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Vista en sección transversal de un transistor de efecto de campo, que muestra terminales de fuente , compuerta y drenaje

El transistor de efecto de campo ( FET ) es un tipo de transistor que usa un campo eléctrico para controlar el flujo de corriente . Los FET son dispositivos con tres terminales: fuente , puerta y drenaje . Los FET controlan el flujo de corriente mediante la aplicación de un voltaje a la puerta, que a su vez altera la conductividad entre el drenaje y la fuente.

Los FET también se conocen como transistores unipolares, ya que implican una operación de tipo portadora única. Es decir, los FET utilizan electrones o huecos 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).

Historia [ editar ]

Más información: Historia del transistor
Julius Edgar Lilienfeld propuso el concepto de transistor de efecto de campo en 1925.

El concepto de un 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 del 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, tratando de 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 curso de tratar de comprender las misteriosas razones detrás de su fracaso para construir un FET funcional, esto llevó a Bardeen y Brattain a inventar el transistor de contacto de punto 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 F. Dacey e Ian M. Ross construyeron un JFET práctico y funcional 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 sobre una base de producción en masa , lo que los limitaba a una serie de aplicaciones especializadas. El transistor de efecto de campo de puerta aislada (IGFET) se teorizó como una alternativa potencial a los transistores de unión, pero los investigadores no pudieron construir IGFET funcionales, 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 habían centrado 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. Al año siguiente, Bardeen explicó su fracaso en términos de estados superficiales . Bardeen aplicó la teoría de los estados de la superficie en los semiconductores (Shockley en 1939 e Igor Tamm en 1932 hicieron un trabajo previo sobre los estados de la superficie ) y se dio cuenta de que el campo externo estaba bloqueado en la superficie debido a los electrones extra que se atraen a la superficie del semiconductor. Los electrones quedan atrapados en esos estados localizados formando una capa de inversión. La hipótesis de Bardeen marcó el nacimiento defísica de superficies . Luego, Bardeen decidió hacer uso de una capa de inversión en lugar de la capa muy delgada de semiconductor que Shockley había imaginado en sus diseños FET. Basado en su teoría, en 1948 Bardeen patentó el progenitor de 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 usa como aislante, depositado sobre la capa de inversión. La patente de Bardeen, así como el concepto de una capa de inversión, forman la base de la tecnología CMOS actual. En 1976, Shockley describió la hipótesis del estado de superficie de Bardeen "como una de las ideas de investigación más importantes en el programa de semiconductores". [8]

Después de la teoría del estado de superficie de Bardeen, el trío intentó superar el efecto de los estados de superficie. A finales de 1947, Robert Gibney y Brattain sugirieron el uso de electrolito colocado entre el metal y el semiconductor para superar los efectos de los estados de la superficie. Su dispositivo FET funcionó, pero la amplificación fue pobre. Bardeen fue más allá y sugirió centrarse más bien en la conductividad de la capa de inversión. Experimentos posteriores 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 de silicio a germanio y, en el proceso, su óxido se lavó inadvertidamente. Se toparon con un transistor completamente diferente, eltransistor de contacto puntual . Lillian Hoddeson sostiene que "si Brattain y Bardeen hubieran estado trabajando con silicio en lugar de germanio, se habrían topado 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 de superficie rápidos estaban asociados con el volumen y una interfaz semiconductor / óxido. Se encontró 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 encontró que estos últimos eran mucho más numerosos y tenían tiempos de relajación mucho más prolongados . En ese momento, 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 la 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 que permitían 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 trabajo de investigación y patentaron su técnica que resume su trabajo. La técnica que desarrollaron se conoce como enmascaramiento por difusión de óxido, que luego se utilizaría en la fabricaciónde dispositivos MOSFET. En Bell Labs, inmediatamente se dio cuenta de la importancia de la técnica de Frosch. Los resultados de su trabajo circularon por Bell Labs 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 un 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 la que se usaba monóxido de germanio como dieléctrico de puerta, pero no siguió 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, científico investigador de Bell Labs, concibió un dispositivo similar al MOSFET propuesto más tarde, aunque el dispositivo de Labate no usó explícitamente dióxido de silicio como aislante. [15] [16] [17] [18]

FET de semiconductor de óxido de metal (MOSFET) [ editar ]

Artículo principal: MOSFET
Mohamed Atalla (izquierda) y Dawon Kahng (derecha) inventaron el MOSFET (transistor de efecto de campo MOS) en 1959.

