forma un óxido enterrado debajo de una fina capa semiconductora. Si la región del canal entre el dieléctrico de puerta y la región de óxido enterrado es muy delgada, el canal se denomina región de canal ultradelgado con las regiones de fuente y drenaje formadas a ambos lados dentro o por encima de la delgada capa semiconductora. Se pueden emplear otros materiales semiconductores. Cuando las regiones de fuente y drenaje están formadas por encima del canal en su totalidad o en parte, se denominan regiones de fuente/drenaje elevadas.
El funcionamiento de un MOSFET se puede separar en tres modos diferentes, según los voltajes en los terminales. En la siguiente discusión, se utiliza un modelo algebraico simplificado. [9] Las características de los MOSFET modernos son más complejas que el modelo algebraico presentado aquí. [10]
Para un MOSFET de canal n en modo de mejora , los tres modos operativos son:
Cuando V GS < V th :
donde es la polarización puerta-fuente y es el voltaje umbral del dispositivo.
Según el modelo de umbral básico, el transistor está apagado y no hay conducción entre el drenaje y la fuente. Un modelo más preciso considera el efecto de la energía térmica en la distribución de energías electrónicas de Fermi-Dirac , que permite que algunos de los electrones más energéticos en la fuente ingresen al canal y fluyan hacia el drenaje. Esto da como resultado una corriente subumbral que es una función exponencial del voltaje puerta-fuente. Si bien lo ideal es que la corriente entre el drenaje y la fuente sea cero cuando el transistor se utiliza como interruptor de apagado, existe una corriente de inversión débil, a veces llamada fuga subumbral.
En inversión débil donde la fuente está ligada a la masa, la corriente varía exponencialmente como se indica aproximadamente por: [11] [12]
donde = corriente en , la tensión térmica y el factor de pendiente n vienen dados por:
con = capacitancia de la capa de agotamiento y = capacitancia de la capa de óxido. Esta ecuación se utiliza generalmente, pero es sólo una aproximación adecuada para la fuente vinculada al volumen. Para la fuente no ligada al volumen, la ecuación subumbral para la corriente de drenaje en saturación es [13] [14]
En un dispositivo de canal largo, no existe una dependencia del voltaje de drenaje de la corriente una vez , pero a medida que se reduce la longitud del canal, la reducción de la barrera inducida por el drenaje introduce una dependencia del voltaje de drenaje que depende de manera compleja de la geometría del dispositivo (por ejemplo, el dopaje del canal). , el dopaje de unión, etc.). Con frecuencia, el voltaje umbral V th para este modo se define como el voltaje de compuerta al que se produce un valor seleccionado de corriente I D0 , por ejemplo, I D0 = 1 μA, que puede no ser el mismo valor V th utilizado en las ecuaciones para los siguientes modos.
Algunos circuitos analógicos de micropotencia están diseñados para aprovechar la conducción por debajo del umbral. [15] [16] [17] Al trabajar en la región de inversión débil, los MOSFET en estos circuitos ofrecen la relación transconductancia-corriente más alta posible, es decir: casi la de un transistor bipolar. [18]
La curva subumbral I-V depende exponencialmente del voltaje umbral, lo que introduce una fuerte dependencia de cualquier variación de fabricación que afecte el voltaje umbral; por ejemplo: variaciones en el espesor del óxido, la profundidad de la unión o el dopaje del cuerpo que cambian el grado de reducción de la barrera inducida por el drenaje. La sensibilidad resultante a las variaciones de fabricación complica la optimización de las fugas y el rendimiento. [19] [20]
Cuando V GS > V th y V DS < V GS − V th :
El transistor está encendido y se ha creado un canal que permite la corriente entre el drenaje y la fuente. El MOSFET funciona como una resistencia, controlada por el voltaje de la compuerta en relación con los voltajes de fuente y drenaje. La corriente desde el drenaje a la fuente se modela como:
donde es la movilidad efectiva del portador de carga, es el ancho de la puerta, es la longitud de la puerta y es la capacitancia de óxido de la puerta por unidad de área. La transición de la región subumbral exponencial a la región del triodo no es tan marcada como sugieren las ecuaciones. [21] [22] [ verificación necesaria ]
Cuando V GS > V th y V DS ≥ (V GS – V th ):
El interruptor está encendido y se ha creado un canal que permite la corriente entre el drenaje y la fuente. Dado que el voltaje de drenaje es mayor que el voltaje de la fuente, los electrones se dispersan y la conducción no se realiza a través de un canal estrecho sino a través de una distribución de corriente más amplia, bidimensional o tridimensional, que se extiende desde la interfaz y más profundamente en el sustrato. El inicio de esta región también se conoce como pellizco para indicar la falta de una región de canal cerca del drenaje. Aunque el canal no se extiende por toda la longitud del dispositivo, el campo eléctrico entre el drenaje y el canal es muy alto y la conducción continúa. La corriente de drenaje ahora depende débilmente del voltaje de drenaje y está controlada principalmente por el voltaje de la puerta-fuente, y se modela aproximadamente como:
El factor adicional que involucra λ, el parámetro de modulación de la longitud del canal, modela la dependencia actual del voltaje de drenaje debido al efecto temprano , o modulación de la longitud del canal . Según esta ecuación, un parámetro de diseño clave, la transconductancia del MOSFET es:
donde la combinación V ov = V GS − V th se llama voltaje de sobremarcha , [23] y donde V DSsat = V GS − V th representa una pequeña discontinuidad que de otro modo aparecería en la transición entre las regiones de triodo y saturación.
