El transistor de efecto de campo ( FET ) es un tipo de transistor que utiliza un campo eléctrico para controlar el flujo de corriente en un semiconductor . Viene en dos tipos: FET de unión (JFET) y FET semiconductor de óxido metálico (MOSFET). Los FET tienen tres terminales: fuente , puerta y drenaje . Los FET controlan el flujo de corriente mediante la aplicación de un voltaje a la compuerta, que a su vez altera la conductividad entre el drenaje y la fuente.
Los FET también se conocen como transistores unipolares, ya que implican un funcionamiento de tipo portador único. Es decir, los FET utilizan electrones (canal n) o huecos (canal p) como portadores de carga en su funcionamiento, pero no ambos. Existen muchos tipos diferentes de transistores de efecto de campo. Los transistores de efecto de campo generalmente muestran una impedancia de entrada muy alta a bajas frecuencias. El transistor de efecto de campo más utilizado es el MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico).
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El concepto de transistor de efecto de campo (FET) fue patentado por primera vez por el físico austrohúngaro Julius Edgar Lilienfeld en 1925 [1] y por Oskar Heil en 1934, pero no pudieron construir un dispositivo semiconductor práctico basado en el concepto. El efecto transistor fue observado y explicado más tarde por John Bardeen y Walter Houser Brattain mientras trabajaban con William Shockley en Bell Labs en 1947, poco después de que expirara la patente de 17 años. Shockley inicialmente intentó construir un FET funcional intentando modular la conductividad de un semiconductor , pero no tuvo éxito, principalmente debido a problemas con los estados de la superficie , el enlace colgante y los materiales compuestos de germanio y cobre . En el intento de comprender las misteriosas razones detrás de su fracaso en construir un FET que funcionara, esto llevó a Bardeen y Brattain a inventar el transistor de contacto puntual en 1947, al que siguió el transistor de unión bipolar de Shockley en 1948. [2] [ 3]
El primer dispositivo FET que se construyó con éxito fue el transistor de efecto de campo de unión (JFET). [2] Un JFET fue patentado por primera vez por Heinrich Welker en 1945. [4] El transistor de inducción estática (SIT), un tipo de JFET con un canal corto, fue inventado por los ingenieros japoneses Jun-ichi Nishizawa e Y. Watanabe en 1950. Siguiendo el tratamiento teórico de Shockley sobre el JFET en 1952, George C. Dacey e Ian M. Ross construyeron un JFET práctico en 1953. [5] Sin embargo, el JFET todavía tenía problemas que afectaban a los transistores de unión en general. [6] Los transistores de unión eran dispositivos relativamente voluminosos que eran difíciles de fabricar en masa , lo que los limitaba a una serie de aplicaciones especializadas. Se teorizó que el transistor de efecto de campo de puerta aislada (IGFET) era una alternativa potencial a los transistores de unión, pero los investigadores no pudieron construir IGFET que funcionaran, en gran parte debido a la problemática barrera del estado de la superficie que impedía que el campo eléctrico externo penetrara en el material. [6] A mediados de la década de 1950, los investigadores habían abandonado en gran medida el concepto FET y, en cambio, se centraron en la tecnología de transistores de unión bipolar (BJT). [7]
Las bases de la tecnología MOSFET fueron establecidas por el trabajo de William Shockley , John Bardeen y Walter Brattain . Shockley imaginó de forma independiente el concepto FET en 1945, pero no pudo construir un dispositivo que funcionara. El año siguiente, Bardeen explicó su fracaso en términos de estados superficiales . Bardeen aplicó la teoría de los estados superficiales en semiconductores (el trabajo anterior sobre estados superficiales fue realizado por Shockley en 1939 e Igor Tamm en 1932) y se dio cuenta de que el campo externo estaba bloqueado en la superficie debido a los electrones adicionales que son atraídos hacia la superficie del semiconductor. Los electrones quedan atrapados en esos estados localizados formando una capa de inversión. La hipótesis de Bardeen marcó el nacimiento de la física de superficies . Luego, Bardeen decidió utilizar una capa de inversión