Un gran avance en la investigación de FET se produjo con el trabajo del ingeniero egipcio Mohamed Atalla a fines de la década de 1950. [3] En 1958 presentó un trabajo experimental que demostró que el crecimiento de óxido de silicio delgado sobre una superficie de silicio limpia conduce a la neutralización de los estados de la superficie. Esto se conoce como pasivación superficial , un método que se volvió crítico 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 de metal (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 tenía un profundo efecto sobre el desarrollo electrónico digital . [23] [22] Con su alta escalabilidad , [24] y mucho menor consumo de energía 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 una potencia más alta 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 comunicaciones (como teléfonos inteligentes ). [28] La Oficina de Patentes y Marcas de Estados Unidos lo llama un "invento revolucionario 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] Un MOSFET de doble puerta fue demostrado por primera vez en 1984 por los investigadores del Laboratorio Electrotécnico Toshihiro Sekigawa y Yutaka Hayashi. [32] [33] FinFET (transistor de efecto de campo de aletas), un tipo de compuerta múltiple no plana 3DMOSFET, 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]

Información básica [ editar ]

Ver también: Transportista de carga § Transportistas mayoritarios y minoritarios

Los FET pueden ser dispositivos portadores de carga mayoritarios, en los que la corriente es transportada predominantemente por portadores mayoritarios, o dispositivos 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 u 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 una función del potencial aplicado a través de la puerta y los terminales de la fuente.

Las tres terminales del FET son: [37]

  1. fuente (S), a través de la cual los portadores ingresan al canal. Convencionalmente, la corriente que entra en el canal en S se designa por I S .
  2. desagüe (D), por el que los portadores abandonan el canal. Convencionalmente, la corriente que entra en el canal en D se designa por I D . El voltaje de drenaje a fuente es V DS .
  3. puerta (G), el terminal que modula la conductividad del canal. Mediante la aplicación de voltaje a G, se puede controlar I D .

Más sobre terminales [ editar ]

Sección transversal de un MOSFET tipo n

Todos los FET tienen terminales de fuente , drenaje y compuerta que se corresponden aproximadamente con el emisor , el colector y la base de los BJT . La mayoría de los FET tienen un cuarto terminal llamado cuerpo , base , volumen o sustrato . Este cuarto terminal sirve para polarizar el transistor en funcionamiento; Es raro hacer un uso no trivial del terminal de la carrocería en los diseños de circuitos, pero su presencia es importante al configurar el diseño físico de un circuito integrado . El tamaño de la puerta, la 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 se refieren a sus funciones. Puede pensarse que el terminal de puerta controla la apertura y el cierre de una puerta física. Esta puerta permite que los electrones fluyan a través o bloquea su paso creando o eliminando un canal entre la fuente y el drenaje. El flujo de electrones desde el terminal de la 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 del cuerpo está conectado al voltaje más alto o más bajo dentro del circuito, dependiendo del 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 hay varios usos de los FET que no tienen tal configuración,comoPuertas de transmisión y circuitos de cascodo .

Efecto del voltaje de la puerta sobre la corriente [ editar ]

Características I – V y gráfico de salida de un transistor de canal n JFET.
Resultado de la simulación para el lado derecho: formación de canal de inversión (densidad de electrones) y lado izquierdo: curva de voltaje de puerta de corriente (características de transferencia) en un MOSFET de nanocables de canal n . Tenga en cuenta que el voltaje de umbral para este dispositivo se encuentra alrededor de 0,45 V.
Tipos de símbolos convencionales FET

El FET controla el flujo de electrones (o agujeros de electrones ) desde la fuente al drenaje afectando 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 asume 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 al drenaje.

FET de canal n [ editar ]

En un dispositivo de "modo de agotamiento" de canal n , un voltaje de puerta a fuente negativo 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 al drenaje se vuelve grande y el FET se apaga efectivamente como un interruptor (vea la figura de la derecha, cuando hay una corriente muy pequeña). Esto se llama "pinch-off", y el voltaje al que ocurre se llama "tensión de pinch-off". Por el contrario, un voltaje positivo de puerta a fuente aumenta el tamaño del canal y permite que los electrones fluyan fácilmente (vea 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, un canal conductor no existe naturalmente 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 portadores móviles denominada región de agotamiento , y el voltaje al que esto ocurre se denomina voltaje umbral del FET. Un aumento adicional del voltaje de puerta a fuente atraerá aún más electrones hacia la puerta que pueden crear un canal conductor desde la fuente hasta el drenaje; este proceso se llama inversión .