Otro parámetro de diseño clave es la resistencia de salida del MOSFET r dada por:
r out es la inversa de g DS donde . I D es la expresión en la región de saturación.
Si λ se toma como cero, se produce una resistencia de salida infinita del dispositivo que conduce a predicciones de circuito poco realistas, especialmente en circuitos analógicos.
A medida que la longitud del canal se vuelve muy corta, estas ecuaciones se vuelven bastante inexactas. Surgen nuevos efectos físicos. Por ejemplo, el transporte de portadores en el modo activo puede verse limitado por la saturación de velocidad . Cuando domina la saturación de velocidad, la corriente de drenaje de saturación es más lineal que cuadrática en VGS . En longitudes aún más cortas, los transportistas transportan con una dispersión casi nula, lo que se conoce como transporte cuasibalístico . En el régimen balístico, los portadores viajan a una velocidad de inyección que puede exceder la velocidad de saturación y se acerca a la velocidad de Fermi con una alta densidad de carga de inversión. Además, la reducción de la barrera inducida por el drenaje aumenta la corriente fuera del estado (de corte) y requiere un aumento en el voltaje umbral para compensar, lo que a su vez reduce la corriente de saturación. [24] [25] [ se necesita verificación ]
La ocupación de las bandas de energía en un semiconductor está determinada por la posición del nivel de Fermi con respecto a los bordes de las bandas de energía del semiconductor. La aplicación de una polarización inversa de fuente a sustrato de la unión pn del cuerpo de fuente introduce una división entre los niveles de Fermi para electrones y huecos, lo que mueve el nivel de Fermi para el canal más lejos del borde de la banda, lo que reduce la ocupación del canal. El efecto es aumentar el voltaje de puerta necesario para establecer el canal, como se ve en la figura. Este cambio en la intensidad del canal mediante la aplicación de polarización inversa se denomina "efecto cuerpo".
En pocas palabras, usando un ejemplo de nMOS, la polarización de puerta a cuerpo V GB posiciona los niveles de energía de la banda de conducción, mientras que la polarización de fuente a cuerpo V SB posiciona el nivel de Fermi del electrón cerca de la interfaz, decidiendo la ocupación de estos niveles cerca la interfaz y, por tanto, la fuerza de la capa o canal de inversión.
El efecto del cuerpo sobre el canal se puede describir utilizando una modificación del voltaje umbral, aproximado mediante la siguiente ecuación:
donde V TB es el voltaje umbral con polarización del sustrato presente, y V T0 es el valor cero- V SB del voltaje umbral, es el parámetro del efecto corporal y 2 φ B es la caída de potencial aproximada entre la superficie y el volumen a través de la capa de agotamiento cuando V SB = 0 y la polarización de puerta es suficiente para garantizar que haya un canal presente. [26] Como muestra esta ecuación, una polarización inversa V SB > 0 provoca un aumento en el voltaje umbral V TB y, por lo tanto, exige un voltaje de puerta mayor antes de que el canal se complete.
El cuerpo puede funcionar como una segunda puerta y, a veces, se la denomina "puerta trasera"; El efecto del cuerpo a veces se denomina "efecto de puerta trasera". [27]
Se utiliza una variedad de símbolos para el MOSFET. El diseño básico es generalmente una línea para el canal con la fuente y el drenaje, dejándolo en ángulo recto y luego doblándose hacia atrás en ángulo recto en la misma dirección que el canal. A veces se utilizan tres segmentos de línea para el modo de mejora y una línea continua para el modo de agotamiento (ver modos de agotamiento y mejora ). Se traza otra línea paralela al canal de la puerta.
La conexión masiva o corporal , si se muestra, se muestra conectada a la parte posterior del canal con una flecha que indica pMOS o nMOS. Las flechas siempre apuntan de P a N, por lo que un NMOS (canal N en pozo P o sustrato P) tiene la flecha apuntando hacia adentro (desde la masa hasta el canal). Si la masa está conectada a la fuente (como suele ser el caso con dispositivos discretos), a veces se inclina para encontrarse con la fuente que sale del transistor. Si no se muestra la masa (como suele ser el caso en el diseño de circuitos integrados, ya que generalmente son masas comunes), a veces se usa un símbolo de inversión para indicar PMOS; alternativamente, se puede usar una flecha en la fuente de la misma manera que para los transistores bipolares ( afuera para nMOS, adentro para pMOS).
Comparación de símbolos MOSFET en modo de mejora y en modo de agotamiento, junto con símbolos JFET . La orientación de los símbolos (más significativamente la posición de la fuente en relación con el drenaje) es tal que los voltajes más positivos aparecen más altos en la página que los voltajes menos positivos, lo que implica que la corriente convencional fluye "hacia abajo" de la página: [28] [29] [ 30]
En esquemas donde G, S, D no están etiquetados, las características detalladas del símbolo indican qué terminal es la fuente y cuál es el drenaje. Para los símbolos MOSFET en modo de mejora y en modo de agotamiento (en las columnas dos y cinco), el terminal de origen es el que está conectado al triángulo. Además, en este diagrama, la puerta se muestra en forma de "L", cuyo cateto de entrada está más cerca de S que de D, lo que también indica cuál es cuál. Sin embargo, estos símbolos a menudo se dibujan con una puerta en forma de T (como en otras partes de esta página), por lo que se debe confiar en el triángulo para indicar el terminal fuente.
Para los símbolos en los que se muestra el terminal principal o de cuerpo, aquí se muestra conectado internamente a la fuente (es decir, los triángulos negros en los diagramas de las columnas 2 y 5). Esta es una configuración típica, pero de ninguna manera es la única configuración importante. En general, el MOSFET es un dispositivo de cuatro terminales y, en los circuitos integrados, muchos de los MOSFET comparten una conexión de cuerpo, no necesariamente conectada a los terminales fuente de todos los transistores.