en lugar de la capa muy delgada de semiconductor que Shockley había imaginado en sus diseños FET. Basándose en su teoría, en 1948 Bardeen patentó el progenitor del MOSFET, un FET de puerta aislada (IGFET) con una capa de inversión. La capa de inversión confina el flujo de portadores minoritarios, aumentando la modulación y la conductividad, aunque su transporte de electrones depende del aislante de la puerta o de la calidad del óxido, si se utiliza como aislante, depositado sobre la capa de inversión. La patente de Bardeen y el concepto de capa de inversión constituyen la base de la tecnología CMOS actual. En 1976, Shockley describió la hipótesis del estado superficial de Bardeen "como una de las ideas de investigación más importantes en el programa de semiconductores". [8]
Después de la teoría de los estados superficiales de Bardeen, el trío intentó superar el efecto de los estados superficiales. A finales de 1947, Robert Gibney y Brattain sugirieron el uso de electrolitos colocados entre el metal y el semiconductor para superar los efectos de los estados superficiales. Su dispositivo FET funcionó, pero la amplificación fue deficiente. Bardeen fue más allá y sugirió centrarse más bien en la conductividad de la capa de inversión. Otros experimentos los llevaron a reemplazar el electrolito con una capa de óxido sólido con la esperanza de obtener mejores resultados. Su objetivo era penetrar la capa de óxido y llegar a la capa de inversión. Sin embargo, Bardeen sugirió que cambiaran del silicio al germanio y en el proceso su óxido se eliminó sin darse cuenta. Se toparon con un transistor completamente diferente: el transistor de contacto puntual . Lillian Hoddeson sostiene que "si Brattain y Bardeen hubieran estado trabajando con silicio en lugar de germanio, habrían tropezado con un transistor de efecto de campo exitoso". [8] [9] [10] [11] [12]
A finales de la primera mitad de la década de 1950, tras el trabajo teórico y experimental de Bardeen, Brattain, Kingston, Morrison y otros, quedó más claro que había dos tipos de estados superficiales. Se encontró que los estados superficiales rápidos estaban asociados con el volumen y una interfaz semiconductor/óxido. Se descubrió que los estados superficiales lentos estaban asociados con la capa de óxido debido a la adsorción de átomos, moléculas e iones por el óxido del ambiente. Se descubrió que estos últimos eran mucho más numerosos y tenían tiempos de relajación mucho más prolongados . En aquella época, Philo Farnsworth y otros idearon varios métodos para producir superficies semiconductoras atómicamente limpias.
En 1955, Carl Frosch y Lincoln Derrick cubrieron accidentalmente la superficie de una oblea de silicio con una capa de dióxido de silicio . Demostraron que la capa de óxido impedía que ciertos dopantes entraran en la oblea de silicio, mientras permitía la entrada de otros, descubriendo así el efecto pasivador de la oxidación en la superficie del semiconductor. Su trabajo posterior demostró cómo grabar pequeñas aberturas en la capa de óxido para difundir dopantes en áreas seleccionadas de la oblea de silicio. En 1957, publicaron un artículo de investigación y patentaron su técnica, resumiendo su trabajo. La técnica que desarrollaron se conoce como enmascaramiento por difusión de óxido, que luego se utilizaría en la fabricación de dispositivos MOSFET. En Bell Labs, se comprendió inmediatamente la importancia de la técnica de Frosch. Los resultados de su trabajo circularon por los Laboratorios Bell en forma de memorandos BTL antes de ser publicados en 1957. En Shockley Semiconductor , Shockley había hecho circular la preimpresión de su artículo en diciembre de 1956 a todo su personal superior, incluido Jean Hoerni . [6] [13] [14]
En 1955, Ian Munro Ross presentó una patente para FeFET o MFSFET. Su estructura era como la de un MOSFET de canal de inversión moderno, pero se utilizó material ferroeléctrico como dieléctrico/aislante en lugar de óxido. Lo imaginó como una forma de memoria, años antes de la puerta flotante MOSFET . En febrero de 1957, John Wallmark presentó una patente para FET en el que se utilizaba monóxido de germanio como dieléctrico de puerta, pero no siguió adelante con la idea. En su otra patente presentada el mismo año describió un FET de doble puerta . En marzo de 1957, en su cuaderno de laboratorio, Ernesto Labate, un científico investigador de los Laboratorios Bell , concibió un dispositivo similar al MOSFET propuesto posteriormente, aunque el dispositivo de Labate no utilizaba explícitamente dióxido de silicio como aislante. [15] [16] [17] [18]
