MOSFET

El transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido de metal ( MOSFET , MOS-FET o MOS FET ), también conocido como transistor de silicio de óxido de metal ( transistor MOS o MOS ), ^[1] es un tipo de puerta aislada Transistor de efecto de campo que se fabrica mediante la oxidación controlada de un semiconductor , generalmente silicio . El voltaje de la puerta cubierta determina la conductividad eléctrica del dispositivo; esta capacidad de cambiar la conductividad con la cantidad de voltaje aplicado se puede utilizar paraamplificación o conmutación de señales electrónicas .

El MOSFET fue inventado por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959 y presentado por primera vez en 1960. Es el componente básico de la electrónica moderna y el dispositivo fabricado con mayor frecuencia en la historia, con un total estimado de 13  sextillones . (1,3 × 10 ²² ) MOSFET fabricados entre 1960 y 2018. ^[2] Es el dispositivo semiconductor dominante en los circuitos integrados (IC) digitales y analógicos , ^[3] y el dispositivo de alimentación más común . ^[4] Es un transistor compacto que ha sido miniaturizado y producido en masa para una amplia gama de aplicaciones , revolucionando la industria electrónica y la economía mundial, y siendo fundamental para la revolución digital , la era del silicio y la era de la información.. El escalado y miniaturización de MOSFET ha estado impulsando el rápido crecimiento exponencial de la tecnología de semiconductores electrónicos desde la década de 1960 y permite circuitos integrados de alta densidad , como chips de memoria y microprocesadores . El MOSFET se considera el "caballo de batalla" de la industria electrónica.

Una ventaja clave 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 de modo mejorado, el voltaje aplicado a la terminal de puerta puede aumentar la conductividad desde el estado "normalmente apagado". En un MOSFET de modo de agotamiento , el voltaje aplicado en la puerta puede reducir la conductividad del estado "normalmente encendido". ^[5] Los MOSFET también son capaces de una alta escalabilidad, con una miniaturización creciente , y se pueden reducir fácilmente a dimensiones más pequeñas. También tienen una velocidad de conmutación más rápida (ideal para señales digitales), un tamaño mucho más pequeño, consumen significativamente menos energía y permiten una densidad mucho mayor (ideal para la integración a gran escala ), en comparación con los BJT. Los MOSFET también son más baratos y tienen pasos de procesamiento relativamente simples, lo que da como resultado un alto rendimiento de fabricación .

Los MOSFET pueden fabricarse como parte de chips de circuitos integrados MOS o como dispositivos MOSFET discretos (como un MOSFET de potencia ), y pueden adoptar la forma de transistores de puerta única o de puerta múltiple . Dado que los MOSFET se pueden fabricar con semiconductores de tipo p o tipo n ( lógica PMOS o NMOS , respectivamente), se pueden usar pares complementarios de MOSFET para hacer circuitos de conmutación con un consumo de energía muy bajo : lógica CMOS (MOS Complementario).

El nombre "semiconductor de óxido de metal" (MOS) generalmente se refiere a una puerta de metal , aislamiento de óxido y semiconductor (generalmente silicio). ^[1] Sin embargo, el "metal" en el nombre MOSFET a veces es un nombre inapropiado, porque el material de la puerta también puede ser una capa de polisilicio (silicio policristalino). Junto con el óxido , también se pueden utilizar diferentes materiales dieléctricos con el objetivo de obtener canales fuertes con voltajes aplicados más pequeños. El capacitor MOS también es parte de la estructura MOSFET.

Transistores MOSFET en varios tipos de embalaje

Una sección transversal a través de un nMOSFET cuando el voltaje de puerta VGS está _por debajo del umbral para hacer un canal conductor; hay poca o ninguna conducción entre los terminales de drenaje y fuente; el interruptor está apagado. Cuando la puerta es más positiva, atrae electrones, induciendo un canal conductor de tipo n en el sustrato debajo del óxido, que permite que los electrones fluyan entre los terminales dopados con n ; el interruptor está encendido.

Simulación de formación de canal de inversión (densidad de electrones) y logro de voltaje umbral (IV) en un MOSFET de nanocables. Nota: el voltaje de umbral para este dispositivo se encuentra alrededor de 0,45 V

Mohamed M. Atalla (izquierda) y Dawon Kahng (derecha) inventaron el MOSFET en 1959.

Fotomicrografía de dos MOSFET de puerta metálica en un patrón de prueba. Las almohadillas de sonda para dos puertas y tres nodos de fuente/drenaje están etiquetadas.

Estructura metal-óxido-semiconductor sobre silicio tipo p

Formación de canales en MOSFET nMOS que se muestra como diagrama de bandas : Paneles superiores: un voltaje de compuerta aplicado dobla las bandas, agotando los agujeros de la superficie (izquierda). La carga que induce la flexión se equilibra con una capa de carga de iones aceptores negativos (derecha). Panel inferior: un mayor voltaje aplicado agota aún más los agujeros, pero la banda de conducción reduce su energía lo suficiente como para poblar un canal conductor

Perfil C–V para un MOSFET a granel con diferentes espesores de óxido. La parte más a la izquierda de la curva corresponde a la acumulación. El valle en el medio corresponde al agotamiento. La curva de la derecha corresponde a la inversión

Fuente vinculada al cuerpo para garantizar que no haya sesgo del cuerpo: subumbral (arriba a la izquierda), modo óhmico (arriba a la derecha), modo activo al inicio del pinch-off (abajo a la izquierda) y modo activo en el pinch-off (abajo a la derecha). La modulación de la longitud del canal es evidente.

Ejemplo de aplicación de un MOSFET de canal n. Cuando se presiona el interruptor, el LED se enciende. ^[83]

Corriente de drenaje de MOSFET frente a voltaje de drenaje a fuente para varios valores de ; el límite entre los modos lineal ( óhmico ) y de saturación ( activo ) se indica mediante la parábola curva hacia arriba${\displaystyle V_{\text{GS}}-V_{\text{th}}}$

Sección transversal de un MOSFET que opera en la región lineal (óhmica); fuerte región de inversión presente incluso cerca del drenaje

Sección transversal de un MOSFET que opera en la región de saturación (activa); el canal exhibe pinzamiento del canal cerca del desagüe

Diagrama de bandas que muestra el efecto del cuerpo. V _SB divide los niveles de Fermi F _n para electrones y F _p para huecos, lo que requiere un V _GB más grande para poblar la banda de conducción en un MOSFET nMOS

Dos MOSFET de potencia en paquetes de montaje en superficie D2PAK . Operando como interruptores, cada uno de estos componentes puede soportar un voltaje de bloqueo de 120 V en estado apagado y puede conducir una corriente continua de 30  A en estado encendido , disipando hasta aproximadamente 100  W y controlando una carga de más de 2000 W. Se muestra una cerilla a escala. 

Sección transversal de un MOSFET de potencia , con celdas cuadradas. Un transistor típico está constituido por varios miles de celdas.

Un FinFET (transistor de efecto de campo de aleta), un tipo de MOSFET de puerta múltiple .

MOSFET que muestra extensiones de unión poco profundas, fuente elevada y drenaje e implante de halo. Fuente elevada y drenaje separados de la compuerta por espaciadores de óxido

Tendencia de la longitud de la puerta del transistor de la CPU Intel

Versión MOSFET del espejo de corriente potenciado por ganancia ; M ₁ y M ₂ están en modo activo, mientras que M ₃ y M ₄ están en modo óhmico y actúan como resistencias. El amplificador operacional proporciona retroalimentación que mantiene una alta resistencia de salida.