Los circuitos integrados digitales , como los microprocesadores y los dispositivos de memoria, contienen de miles a miles de millones de transistores MOSFET integrados en cada dispositivo, lo que proporciona las funciones de conmutación básicas necesarias para implementar puertas lógicas y almacenamiento de datos . Los dispositivos discretos se utilizan ampliamente en aplicaciones como fuentes de alimentación de modo conmutado , variadores de frecuencia variable y otras aplicaciones de electrónica de potencia donde cada dispositivo puede conmutar miles de vatios. Los amplificadores de radiofrecuencia hasta el espectro UHF utilizan transistores MOSFET como amplificadores de potencia y señal analógica. Los sistemas de radio también utilizan MOSFET como osciladores o mezcladores para convertir frecuencias. Los dispositivos MOSFET también se aplican en amplificadores de potencia de audiofrecuencia para sistemas de megafonía, refuerzo de sonido y sistemas de sonido para hogares y automóviles [ cita necesaria ]
Tras el desarrollo de las salas limpias para reducir la contaminación a niveles nunca antes considerados necesarios, y de la fotolitografía [31] y el proceso plano para permitir que los circuitos se realizaran en muy pocos pasos, el sistema Si-SiO 2 poseía el atractivo técnico de su bajo coste. de producción (por circuito) y facilidad de integración. En gran parte debido a estos dos factores, el MOSFET se ha convertido en el tipo de transistor más utilizado en el Instituto de Ingeniería y Tecnología (IET). [ cita necesaria ]
General Microelectronics introdujo el primer circuito integrado MOS comercial en 1964. [32] Además, el método de acoplar dos MOSFET complementarios (canal P y canal N) en un interruptor alto/bajo, conocido como CMOS, significa que los circuitos digitales se disipan muy Poca potencia excepto cuando realmente se enciende.
Los primeros microprocesadores que comenzaron en 1970 fueron todos microprocesadores MOS ; es decir, fabricado enteramente a partir de lógica PMOS o fabricado enteramente a partir de lógica NMOS . En la década de 1970, los microprocesadores MOS a menudo se contrastaban con los microprocesadores CMOS y los procesadores bipolares de corte de bits . [33]
El MOSFET se utiliza en la lógica digital complementaria de semiconductores de óxido metálico ( CMOS ), [34] que utiliza MOSFET de canal p y n como bloques de construcción. El sobrecalentamiento es una preocupación importante en los circuitos integrados, ya que cada vez hay más transistores empaquetados en chips cada vez más pequeños. La lógica CMOS reduce el consumo de energía porque no fluye corriente (idealmente) y, por lo tanto, no se consume energía , excepto cuando se conmutan las entradas a las puertas lógicas . CMOS logra esta reducción de corriente complementando cada nMOSFET con un pMOSFET y conectando ambas compuertas y ambos drenajes. Un alto voltaje en las puertas hará que el nMOSFET conduzca y el pMOSFET no conduzca y un bajo voltaje en las puertas provocará lo contrario. Durante el tiempo de conmutación, a medida que el voltaje pasa de un estado a otro, ambos MOSFET conducirán brevemente. Esta disposición reduce en gran medida el consumo de energía y la generación de calor.
El crecimiento de tecnologías digitales como el microprocesador ha motivado el avance de la tecnología MOSFET más rápido que cualquier otro tipo de transistor basado en silicio. [35] Una gran ventaja de los MOSFET para la conmutación digital es que la capa de óxido entre la puerta y el canal evita que la corriente CC fluya a través de la puerta, lo que reduce aún más el consumo de energía y proporciona una impedancia de entrada muy grande. El óxido aislante entre la puerta y el canal aísla eficazmente un MOSFET en una etapa lógica de las etapas anteriores y posteriores, lo que permite que una única salida MOSFET controle una cantidad considerable de entradas MOSFET. La lógica basada en transistores bipolares (como TTL ) no tiene una capacidad de distribución tan alta. Este aislamiento también hace que sea más fácil para los diseñadores ignorar hasta cierto punto los efectos de carga entre etapas lógicas de forma independiente. Ese grado está definido por la frecuencia de funcionamiento: a medida que aumentan las frecuencias, la impedancia de entrada de los MOSFET disminuye.