Un gran avance en la investigación de FET se produjo con el trabajo del ingeniero egipcio Mohamed Atalla a finales de los años cincuenta. [3] En 1958 presentó un trabajo experimental que demostraba que el crecimiento de óxido de silicio fino sobre una superficie de silicio limpia conduce a la neutralización de los estados de la superficie. Esto se conoce como pasivación de superficies , un método que se volvió fundamental para la industria de los semiconductores, ya que hizo posible la producción en masa de circuitos integrados de silicio . [19] [20]
El transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET) fue inventado por Mohamed Atalla y Dawon Kahng en 1959. [21] [22] El MOSFET reemplazó en gran medida tanto al transistor bipolar como al JFET, [2] y tuvo una profunda efecto sobre el desarrollo electrónico digital . [23] [22] Con su alta escalabilidad , [24] y un consumo de energía mucho menor y mayor densidad que los transistores de unión bipolar, [25] el MOSFET hizo posible construir circuitos integrados de alta densidad . [26] El MOSFET también es capaz de manejar mayor potencia que el JFET. [27] El MOSFET fue el primer transistor verdaderamente compacto que pudo miniaturizarse y producirse en masa para una amplia gama de usos. [6] El MOSFET se convirtió así en el tipo de transistor más común en computadoras, electrónica, [20] y tecnología de las comunicaciones (como los teléfonos inteligentes ). [28] La Oficina de Patentes y Marcas de Estados Unidos lo llama una "invención innovadora que transformó la vida y la cultura en todo el mundo". [28]
CMOS (MOS complementario), un proceso de fabricación de dispositivos semiconductores para MOSFET, fue desarrollado por Chih-Tang Sah y Frank Wanlass en Fairchild Semiconductor en 1963. [29] [30] El primer informe de un MOSFET de puerta flotante fue realizado por Dawon Kahng y Simon Sze en 1967. [31] Los investigadores del Laboratorio Electrotécnico Toshihiro Sekigawa y Yutaka Hayashi demostraron por primera vez un MOSFET de doble puerta en 1984. [32] [33] FinFET (transistor de efecto de campo de aletas), un tipo de MOSFET de múltiples puertas no plano 3D , se originó a partir de la investigación de Digh Hisamoto y su equipo en el Laboratorio Central de Investigación de Hitachi en 1989. [34] [35 ]
Los FET pueden ser dispositivos con portadores de carga mayoritarios, en los que la corriente es transportada predominantemente por portadores mayoritarios, o dispositivos con portadores de carga minoritarios, en los que la corriente se debe principalmente a un flujo de portadores minoritarios. [36] El dispositivo consta de un canal activo a través del cual los portadores de carga, electrones o huecos , fluyen desde la fuente hasta el drenaje. Los conductores de los terminales de fuente y drenaje están conectados al semiconductor a través de contactos óhmicos . La conductividad del canal es función del potencial aplicado a través de los terminales de puerta y fuente.
Las tres terminales del FET son: [37]
Todos los FET tienen terminales de fuente , drenaje y compuerta que corresponden aproximadamente al emisor , colector y base de los BJT . La mayoría de los FET tienen un cuarto terminal llamado cuerpo , base , masa o sustrato . Este cuarto terminal sirve para polarizar el transistor y ponerlo en funcionamiento; Es raro hacer un uso no trivial del terminal del cuerpo en los diseños de circuitos, pero su presencia es importante al configurar el diseño físico de un circuito integrado . El tamaño de la compuerta, longitud L en el diagrama, es la distancia entre la fuente y el drenaje. El ancho es la extensión del transistor, en la dirección perpendicular a la sección transversal en el diagrama (es decir, dentro/fuera de la pantalla). Normalmente, el ancho es mucho mayor que el largo de la puerta. Una longitud de puerta de 1 µm limita la frecuencia superior a aproximadamente 5 GHz, de 0,2 µm a aproximadamente 30 GHz.