FET de canal p [ editar ]

En un dispositivo de "modo de agotamiento" de canal p , un voltaje positivo de la puerta al cuerpo ensancha la capa de agotamiento al forzar a los electrones a la interfaz puerta-aislador / semiconductor, dejando expuesta una región libre de portadores de iones aceptores cargados positivamente e inmóviles.

Por el contrario, en un dispositivo de "modo de mejora" de canal p, no existe una región conductora y se debe usar voltaje negativo para generar un canal de conducción.

Efecto del voltaje de drenaje a fuente en el canal [ editar ]

Para dispositivos de 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 puerta alterará la resistencia del canal y la corriente de drenaje será proporcional al voltaje de drenaje (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 aumenta el voltaje de drenaje a fuente, esto crea un cambio asimétrico significativo en la forma del canal debido a un gradiente de potencial de voltaje de la fuente al drenaje. La forma de la región de inversión se "pellizca" cerca del extremo de drenaje del canal. Si el voltaje de drenaje a 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 usa cuando se necesita amplificación. La región intermedia a veces se considera 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 voltaje de puerta a fuente ya no conecta la fuente al drenaje durante el modo de saturación, los portadores no están bloqueados para que no fluyan. Considerando de nuevo un dispositivo de 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 pueden moverse libremente fuera del canal a través de la región de agotamiento si son atraídos al drenaje por el voltaje de drenaje a fuente. La región de agotamiento está libre de portadores y tiene una resistencia similar a la del silicio.. Cualquier aumento del voltaje de drenaje a fuente aumentará la distancia desde el drenaje al punto de pellizco, aumentando la resistencia de la región de agotamiento en proporción al voltaje de drenaje a fuente aplicado. Este cambio proporcional hace que la corriente de drenaje a fuente permanezca relativamente fija, independientemente de los cambios en el voltaje de drenaje a fuente, a diferencia de su comportamiento óhmico en el modo de operación lineal. Por lo tanto, en el 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 de puerta a fuente determina el nivel de corriente constante a través del canal.

Composición [ editar ]

Los FET se pueden construir a partir de varios semiconductores; el silicio es, con mucho, el más común. La mayoría de los FET se fabrican utilizando técnicas de procesamiento de semiconductores a granel convencionales , utilizando una oblea semiconductora de cristal único como región activa o canal.

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 de efecto de campo orgánico (OFET) que se basan en semiconductores orgánicos ; a menudo, los aisladores y electrodos de las compuertas OFET también están hechos de materiales orgánicos. Dichos FET se fabrican utilizando una variedad de materiales como carburo de silicio (SiC), arseniuro de galio (GaAs), nitruro de galio (GaN) y arseniuro de galio indio (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 una frecuencia de corte de aproximadamente 2,23 GHz, mucho más alta que los FET de silicio estándar. [45]

Tipos [ editar ]

FET de tipo agotamiento bajo voltajes típicos: JFET, MOSFET de polisilicio, MOSFET de doble puerta, MOSFET de puerta metálica, MESFET.
  Agotamiento
  Electrones
  Agujeros
  Metal
  Aislante
Arriba: fuente, abajo: desagüe, izquierda: compuerta, derecha: a granel. No se muestran los voltajes que conducen a la formación de canales.

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 ser dopados de tipo opuesto al canal, en el caso de los FET de modo de mejora, o dopados de un tipo similar al canal como en los FET de 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:

  • El MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico) utiliza un aislante (normalmente SiO 2 ) entre la puerta y el cuerpo. Este es, con mucho, el tipo más común de FET.
    • El DGMOSFET ( MOSFET de doble puerta ) o DGMOS, un MOSFET con dos puertas aisladas.
    • El IGBT ( transistor bipolar de puerta aislada ) es un dispositivo para el control de potencia. Tiene una estructura similar a un MOSFET junto con un canal de conducción principal de tipo bipolar. Estos se utilizan comúnmente para el rango de funcionamiento de voltaje de drenaje a fuente de 200–3000 V. Los MOSFET de potencia siguen siendo el dispositivo preferido para voltajes de drenaje a fuente de 1 a 200 V.
    • El MNOS ( transistor semiconductor de óxido de nitruro metálico ) utiliza un aislante de capa de óxido de nitruro entre la puerta y el cuerpo.
    • El ISFET (transistor de efecto de campo sensible a iones) se puede utilizar para medir concentraciones de iones en una solución; cuando la concentración de iones (como H + , consulte el electrodo de pH ) cambia, la corriente a través del transistor cambiará en consecuencia.
    • El BioFET (transistor de efecto de campo biológicamente sensible) es una clase de sensores / biosensores basados ​​en la tecnología ISFET que se utilizan para detectar moléculas cargadas; cuando hay una molécula cargada, los cambios en el campo electrostático en la superficie de BioFET dan como resultado un cambio medible en la corriente a través del transistor. Estos incluyen FET modificados con enzimas (EnFET), FET inmunológicamente modificados (ImmunoFET), FET modificados genéticamente (GenFET), DNAFET , BioFET basados ​​en células (CPFET), FET de escarabajo / chip (BeetleFET) y FET basados ​​en canales iónicos / enlace proteico. [46]
    • El DNAFET ( transistor de efecto de campo de ADN ) es un FET especializado que actúa como un biosensor , mediante el uso de una puerta hecha de moléculas de ADN de una sola hebra para detectar hebras de ADN coincidentes.
  • El JFET (transistor de efecto de campo de unión) utiliza una unión p – n con polarización inversa para separar la puerta del cuerpo.
    • El transistor de inducción estática (SIT) es un tipo de JFET con un canal corto.
  • El DEPFET es un FET formado en un sustrato completamente agotado y actúa como sensor, amplificador y nodo de memoria al mismo tiempo. Se puede utilizar como sensor de imagen (fotón).
  • El FREDFET (FET de diodo epitaxial de recuperación rápida o retroceso rápido) es un FET especializado diseñado para proporcionar una recuperación muy rápida (apagado) del diodo del cuerpo, lo que lo hace conveniente para impulsar cargas inductivas como motores eléctricos , especialmente medianos. motores DC sin escobillas accionados .
  • El HIGFET (transistor de efecto de campo de puerta aislada heteroestructura) se utiliza ahora principalmente en la investigación. [47]
  • El MODFET (transistor de efecto de campo dopado con modulación) es un transistor de alta movilidad de electrones que utiliza una estructura de pozo cuántico formada por dopaje gradual de la región activa.
  • El TFET ( transistor de efecto de campo de túnel ) se basa en la tunelización de banda a banda. [48]
  • El HEMT ( transistor de alta movilidad de electrones ), también llamado HFET (FET heteroestructura), se puede fabricar utilizando ingeniería de banda prohibida en un semiconductor ternario como AlGaAs . El material de banda ancha completamente agotado forma el aislamiento entre la puerta y el cuerpo.
  • El MESFET (transistor de efecto de campo de semiconductor metálico) sustituye la unión p – n del JFET con una barrera Schottky ; y se utiliza en GaAs y otros materiales semiconductores III-V .
  • El NOMFET es un transistor de efecto de campo de memoria orgánica de nanopartículas. [49]
  • El GNRFET (transistor de efecto de campo de nanocintas de grafeno) utiliza una nanocinta de grafeno para su canal. [50]
  • El VeSFET (transistor de efecto de campo de rendija vertical) es un FET sin juntas de forma cuadrada con una rendija estrecha que conecta la fuente y el drenaje en las esquinas opuestas. Dos puertas ocupan las otras esquinas y controlan la corriente a través de la rendija. [51]
  • El CNTFET ( transistor de efecto de campo de nanotubos de carbono ).
  • El OFET ( transistor de efecto de campo orgánico) utiliza un semiconductor orgánico en su canal.
  • El QFET ( transistor de efecto de campo cuántico ) aprovecha la tunelización cuántica para aumentar en gran medida la velocidad de operación del transistor al eliminar el área de conducción de electrones del transistor tradicional.
  • El SB-FET (transistor de efecto de campo de barrera Schottky) es un transistor de efecto de campo con fuente metálica y electrodos de contacto de drenaje, que crean barreras Schottky en las interfaces de canal de fuente y canal de drenaje. [52] [53]
  • El GFET es un transistor de efecto de campo basado en grafeno altamente sensible que se utiliza como biosensores y sensores químicos . Debido a la estructura bidimensional del grafeno, junto con sus propiedades físicas, los GFET ofrecen una mayor sensibilidad y menos casos de "falsos positivos" en las aplicaciones de detección [54].
  • El Fe FET utiliza un ferroeléctrico entre la puerta, lo que permite que el transistor retenga su estado en ausencia de sesgo; estos dispositivos pueden tener aplicación como memoria no volátil .