Las ventajas del MOSFET en los circuitos digitales no se traducen en supremacía en todos los circuitos analógicos . Los dos tipos de circuito se basan en diferentes características del comportamiento de los transistores. Los circuitos digitales cambian y pasan la mayor parte del tiempo completamente encendidos o completamente apagados. La transición de uno a otro sólo preocupa en cuanto 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). Se prefieren el JFET y el transistor de unión bipolar (BJT) para una coincidencia precisa (de dispositivos adyacentes en circuitos integrados), una mayor transconductancia y ciertas características de temperatura que simplifican el mantenimiento de un 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 puerta cero, impedancia de salida alta y ajustable y robustez mejorada frente a los BJT que pueden degradarse permanentemente rompiendo incluso ligeramente la base del emisor). [ vago ] Las características y el rendimiento de muchos circuitos analógicos se pueden ampliar o reducir cambiando los tamaños (largo y ancho) de los MOSFET utilizados. En comparación, en los transistores bipolares siguen una ley de escala diferente . Las características ideales de los MOSFET con respecto a la corriente de puerta (cero) y el voltaje de compensación de la fuente de drenaje (cero) también los convierten en elementos de conmutación casi ideales y también hacen que los circuitos analógicos de capacitores 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 descontrol térmico como los BJT. [ dudoso ] Esto significa que se pueden fabricar circuitos analógicos completos en un chip de silicio en un espacio mucho más pequeño y con técnicas de fabricación más simples. Los MOSFETS 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 más pequeño. 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 determinada cantidad de energía que un BJT, los procesos de fabricación pueden incorporar BJT y MOSFET en un solo dispositivo. Los dispositivos de transistores mixtos se denominan bi-FET (FET bipolares) si contienen solo un BJT-FET y BiCMOS (bipolar-CMOS) si contienen BJT-FET complementarios. Estos dispositivos tienen las ventajas de puertas aisladas y 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 drenaje y la fuente de un MOSFET se intercambian dependiendo de los voltajes relativos de los electrodos de fuente y drenaje. La fuente es el lado más negativo de un N-MOS o el lado más positivo de un P-MOS. Todos estos interruptores están limitados en cuanto a las señales que pueden pasar o detener según sus voltajes de puerta-fuente, puerta-drenaje y fuente-drenaje; exceder los límites de voltaje, corriente o potencia podría dañar el interruptor.
Este interruptor analógico utiliza un MOSFET simple de cuatro terminales de tipo P o N.
En el caso de un interruptor tipo n, el cuerpo está conectado al suministro más negativo (generalmente GND) y la puerta se usa como control del interruptor. Siempre que el voltaje de la puerta excede el voltaje de la fuente en al menos un voltaje umbral, el MOSFET conduce. Cuanto mayor sea el voltaje, más podrá conducir el MOSFET. Un interruptor N-MOS pasa todos los voltajes menores que V puerta - V tn . Cuando el interruptor está conduciendo, normalmente opera en el modo de operación lineal (u óhmico), ya que los voltajes de fuente y drenaje generalmente serán casi iguales.
En el caso de un P-MOS, el cuerpo está conectado al voltaje más positivo y la puerta se lleva a un potencial más bajo para encender el interruptor. El interruptor P-MOS pasa todos los voltajes superiores a la puerta V - V tp (el voltaje umbral V tp es negativo en el caso del P-MOS en modo de mejora).
Este tipo de conmutador "complementario" o CMOS utiliza un P-MOS y un N-MOS FET para contrarrestar las limitaciones del conmutador de tipo único. Los FET tienen sus drenajes y fuentes conectados en paralelo, el cuerpo del P-MOS está conectado al alto potencial ( V DD ) y el cuerpo del N-MOS está conectado al bajo potencial ( gnd ). Para encender el interruptor, la puerta del P-MOS se lleva al potencial bajo y la puerta 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 VDD − Vtn , el P-MOS conduce solo.
Los límites de voltaje para este interruptor son los límites de voltaje de puerta-fuente, puerta-drenaje y fuente-drenaje para ambos FET. Además, el P-MOS suele ser dos o tres veces más ancho que el N-MOS, por lo que el interruptor estará equilibrado en cuanto a velocidad en las dos direcciones.
Los circuitos de tres estados a veces incorporan un interruptor MOSFET CMOS en su salida para proporcionar una salida de rango completo de baja resistencia cuando está encendida y una señal de nivel medio de alta resistencia cuando está apagada.
El criterio principal para el material de la puerta es que sea un buen conductor . El silicio policristalino altamente dopado es un conductor aceptable, pero ciertamente no ideal, y también adolece de algunas deficiencias técnicas en su papel como material de compuerta estándar. Sin embargo, existen varias razones que favorecen el uso del polisilicio:
Si bien las puertas de polisilicio han sido el estándar de facto durante los últimos veinte años, tienen algunas desventajas que han llevado a su probable reemplazo futuro por puertas de metal. Estas desventajas incluyen:
Las CPU actuales de alto rendimiento utilizan tecnología de puerta metálica, junto con dieléctricos de alto κ , una combinación conocida como puerta metálica de alto κ (HKMG). Las desventajas de las puertas metálicas se solucionan mediante algunas técnicas: [36]
A medida que los dispositivos se hacen más pequeños, las capas aislantes se hacen más delgadas, a menudo mediante pasos de oxidación térmica u oxidación localizada del silicio ( LOCOS ). Para los dispositivos a nanoescala, en algún momento se produce un túnel de los portadores a través del aislante desde el canal hasta el electrodo de puerta. Para reducir la corriente de fuga resultante , el aislante se puede hacer más delgado eligiendo un material con una constante dieléctrica más alta. Para ver cómo se relacionan el espesor y la constante dieléctrica, observe que la ley de Gauss conecta el campo con la carga como:
con Q = densidad de carga, κ = constante dieléctrica, ε 0 = permitividad del espacio vacío y E = campo eléctrico. De esta ley parece que se puede mantener la misma carga en el canal en un campo más bajo siempre que se aumente κ. El voltaje en la puerta está dado por:
con V G = voltaje de compuerta, V ch = voltaje en el lado del canal del aislador y t ins = espesor del aislador. Esta ecuación muestra que el voltaje de la compuerta no aumentará cuando aumente el espesor del aislador, siempre que κ aumente para mantener t ins / κ = constante (consulte el artículo sobre dieléctricos de alto κ para obtener más detalles y la sección de este artículo sobre fugas de óxido de compuerta). ).
El aislante en un MOSFET es un dieléctrico que en cualquier caso puede ser óxido de silicio, formado por LOCOS , pero se emplean muchos otros materiales dieléctricos. El término genérico para el dieléctrico es dieléctrico de puerta, ya que el dieléctrico se encuentra directamente debajo del electrodo de puerta y encima del canal del MOSFET.