Los nombres de los terminales hacen referencia a sus funciones. Se puede considerar que el terminal de puerta controla la apertura y el cierre de una puerta física. Esta puerta permite que los electrones fluyan o bloquea su paso creando o eliminando un canal entre la fuente y el drenaje. El flujo de electrones desde el terminal de fuente hacia el terminal de drenaje está influenciado por un voltaje aplicado. El cuerpo simplemente se refiere a la mayor parte del semiconductor en el que se encuentran la puerta, la fuente y el drenaje. Por lo general, el terminal de la carrocería está conectado al voltaje más alto o más bajo dentro del circuito, según el tipo de FET. El terminal del cuerpo y el terminal de la fuente a veces están conectados entre sí, ya que la fuente a menudo está conectada al voltaje más alto o más bajo dentro del circuito, aunque existen varios usos de FET que no tienen dicha configuración, como puertas de transmisión y circuitos en cascodo .
A diferencia de los BJT, la gran mayoría de los FET son eléctricamente simétricos. De este modo, los terminales de fuente y drenaje se pueden intercambiar en circuitos prácticos sin cambios en las características operativas o la función. Esto puede resultar confuso cuando los FET parecen estar conectados "al revés" en diagramas y circuitos esquemáticos porque la orientación física del FET se decidió por otras razones, como consideraciones de diseño del circuito impreso.
El FET controla el flujo de electrones (o huecos de electrones ) desde la fuente hasta el drenaje al afectar el tamaño y la forma de un "canal conductor" creado e influenciado por el voltaje (o falta de voltaje) aplicado a través de la puerta y los terminales de la fuente. (Para simplificar, esta discusión supone que el cuerpo y la fuente están conectados). Este canal conductor es la "corriente" a través de la cual los electrones fluyen desde la fuente hasta el drenaje.
En un dispositivo de "modo de agotamiento" de canal n , un voltaje negativo de puerta a fuente hace que una región de agotamiento se expanda en ancho e invada el canal desde los lados, estrechando el canal. Si la región activa se expande para cerrar completamente el canal, la resistencia del canal desde la fuente hasta el drenaje se vuelve grande y el FET se apaga efectivamente como un interruptor (consulte la figura de la derecha, cuando hay una corriente muy pequeña). Esto se llama "pellizco" y el voltaje al que ocurre se llama "voltaje de pellizco". Por el contrario, un voltaje positivo entre puerta y fuente aumenta el tamaño del canal y permite que los electrones fluyan fácilmente (consulte la figura de la derecha, cuando hay un canal de conducción y la corriente es grande).
En un dispositivo de "modo de mejora" de canal n, no existe naturalmente un canal conductor dentro del transistor, y es necesario un voltaje positivo de puerta a fuente para crear uno. El voltaje positivo atrae electrones que flotan libremente dentro del cuerpo hacia la puerta, formando un canal conductor. Pero primero, se deben atraer suficientes electrones cerca de la puerta para contrarrestar los iones dopantes agregados al cuerpo del FET; esto forma una región sin operadores de telefonía móvil llamada región de agotamiento , y el voltaje al que esto ocurre se conoce como voltaje umbral del FET. Un mayor aumento del voltaje entre la puerta y la fuente atraerá aún más electrones hacia la puerta, lo que podrá crear un canal activo desde la fuente hasta el drenaje; este proceso se llama inversión .
En un dispositivo de "modo de agotamiento" de canal p , un voltaje positivo desde la puerta al cuerpo amplía la capa de agotamiento al forzar a los electrones a ir a la interfaz puerta-aislante/semiconductor, dejando expuesta una región libre de portadores de iones aceptores inmóviles y cargados positivamente.
Por el contrario, en un dispositivo de "modo de mejora" de canal p, no existe una región conductora y se debe utilizar voltaje negativo para generar un canal de conducción.