Ventajas [ editar ]

El FET tiene una alta resistencia de 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 formación, [55] un FET normalmente 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 receptores de VHF y satélite. Es relativamente inmune a la radiación. No exhibe voltaje de compensación a corriente de drenaje cero y es un excelente interruptor de señal. Por lo general, tiene una mejor estabilidad térmica que un BJT. [37]Debido a que están controlados por la carga de la puerta, una vez que la puerta está cerrada o abierta, no hay consumo de energía adicional, como lo haría 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.

Desventajas [ editar ]

Un transistor de efecto de campo tiene un producto de ancho de banda de ganancia relativamente bajo en comparación con un BJT. El MOSFET es muy susceptible a sobrecargas de voltaje, por lo que requiere un manejo especial durante la instalación. [56] 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 el manejo. Por lo general, esto no es un problema después de que el dispositivo se ha instalado en un circuito diseñado correctamente.

Los FET a menudo tienen una resistencia de "encendido" muy baja y tienen una resistencia de "apagado" alta. Sin embargo, las resistencias intermedias son significativas, por lo que los FET pueden disipar grandes cantidades de energía durante la conmutación. Por lo tanto, la eficiencia puede poner un premio en la conmutación rápida, pero esto puede causar transitorios que pueden excitar inductancias parásitas y generar voltajes significativos que pueden acoplarse a la puerta y causar una conmutación involuntaria. Por lo tanto, los circuitos FET pueden requerir un diseño muy cuidadoso y pueden involucrar intercambios entre la velocidad de conmutación y la disipación de energía. También existe una compensación entre la clasificación de voltaje y la resistencia de "encendido", por lo que los FET de alto voltaje tienen una resistencia de "encendido" relativamente alta y, por lo tanto, pérdidas de conducción. [ cita requerida ]

Modos de falla [ editar ]

Los FET son relativamente robustos, especialmente cuando se operan 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 alta corriente del drenaje a la fuente cuando el FET está apagado. [57]

Usos [ editar ]

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 (normalmente "modo de mejora") y el MOSFET de canal n están conectados en serie de modo 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 el modo lineal. La convención de nomenclatura de la terminal de drenaje y la terminal de fuente es algo arbitraria, ya que los dispositivos son típicamente (pero no siempre) construidos 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 una mesa de mezclas de estado sólido , por ejemplo. El FET se usa comúnmente como amplificador. Por ejemplo, debido a su gran resistencia de entrada y baja resistencia de salida, es eficaz como amortiguador en la 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 bloqueo de voltaje y conmutación rápida son importantes.

Transistor controlado por fuente [ editar ]

Los transistores con compuerta de fuente son más resistentes a los problemas ambientales y de fabricación en la electrónica de gran área, como las pantallas de visualización, pero su funcionamiento es más lento que los FET. [58]

Ver también [ editar ]

  • Transistor de efecto de campo químico
  • CMOS
  • Amplificador FET
  • FinFET
  • FlowFET
  • Dispositivo de navegación múltiple

Referencias [ editar ]

  1. ^ Lilienfeld, JE "Método y aparato para controlar la corriente eléctrica" Patente estadounidense no. 1.745.175 (presentada: 8 de octubre de 1926; publicada: 28 de enero de 1930).
  2. ↑ a b c Lee, Thomas H. (2003). El diseño de circuitos integrados de radiofrecuencia CMOS (PDF) . Prensa de la Universidad de Cambridge . ISBN 9781139643771.
  3. ^ a b Puers, Robert; Baldi, Livio; Voorde, Marcel Van de; Nooten, Sebastiaan E. van (2017). Nanoelectrónica: materiales, dispositivos, aplicaciones, 2 volúmenes . John Wiley e hijos . pag. 14. ISBN 9783527340538.
  4. ^ Grundmann, Marius (2010). La física de los semiconductores . Springer-Verlag. ISBN 978-3-642-13884-3.
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Enlaces externos [ editar ]

  • PBS El transistor de efecto de campo
  • Cómo funcionan los semiconductores y transistores (MOSFET) WeCanFigureThisOut.org
  • Transistor de efecto de campo de unión
  • Circuito de puerta CMOS
  • Ganar la batalla contra Latchup en conmutadores analógicos CMOS
  • Transistores de efecto de campo en teoría y práctica
  • El transistor de efecto de campo como resistencia controlada por voltaje
  • "El FET (transistor de efecto de campo)" . rolinychupetin (LRLinares). 30 de marzo de 2013 - vía YouTube .