Las uniones fuente-cuerpo y drenaje-cuerpo son objeto de mucha atención debido a tres factores principales: su diseño afecta las características corriente-voltaje ( IV ) del dispositivo, reduciendo la resistencia de salida, y también la velocidad del dispositivo a través del efecto de carga de las capacitancias de la unión y, finalmente, el componente de disipación de energía en espera debido a la fuga de la unión.
La reducción de la barrera inducida por el drenaje del voltaje umbral y los efectos de modulación de la longitud del canal sobre las curvas IV se reducen mediante el uso de extensiones de unión poco profundas. Además, se puede utilizar halodopaje , es decir, la adición de regiones muy delgadas fuertemente dopadas del mismo tipo de dopaje que el cuerpo ajustadas contra las paredes de unión para limitar la extensión de las regiones de agotamiento . [37]
Los efectos capacitivos se limitan mediante el uso de geometrías de fuente elevada y drenaje que hacen que la mayor parte del área de contacto bordee un dieléctrico grueso en lugar de silicio. [38]
Estas diversas características del diseño de cruces se muestran (con licencia artística ) en la figura.
Durante las últimas décadas, el tamaño del MOSFET (tal como se utiliza para la lógica digital) se ha ido reduciendo continuamente; Las longitudes típicas de los canales MOSFET alguna vez fueron de varios micrómetros , pero los circuitos integrados modernos están incorporando MOSFET con longitudes de canales de decenas de nanómetros. El trabajo de Robert Dennard sobre la teoría de la escala fue fundamental para reconocer que esta reducción continua era posible. Intel comenzó la producción de un proceso con un tamaño de característica de 32 nm (con el canal aún más corto) a finales de 2009. La industria de los semiconductores mantiene una "hoja de ruta", el ITRS , [39] que marca el ritmo para el desarrollo de MOSFET. Históricamente, las dificultades para disminuir el tamaño del MOSFET se han asociado con el proceso de fabricación de dispositivos semiconductores, la necesidad de utilizar voltajes muy bajos y con un rendimiento eléctrico más deficiente que requiere rediseño e innovación del circuito (los MOSFET pequeños exhiben corrientes de fuga más altas y menor resistencia de salida). ).
Los MOSFET más pequeños son deseables por varias razones. La razón principal para hacer los transistores más pequeños es empaquetar cada vez más dispositivos en un área de chip determinada. Esto da como resultado un chip con la misma funcionalidad en un área más pequeña o chips con más funcionalidad en la misma área. Dado que los costos de fabricación de una oblea semiconductora son relativamente fijos, el costo por circuito integrado está relacionado principalmente con la cantidad de chips que se pueden producir por oblea. Por lo tanto, los circuitos integrados más pequeños permiten más chips por oblea, lo que reduce el precio por chip. De hecho, en los últimos 30 años, el número de transistores por chip se ha duplicado cada 2 o 3 años una vez que se introduce un nuevo nodo tecnológico. Por ejemplo, el número de MOSFET en un microprocesador fabricado con tecnología de 45 nm puede ser el doble que en un chip de 65 nm . Esta duplicación de la densidad del transistor fue observada por primera vez por Gordon Moore en 1965 y comúnmente se la conoce como ley de Moore . [40] También se espera que los transistores más pequeños cambien más rápido. Por ejemplo, un enfoque para la reducción de tamaño es un escalamiento del MOSFET que requiere que todas las dimensiones del dispositivo se reduzcan proporcionalmente. Las principales dimensiones del dispositivo son la longitud del canal, el ancho del canal y el espesor del óxido. Cuando se reducen en factores iguales, la resistencia del canal del transistor no cambia, mientras que la capacitancia de la puerta se reduce en ese factor. Por lo tanto, el retardo RC del transistor escala con un factor similar. Si bien este ha sido tradicionalmente el caso de las tecnologías más antiguas, para los MOSFET de última generación la reducción de las dimensiones del transistor no se traduce necesariamente en una mayor velocidad del chip porque el retraso debido a las interconexiones es más significativo.
Producir MOSFET con longitudes de canal mucho más pequeñas que un micrómetro es un desafío, y las dificultades de la fabricación de dispositivos semiconductores son siempre un factor limitante en el avance de la tecnología de circuitos integrados. Aunque procesos como ALD han mejorado la fabricación de componentes pequeños, el pequeño tamaño del MOSFET (menos de unas pocas decenas de nanómetros) ha creado problemas operativos:
A medida que las geometrías de los MOSFET se reducen, se debe reducir el voltaje que se puede aplicar a la puerta para mantener la confiabilidad. Para mantener el rendimiento, también se debe reducir el voltaje umbral del MOSFET. A medida que se reduce el voltaje umbral, el transistor no se puede cambiar de apagado completo a encendido completo con la oscilación de voltaje limitada disponible; el diseño del circuito es un compromiso entre una corriente fuerte en el caso encendido y una corriente baja en el caso apagado , y la aplicación determina si se favorece una sobre la otra. Las fugas subumbral (incluidas la conducción subumbral, las fugas de óxido de puerta y las fugas de unión con polarización inversa), que se ignoraban en el pasado, ahora pueden consumir más de la mitad del consumo total de energía de los chips VLSI modernos de alto rendimiento. [41] [42]
El óxido de compuerta, que sirve como aislante entre la compuerta y el canal, debe hacerse lo más delgado posible para aumentar la conductividad y el rendimiento del canal cuando el transistor está encendido y para reducir las fugas por debajo del umbral cuando el transistor está apagado. Sin embargo, con los óxidos de puerta actuales con un espesor de alrededor de 1,2 nm (que en el silicio tiene ~5 átomos de espesor), se produce el fenómeno mecánico cuántico de túnel de electrones entre la puerta y el canal, lo que conduce a un mayor consumo de energía. Tradicionalmente se ha utilizado dióxido de silicio como aislante de puerta. Sin embargo, el dióxido de silicio tiene una constante dieléctrica modesta. Aumentar la constante dieléctrica del dieléctrico de la compuerta permite obtener una capa más gruesa mientras se mantiene una capacitancia alta (la capacitancia es proporcional a la constante dieléctrica e inversamente proporcional al espesor dieléctrico). En igualdad de condiciones, un mayor espesor dieléctrico reduce la corriente de túnel cuántico a través del dieléctrico entre la puerta y el canal.
