MOSFET

El transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico ( MOSFET , MOS-FET o MOS FET ), también conocido como transistor de óxido metálico y silicio ( 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 , típicamente 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 .

MOSFET

MOSFET, que muestra los terminales de puerta (G), cuerpo (B), fuente (S) y drenaje (D). La puerta está separada del cuerpo por una capa aislante (rosa).
Principio de funcionamiento	Semiconductor
Inventado	1959
Primera producción	1960
Configuración de pines	puerta (G), cuerpo (B), fuente (S) y drenaje (D)

Disipador de calor y un transistor MOSFET discreto

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 más 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 circuitos integrados (CI) digitales y analógicos , ^[3] y el dispositivo de potencia 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 de mejora , el voltaje aplicado al terminal de la 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 pueden reducirse 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 tomar la forma de transistores de puerta única o de puerta múltiple . Dado que los MOSFET se pueden hacer con semiconductores de tipo p o de 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 complementaria).

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 es a veces 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 tensiones aplicadas menores. El condensador MOS también es parte de la estructura MOSFET.

Una sección transversal a través de un nMOSFET cuando el voltaje de puerta V _GS está por debajo del umbral para hacer un canal conductor; hay poca o ninguna conducción entre el drenaje de los terminales y la 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, lo 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

Historia temprana

Fondo

El principio básico del transistor de efecto de campo (FET) fue propuesto por primera vez por el físico austriaco Julius Edgar Lilienfeld en 1926, cuando presentó la primera patente para un transistor de efecto de campo de puerta aislada. ^[6] En el transcurso de los dos años siguientes, describió varias estructuras FET. En su configuración, el aluminio formó el metal y el óxido de aluminio el óxido, mientras que el sulfuro de cobre se utilizó como semiconductor . Sin embargo, no pudo construir un dispositivo de trabajo práctico. ^[7] El concepto de FET también fue teorizado más tarde por el ingeniero alemán Oskar Heil en la década de 1930 y el físico estadounidense William Shockley en la década de 1940. ^[8] No se construyó ningún FET práctico de trabajo en ese momento, y ninguna de estas primeras propuestas de FET involucraron silicio oxidado térmicamente . ^[7]

Las empresas de semiconductores se centraron inicialmente en los transistores de unión bipolar (BJT) en los primeros años de la industria de los semiconductores . Sin embargo, el transistor de unión era un dispositivo relativamente voluminoso que era difícil de fabricar en una base de producción en masa , lo que lo limitaba a una serie de aplicaciones especializadas. Los FET se teorizaron como posibles alternativas a los transistores de unión, pero los investigadores no pudieron construir FET prácticos, en gran parte debido a la problemática barrera del estado de la superficie que impedía que el campo eléctrico externo penetrara en el material. ^[9] En la década de 1950, los investigadores habían renunciado en gran medida al concepto FET y, en cambio, se habían centrado en la tecnología BJT. ^[10]

En 1955, Carl Frosch y Lincoln Derrick cubrieron accidentalmente la superficie de una oblea de silicio con una capa de dióxido de silicio . En su posterior caracterización experimental de esta capa de óxido, encontraron que bloqueaba la entrada de dopantes particulares a la oblea de silicio (a pesar de permitir otros) y, por lo tanto, descubrieron el efecto pasivante de una capa de oxidación superficial en este semiconductor. Su trabajo posterior demostró el grabado de pequeñas aberturas en la capa de óxido para difundir dopantes en áreas controladas con precisión de una 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 fabricación de dispositivos MOSFET. En Bell Labs, la importancia de la técnica de Frosch se percató de inmediato, ya que los óxidos de silicio son mucho más estables que los óxidos de germanio, tienen mejores propiedades dieléctricas y, al mismo tiempo, podrían usarse como máscara de difusión. 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 . ^{[9] [11] [12]}