Para dispositivos en modo de mejora o de agotamiento, con voltajes de drenaje a fuente mucho menores que los voltajes de puerta a fuente, cambiar el voltaje de la puerta alterará la resistencia del canal y la corriente de drenaje será proporcional al voltaje de drenaje (con referencia a la fuente). Voltaje). En este modo, el FET funciona como una resistencia variable y se dice que el FET funciona en modo lineal o en modo óhmico. [38] [39]
Si se aumenta el voltaje drenaje-fuente, esto crea un cambio asimétrico significativo en la forma del canal debido a un gradiente de potencial de voltaje desde la fuente al drenaje. La forma de la región de inversión se "pellizca" cerca del extremo de drenaje del canal. Si el voltaje drenaje-fuente aumenta aún más, el punto de pellizco del canal comienza a alejarse del drenaje hacia la fuente. Se dice que el FET está en modo de saturación ; [40] aunque algunos autores se refieren a él como modo activo , para una mejor analogía con las regiones operativas del transistor bipolar. [41] [42]El modo de saturación, o la región entre óhmica y saturación, se utiliza cuando se necesita amplificación. A veces se considera que la región intermedia es parte de la región óhmica o lineal, incluso cuando la corriente de drenaje no es aproximadamente lineal con el voltaje de drenaje.
Aunque el canal conductor formado por el voltaje de la puerta a la fuente ya no conecta la fuente al drenaje durante el modo de saturación, los portadores no quedan bloqueados para que no fluyan. Considerando nuevamente un dispositivo en modo de mejora de canal n, existe una región de agotamiento en el cuerpo de tipo p, que rodea el canal conductor y las regiones de drenaje y fuente. Los electrones que componen el canal son libres de salir del canal a través de la región de agotamiento si son atraídos al drenaje por el voltaje drenaje-fuente. La región de agotamiento está libre de portadores y tiene una resistencia similar a la del silicio . Cualquier aumento del voltaje drenaje-fuente aumentará la distancia desde el drenaje hasta el punto de pellizco, aumentando la resistencia de la región de agotamiento en proporción al voltaje drenaje-fuente aplicado. Este cambio proporcional hace que la corriente drenaje-fuente permanezca relativamente fija, independientemente de los cambios en el voltaje drenaje-fuente, a diferencia de su comportamiento óhmico en el modo de operación lineal. Por lo tanto, en modo de saturación, el FET se comporta como una fuente de corriente constante en lugar de como una resistencia, y puede usarse efectivamente como un amplificador de voltaje. En este caso, el voltaje puerta-fuente determina el nivel de corriente constante a través del canal.
Los FET se pueden construir a partir de varios semiconductores, de los cuales el silicio es, con diferencia, el más común. La mayoría de los FET se fabrican mediante técnicas convencionales de procesamiento de semiconductores a granel , utilizando una oblea semiconductora de cristal único como región o canal activo.
Entre los materiales corporales más inusuales se encuentran el silicio amorfo , el silicio policristalino u otros semiconductores amorfos en transistores de película delgada o transistores orgánicos de efecto de campo (OFET) que se basan en semiconductores orgánicos ; A menudo, los electrodos y aisladores de compuerta OFET también están hechos de materiales orgánicos. Estos FET se fabrican utilizando una variedad de materiales como carburo de silicio (SiC), arseniuro de galio (GaAs), nitruro de galio (GaN) y arseniuro de indio y galio (InGaAs).
En junio de 2011, IBM anunció que había utilizado con éxito FET basados en grafeno en un circuito integrado . [43] [44] Estos transistores son capaces de alcanzar una frecuencia de corte de aproximadamente 2,23 GHz, mucho más alta que los FET de silicio estándar. [45]
El canal de un FET está dopado para producir un semiconductor de tipo n o un semiconductor de tipo p. El drenaje y la fuente pueden estar dopados de tipo opuesto al canal, en el caso de FET en modo de mejora, o dopados de tipo similar al canal como en los FET en modo de agotamiento. Los transistores de efecto de campo también se distinguen por el método de aislamiento entre el canal y la puerta. Los tipos de FET incluyen:
Los transistores de efecto de campo tienen una alta resistencia a la corriente de puerta a drenaje, del orden de 100 MΩ o más, lo que proporciona un alto grado de aislamiento entre el control y el flujo. Debido a que el ruido de la corriente base aumentará con el tiempo de conformación [ se necesita aclaración ] , [57] un FET generalmente produce menos ruido que un transistor de unión bipolar (BJT) y se encuentra en dispositivos electrónicos sensibles al ruido, como sintonizadores y amplificadores de bajo ruido para VHF. y receptores de satélite. No muestra voltaje de compensación con corriente de drenaje cero y es un excelente cortador de señal. Por lo general, tiene una mejor estabilidad térmica que un BJT. [37]
Debido a que los FET están controlados por la carga de la puerta, una vez que la puerta está cerrada o abierta, no hay consumo de energía adicional, como ocurriría con un transistor de unión bipolar o con relés sin enclavamiento en algunos estados. Esto permite una conmutación de potencia extremadamente baja, lo que a su vez permite una mayor miniaturización de los circuitos porque las necesidades de disipación de calor se reducen en comparación con otros tipos de interruptores.