Se están utilizando aisladores que tienen una constante dieléctrica mayor que el dióxido de silicio (denominados dieléctricos de alto κ ), como los silicatos metálicos del grupo IVb, por ejemplo, silicatos y óxidos de hafnio y circonio , para reducir la fuga de compuerta desde el nodo de tecnología de 45 nanómetros en adelante. Por otro lado, la altura de la barrera del nuevo aislador de puerta es una consideración importante; la diferencia en la energía de la banda de conducción entre el semiconductor y el dieléctrico (y la correspondiente diferencia en la energía de la banda de valencia ) también afecta el nivel de corriente de fuga. Para el óxido de puerta tradicional, el dióxido de silicio, la primera barrera es de aproximadamente 8 eV . Para muchos dieléctricos alternativos, el valor es significativamente menor, lo que tiende a aumentar la corriente de túnel, anulando en cierto modo la ventaja de una constante dieléctrica más alta. El voltaje máximo de la puerta-fuente está determinado por la intensidad del campo eléctrico que puede ser sostenido por el dieléctrico de la puerta antes de que ocurra una fuga significativa. A medida que el dieléctrico aislante se vuelve más delgado, la intensidad del campo eléctrico en su interior aumenta para un voltaje fijo. Esto requiere el uso de voltajes más bajos con el dieléctrico más delgado.
Para hacer los dispositivos más pequeños, el diseño de las uniones se ha vuelto más complejo, lo que lleva a mayores niveles de dopaje , uniones menos profundas, dopaje "halo", etc., [43] [44] todo para disminuir la reducción de la barrera inducida por el drenaje (consulte la sección sobre diseño de uniones ). Para mantener estas uniones complejas en su lugar, se deben reducir los pasos de recocido utilizados anteriormente para eliminar daños y defectos eléctricamente activos [45], lo que aumenta las fugas en las uniones. Un dopaje más intenso también se asocia con capas de agotamiento más delgadas y más centros de recombinación que dan como resultado un aumento de la corriente de fuga, incluso sin daños a la red.
Descenso de barrera inducido por drenaje (DIBL) y caída de VT : debido al efecto de canal corto , la formación del canal no la realiza completamente la compuerta, pero ahora el drenaje y la fuente también afectan la formación del canal. A medida que la longitud del canal disminuye, las regiones de agotamiento de la fuente y el drenaje se acercan y hacen que el voltaje umbral ( VT ) sea función de la longitud del canal. Esto se llama reducción de VT . VT también se convierte en función del voltaje de drenaje a fuente VDS . A medida que aumentamos el VDS , las regiones de agotamiento aumentan de tamaño y el VDS agota una cantidad considerable de carga . Luego se reduce el voltaje de compuerta requerido para formar el canal y, por lo tanto, el VT disminuye con un aumento en VDS . Este efecto se denomina reducción de la barrera inducida por el drenaje (DIBL).
Para el funcionamiento analógico, una buena ganancia requiere una alta impedancia de salida del MOSFET, es decir, la corriente del MOSFET debe variar sólo ligeramente con el voltaje aplicado entre drenaje y fuente. A medida que los dispositivos se hacen más pequeños, la influencia del drenaje compite más exitosamente con la de la compuerta debido a la creciente proximidad de estos dos electrodos, aumentando la sensibilidad de la corriente MOSFET al voltaje del drenaje. Para contrarrestar la disminución resultante en la resistencia de salida, los circuitos se hacen más complejos, ya sea requiriendo más dispositivos, por ejemplo, los amplificadores en cascodo y en cascada , o mediante circuitos de retroalimentación que utilizan amplificadores operacionales , por ejemplo, un circuito como el de la figura adyacente.
La transconductancia del MOSFET decide su ganancia y es proporcional a la movilidad del hueco o del electrón (según el tipo de dispositivo), al menos para voltajes de drenaje bajos. A medida que se reduce el tamaño del MOSFET, los campos en el canal aumentan y los niveles de impureza dopante aumentan. Ambos cambios reducen la movilidad del portador y, por tanto, la transconductancia. A medida que las longitudes de los canales se reducen sin una reducción proporcional en el voltaje de drenaje, lo que aumenta el campo eléctrico en el canal, el resultado es la saturación de velocidad de las portadoras, lo que limita la corriente y la transconductancia.
Tradicionalmente, el tiempo de conmutación era aproximadamente proporcional a la capacitancia de las puertas. Sin embargo, a medida que los transistores se vuelven más pequeños y se colocan más transistores en el chip, la capacitancia de interconexión (la capacitancia de las conexiones de la capa metálica entre diferentes partes del chip) se está convirtiendo en un gran porcentaje de la capacitancia. [46] [47] Las señales tienen que viajar a través de la interconexión, lo que genera un mayor retraso y un menor rendimiento.