Invención

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

Mohamed M. Atalla, de Bell Labs, estaba lidiando con el problema de los estados superficiales a fines de la década de 1950. Tomó el trabajo de Frosch sobre la oxidación, intentando pasivar la superficie del silicio a través de la formación de una capa de óxido sobre ella. Pensó que el cultivo de un Si O ₂ cultivado térmicamente de alta calidad muy fino sobre una oblea de silicio limpia neutralizaría los estados de la superficie lo suficiente como para hacer un transistor de efecto de campo de trabajo práctico. Escribió sus hallazgos en sus memorandos de BTL en 1957, antes de presentar su trabajo en una reunión de la Sociedad Electroquímica en 1958. ^{[13] [14] [15] [16] [8]} Este fue un desarrollo importante que permitió la integración de la tecnología MOS y el silicio chips de circuito (IC). ^[17] Al año siguiente, John L. Moll describió el condensador MOS en la Universidad de Stanford . ^[18] Los colaboradores de Atalla JR Ligenza y WG Spitzer, quienes estudiaron el mecanismo de los óxidos cultivados térmicamente, lograron fabricar una pila de Si / SiO 2 de alta calidad , ^[7] con Atalla y Kahng haciendo uso de sus hallazgos. ^{[19] [20]}

El MOSFET se inventó cuando Mohamed Atalla y Dawon Kahng ^{[14] [13]} fabricaron con éxito el primer dispositivo MOSFET en funcionamiento en noviembre de 1959. ^[21] El dispositivo está cubierto por dos patentes, cada una presentada por separado por Atalla y Kahng en marzo de 1960. ^{[ 22] [23] [24] [25]} Publicaron sus resultados en junio de 1960, ^[26] en la Conferencia de Dispositivos de Estado Sólido celebrada en la Universidad Carnegie Mellon . ^[27] El mismo año, Atalla propuso el uso de MOSFET para construir chips de circuito integrado MOS (MOS IC), destacando la facilidad de fabricación del MOSFET. ^[9]

Comercialización

La ventaja del MOSFET era que era relativamente compacto y fácil de producir en masa en comparación con el transistor de unión plana de la competencia, ^[28] pero el MOSFET representaba una tecnología radicalmente nueva, cuya adopción habría requerido rechazar el progreso que Bell había logrado. hecho con el transistor de unión bipolar (BJT). El MOSFET también fue inicialmente más lento y menos confiable que el BJT. ^[29]

A principios de la década de 1960, Fairchild Semiconductor , RCA Laboratories , General Microelectronics (dirigido por el ex ingeniero de Fairchild Frank Wanlass ) e IBM establecieron programas de investigación de tecnología MOS . ^[30] En 1962, Steve R. Hofstein y Fred P. Heiman en RCA construyeron el primer chip de circuito integrado MOS . Al año siguiente, recopilaron todos los trabajos anteriores sobre FET y dieron una teoría del funcionamiento del MOSFET. ^{[31] El} CMOS fue desarrollado por Chih-Tang Sah y Frank Wanlass en Fairchild en 1963. ^[32] El primer circuito integrado CMOS fue construido más tarde en 1968 por Albert Medwin . ^[33]

El primer anuncio público formal de la existencia del MOSFET como una tecnología potencial se hizo en 1963. Luego fue comercializado por primera vez por General Microelectronics en mayo de 1964, seguido de Fairchild en octubre de 1964. El primer contrato de MOS de GMe fue con la NASA , que utilizaba MOSFET para naves espaciales y satélites en el programa de la Plataforma de Monitoreo Interplanetario (IMP) y el Programa de Exploradores . ^[30] Los primeros MOSFET comercializados por General Microelectronics y Fairchild eran dispositivos de canal p ( PMOS ) para aplicaciones lógicas y de conmutación. ^[8] A mediados de la década de 1960, RCA utilizaba MOSFET en sus productos de consumo, incluida la radio FM , la televisión y los amplificadores . ^[34] En 1967, los investigadores de Bell Labs Robert Kerwin, Donald Klein y John Sarace desarrollaron el transistor MOS de puerta autoalineada ( puerta de silicio), que los investigadores de Fairchild Federico Faggin y Tom Klein adaptaron para circuitos integrados en 1968. ^[35]

Revolución MOS

El desarrollo del MOSFET condujo a una revolución en la tecnología electrónica , llamada revolución MOS ^[36] o revolución MOSFET, ^[37] impulsando el crecimiento tecnológico y económico de la primera industria de semiconductores .