Un transistor de efecto de campo tiene un producto ganancia-ancho de banda relativamente bajo en comparación con un transistor de unión bipolar. Los MOSFET son muy susceptibles a voltajes de sobrecarga, por lo que requieren un manejo especial durante la instalación. [58] La frágil capa aislante del MOSFET entre la puerta y el canal lo hace vulnerable a descargas electrostáticas o cambios en el voltaje umbral durante la manipulación. Esto no suele ser un problema una vez que el dispositivo se ha instalado en un circuito diseñado correctamente.
Los FET suelen tener una resistencia de "encendido" muy baja y una resistencia de "apagado" alta. Sin embargo, las resistencias intermedias son significativas y, por lo tanto, los FET pueden disipar grandes cantidades de energía durante la conmutación. Por lo tanto, la eficiencia puede dar prioridad a la conmutación rápida, pero esto puede causar transitorios que pueden excitar inductancias parásitas y generar voltajes significativos que pueden acoplarse a la puerta y provocar una conmutación involuntaria. Por lo tanto, los circuitos FET pueden requerir un diseño muy cuidadoso y pueden implicar cambios entre la velocidad de conmutación y la disipación de potencia. También existe un equilibrio entre la clasificación de voltaje y la resistencia "encendido", por lo que los FET de alto voltaje tienen una resistencia "encendido" relativamente alta y, por lo tanto, pérdidas de conducción. [59]
Los transistores de efecto de campo son relativamente robustos, especialmente cuando funcionan dentro de las limitaciones eléctricas y de temperatura definidas por el fabricante ( reducción de potencia adecuada ). Sin embargo, los dispositivos FET modernos a menudo pueden incorporar un diodo corporal . Si no se tienen en cuenta las características del diodo del cuerpo, el FET puede experimentar un comportamiento lento del diodo del cuerpo, donde un transistor parásito se encenderá y permitirá que se extraiga una corriente alta desde el drenaje hasta la fuente cuando el FET esté apagado. [60]
El FET más utilizado es el MOSFET . La tecnología de proceso CMOS (semiconductor de óxido metálico complementario) es la base de los circuitos integrados digitales modernos . Esta tecnología de proceso utiliza una disposición en la que el MOSFET de canal p (generalmente "modo de mejora") y el MOSFET de canal n están conectados en serie de manera que cuando uno está encendido, el otro está apagado.
En los FET, los electrones pueden fluir en cualquier dirección a través del canal cuando se operan en modo lineal. La convención de nomenclatura de terminal de drenaje y terminal de fuente es algo arbitraria, ya que los dispositivos generalmente (pero no siempre) se construyen simétricos desde la fuente hasta el drenaje. Esto hace que los FET sean adecuados para conmutar señales analógicas entre rutas ( multiplexación ). Con este concepto se puede construir , por ejemplo, una mesa de mezclas de estado sólido . FET se utiliza comúnmente como amplificador. Por ejemplo, debido a su gran resistencia de entrada y baja resistencia de salida, es eficaz como amortiguador en una configuración de drenaje común (seguidor de fuente).
Los IGBT se utilizan para conmutar bobinas de encendido de motores de combustión interna, donde las capacidades de conmutación rápida y bloqueo de voltaje son importantes.
Los transistores controlados por fuente son más resistentes a los problemas medioambientales y de fabricación en la electrónica de gran superficie, como las pantallas de visualización, pero su funcionamiento es más lento que los FET. [61]