La densidad cada vez mayor de MOSFET en un circuito integrado crea problemas de generación sustancial de calor localizado que puede afectar el funcionamiento del circuito. Los circuitos funcionan más lentamente a altas temperaturas y tienen una confiabilidad reducida y una vida útil más corta. Actualmente se requieren disipadores de calor y otros dispositivos y métodos de refrigeración para muchos circuitos integrados, incluidos los microprocesadores. Los MOSFET de potencia corren el riesgo de sufrir una fuga térmica . A medida que su resistencia en estado encendido aumenta con la temperatura, si la carga es aproximadamente una carga de corriente constante, la pérdida de energía aumenta en consecuencia, generando más calor. Cuando el disipador de calor no puede mantener la temperatura lo suficientemente baja, la temperatura de la unión puede aumentar rápida e incontrolablemente, lo que resulta en la destrucción del dispositivo.
Con los MOSFET cada vez más pequeños, el número de átomos en el silicio que producen muchas de las propiedades del transistor es cada vez menor, con el resultado de que el control del número y la ubicación de los dopantes es más errático. Durante la fabricación de chips, las variaciones aleatorias del proceso afectan todas las dimensiones del transistor: largo, ancho, profundidad de unión, espesor del óxido, etc. , y se convierten en un porcentaje mayor del tamaño total del transistor a medida que el transistor se encoge. Las características del transistor se vuelven menos seguras, más estadísticas. La naturaleza aleatoria de la fabricación significa que no sabemos qué MOSFET de ejemplo en particular terminará en una instancia particular del circuito. Esta incertidumbre obliga a un diseño menos óptimo porque el diseño debe funcionar para una gran variedad de posibles componentes MOSFET. Consulte variación de procesos , diseño para capacidad de fabricación , ingeniería de confiabilidad y control estadístico de procesos . [48]
Los circuitos integrados modernos se simulan por computadora con el objetivo de obtener circuitos que funcionen desde el primer lote fabricado. A medida que los dispositivos se miniaturizan, la complejidad del procesamiento hace que sea difícil predecir exactamente cómo serán los dispositivos finales, y el modelado de procesos físicos también se vuelve más desafiante. Además, las variaciones microscópicas en la estructura debidas simplemente a la naturaleza probabilística de los procesos atómicos requieren predicciones estadísticas (no sólo deterministas). Estos factores se combinan para dificultar la simulación adecuada y la fabricación "correcta a la primera".
El MOSFET de doble puerta tiene una configuración de tetrodo , donde ambas puertas controlan la corriente en el dispositivo. Se usa comúnmente para dispositivos de pequeña señal en aplicaciones de radiofrecuencia donde polarizar la compuerta del lado del drenaje a potencial constante reduce la pérdida de ganancia causada por el efecto Miller , reemplazando dos transistores separados en la configuración cascodo . Otros usos comunes en los circuitos de RF incluyen control de ganancia y mezcla (conversión de frecuencia). La descripción del tetrodo , aunque precisa, no replica el tetrodo de tubo de vacío. Los tetrodos de tubo de vacío, que utilizan una rejilla de pantalla, exhiben una capacitancia de placa de rejilla mucho menor y una impedancia de salida y ganancias de voltaje mucho mayores que los tubos de vacío de triodo. Estas mejoras suelen ser de un orden de magnitud (10 veces) o considerablemente más. Los transistores tetrodo (ya sean de unión bipolar o de efecto de campo) no presentan mejoras tan importantes.
El FinFET es un dispositivo de silicio sobre aislante de doble puerta , una de varias geometrías que se están introduciendo para mitigar los efectos de los canales cortos y reducir la reducción de la barrera inducida por el drenaje. La aleta se refiere al canal estrecho entre la fuente y el drenaje. Una fina capa aislante de óxido a cada lado de la aleta la separa de la puerta. Los FinFET SOI con un óxido grueso en la parte superior de la aleta se denominan FinFET de doble puerta y aquellos con un óxido fino tanto en la parte superior como en los lados se denominan FinFET de triple puerta . [49] [50]
Existen dispositivos MOSFET en modo de agotamiento , que se utilizan con menos frecuencia que los dispositivos en modo de mejora estándar ya descritos. Estos son dispositivos MOSFET que están dopados para que exista un canal incluso con voltaje cero desde la puerta a la fuente. Para controlar el canal, se aplica un voltaje negativo a la puerta (para un dispositivo de canal n), agotando el canal, lo que reduce el flujo de corriente a través del dispositivo. En esencia, el dispositivo en modo de agotamiento es equivalente a un interruptor normalmente cerrado (encendido), mientras que el dispositivo en modo de mejora es equivalente a un interruptor normalmente abierto (apagado). [51]
Debido a su baja figura de ruido en la región de RF y a su mejor ganancia , estos dispositivos suelen preferirse a los bipolares en las interfaces de RF , como los televisores .
Las familias de MOSFET en modo de agotamiento incluyen el BF960 de Siemens y Telefunken , y el BF980 en la década de 1980 de Philips (que más tarde se convertiría en NXP Semiconductors ), cuyos derivados todavía se utilizan en los front-end de mezcladores AGC y RF .
Transistor de efecto de campo, aislante metálico y semiconductor, [52] [53] [54] o MISFET , es un término más general que MOSFET y sinónimo de transistor de efecto de campo de puerta aislada (IGFET). Todos los MOSFET son MISFET, pero no todos los MISFET son MOSFET.
El aislante dieléctrico de compuerta en un MISFET es un óxido de sustrato (por lo tanto, típicamente dióxido de silicio ) en un MOSFET, pero también se pueden emplear otros materiales. El dieléctrico de puerta se encuentra directamente debajo del electrodo de puerta y encima del canal del MISFET. El término metal se utiliza históricamente para referirse al material de la puerta, aunque ahora suele ser polisilicio altamente dopado o algún otro no metálico .
Los tipos de aislantes pueden ser:
Para dispositivos con igual capacidad de conducción de corriente, los MOSFET de canal n se pueden hacer más pequeños que los MOSFET de canal p, debido a que los portadores de carga de canal p ( agujeros ) tienen menor movilidad que los portadores de carga de canal n ( electrones ) y producen solo uno. El tipo de MOSFET sobre un sustrato de silicio es más barato y técnicamente más sencillo. Estos fueron los principios rectores en el diseño de la lógica NMOS que utiliza exclusivamente MOSFET de canal n. Sin embargo, al ignorar la corriente de fuga , a diferencia de la lógica CMOS, la lógica NMOS consume energía incluso cuando no se produce ninguna conmutación. Con los avances tecnológicos, la lógica CMOS desplazó a la lógica NMOS a mediados de la década de 1980 para convertirse en el proceso preferido para los chips digitales.
Los MOSFET de potencia tienen una estructura diferente. [56] Como ocurre con la mayoría de los dispositivos eléctricos, la estructura es vertical y no plana. Usando una estructura vertical, es posible que el transistor sostenga tanto un alto voltaje de bloqueo como una alta corriente. La tensión nominal del transistor es una función del dopaje y el grosor de la capa N- epitaxial (ver sección transversal), mientras que la corriente nominal es una función del ancho del canal (cuanto más ancho es el canal, mayor es la corriente). En una estructura plana, las clasificaciones de corriente y tensión de ruptura son función de las dimensiones del canal (respectivamente ancho y largo del canal), lo que resulta en un uso ineficiente del "estado de silicio". Con la estructura vertical, el área del componente es aproximadamente proporcional a la corriente que puede soportar, y el espesor del componente (en realidad, el espesor de la capa N-epitaxial) es proporcional al voltaje de ruptura. [57]
Los MOSFET de potencia con estructura lateral se utilizan principalmente en amplificadores de audio de alta gama y sistemas de megafonía de alta potencia. Su ventaja es un mejor comportamiento en la región saturada (correspondiente a la región lineal de un transistor bipolar) que los MOSFET verticales. Los MOSFET verticales están diseñados para aplicaciones de conmutación. [58]
Hay LDMOS (semiconductor de óxido metálico de doble difusión lateral) y VDMOS (semiconductor de óxido metálico de doble difusión vertical). La mayoría de los MOSFET de potencia se fabrican con esta tecnología.
Los circuitos electrónicos semiconductores submicrométricos y nanométricos son la principal preocupación para operar dentro de la tolerancia normal en entornos de radiación hostiles como el espacio exterior . Uno de los enfoques de diseño para fabricar un dispositivo endurecido por radiación (RHBD) es el transistor de diseño cerrado (ELT). Normalmente, la compuerta del MOSFET rodea el drenaje, que se coloca en el centro del ELT. La fuente del MOSFET rodea la puerta. Otro MOSFET RHBD se llama H-Gate. Ambos transistores tienen corrientes de fuga muy bajas con respecto a la radiación. Sin embargo, son de gran tamaño y ocupan más espacio en silicio que un MOSFET estándar. En diseños antiguos de STI (aislamiento de zanjas poco profundas), los impactos de radiación cerca de la región de óxido de silicio provocan la inversión del canal en las esquinas del MOSFET estándar debido a la acumulación de cargas atrapadas inducidas por la radiación. Si las cargas son lo suficientemente grandes, las cargas acumuladas afectan los bordes de la superficie STI a lo largo del canal cerca de la interfaz del canal (puerta) del MOSFET estándar. Esto hace que se produzca una inversión del canal del dispositivo a lo largo de los bordes del canal, creando una ruta de fuga fuera de estado. Posteriormente, el dispositivo se enciende; este proceso degrada gravemente la fiabilidad de los circuitos. El ELT ofrece muchas ventajas, incluida una mejora de la confiabilidad al reducir la inversión superficial no deseada en los bordes de la puerta que ocurre en el MOSFET estándar. Dado que los bordes de la puerta están encerrados en ELT, no hay borde de óxido de la puerta (STI en la interfaz de la puerta) y, por lo tanto, la fuga en estado apagado del transistor se reduce mucho. Los circuitos microelectrónicos de baja potencia, incluidos ordenadores, dispositivos de comunicación y sistemas de vigilancia en transbordadores espaciales y satélites, son muy diferentes de los que se utilizan en la Tierra. Son circuitos tolerantes a la radiación (partículas atómicas de alta velocidad como protones y neutrones , disipación de energía magnética de llamaradas solares en el espacio de la Tierra, rayos cósmicos energéticos como rayos X , rayos gamma , etc.). Estos componentes electrónicos especiales se diseñan aplicando diferentes técnicas utilizando MOSFET RHBD para garantizar viajes espaciales seguros y paseos espaciales seguros de los astronautas.
![{\displaystyle I_{\text{D}}={\frac {\mu _ {n}C_{\text{ox}}}{2}}{\frac {W}{L}}\left[V_{ \text{GS}}-V_{\text{th}}\right]^{2}\left[1+\lambda V_{\text{DS}}\right].}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ab6146f7030866326fffec031884078923b27b02)