El impacto del MOSFET se volvió comercialmente significativo desde finales de la década de 1960 en adelante. ^[38] Esto llevó a una revolución en la industria de la electrónica , que desde entonces ha impactado la vida diaria en casi todos los sentidos. ^[39] La invención del MOSFET ha sido citada como el nacimiento de la electrónica moderna ^[40] y fue fundamental para la revolución de las microcomputadoras. ^[41]

Importancia

El MOSFET forma la base de la electrónica moderna, ^[42] y es el elemento básico en la mayoría de los equipos electrónicos modernos . ^[43] Es el transistor más común en electrónica, ^[13] y el dispositivo semiconductor más utilizado en el mundo. ^[44] Se ha descrito como el "caballo de batalla de la industria electrónica" ^[45] y "la tecnología base" de finales del siglo XX a principios del XXI. ^{[10] El} escalado y miniaturización de MOSFET (ver Lista de ejemplos de escalas de semiconductores ) han sido los factores principales detrás del rápido crecimiento exponencial de la tecnología de semiconductores electrónicos desde la década de 1960, ^[46] ya que la rápida miniaturización de MOSFET ha sido en gran parte responsable del aumento de transistores densidad , aumentando el rendimiento y disminuyendo el consumo de energía de los chips de circuitos integrados y los dispositivos electrónicos desde la década de 1960. ^[47]

Los MOSFET son capaces de una alta escalabilidad ( ley de Moore y escala de Dennard ), ^[48] con una miniaturización creciente , ^[49] y pueden reducirse fácilmente a dimensiones más pequeñas. ^[50] Consumen significativamente menos energía y permiten una densidad mucho mayor que los transistores bipolares. ^{[51] Por} tanto, los MOSFET tienen un tamaño mucho más pequeño que los BJT, ^[52] aproximadamente una vigésima parte del tamaño de principios de la década de 1990. ^{[52] Los} MOSFET también tienen una velocidad de conmutación más rápida, ^[4] con una conmutación electrónica rápida de encendido y apagado que los hace ideales para generar trenes de pulsos , ^[53] la base de las señales digitales . ^{[54] [55]} en contraste con los BJT que generan más lentamente señales analógicas que se asemejan a las ondas sinusoidales . ^{[53] Los} MOSFET también son más baratos ^[56] y tienen pasos de procesamiento relativamente simples, lo que da como resultado un alto rendimiento de fabricación . ^{[50] Los} MOSFET permiten la integración a gran escala (LSI) y son ideales para circuitos digitales , ^[57] así como para circuitos analógicos lineales . ^[53]

El MOSFET ha sido descrito como el transistor más importante , ^[3] el dispositivo más importante en la industria electrónica, ^[58] posiblemente el dispositivo más importante en la industria de la computación , ^[59] uno de los desarrollos más importantes en la tecnología de semiconductores , ^[60] y posiblemente el invento más importante en electrónica. ^[61] El MOSFET ha sido el bloque de construcción fundamental de la moderna electrónica digital , ^[10] durante la revolución digital , ^[62] revolución de la información , era de la información , ^[63] y la edad de silicio . ^{[64] [65] Los} MOSFET han sido la fuerza impulsora detrás de la revolución informática y las tecnologías que ha permitido. ^{[66] [67] [68]} El rápido progreso de la industria electrónica durante finales del siglo XX y principios del XXI se logró mediante una rápida escala MOSFET ( escala de Dennard y ley de Moore ), hasta el nivel de la nanoelectrónica a principios del siglo XXI. ^[69] El MOSFET revolucionó el mundo durante la era de la información, con su alta densidad permitiendo que una computadora exista en unos pocos chips IC pequeños en lugar de llenar una habitación, ^[70] y luego haciendo posible la tecnología de comunicaciones digitales como los teléfonos inteligentes . ^[66]

El MOSFET es el dispositivo más fabricado de la historia. ^{[71] [72]} El MOSFET genera ventas anuales de $ 295 mil millones a partir de 2015. ^[73] Entre 1960 y 2018, se ha fabricado un total estimado de 13 sextillones de transistores MOS, lo que representa al menos el 99,9% de todos los transistores. ^[71] Los circuitos integrados digitales, como los microprocesadores y los dispositivos de memoria, contienen de miles a miles de millones de MOSFET integrados en cada dispositivo, que proporcionan las funciones de conmutación básicas necesarias para implementar puertas lógicas y almacenamiento de datos. También hay dispositivos de memoria que contienen al menos un billón de transistores MOS, como una tarjeta de memoria microSD de 256 GB , más grande que la cantidad de estrellas en la galaxia Vía Láctea . ^[45] En 2010, los principios operativos de los MOSFET modernos se han mantenido en gran medida los mismos que los del MOSFET original demostrado por primera vez por Mohamed Atalla y Dawon Kahng en 1960. ^{[74] [75]}  

La Oficina de Patentes y Marcas de Estados Unidos llama al MOSFET un "invento revolucionario que transformó la vida y la cultura en todo el mundo" ^[66] y el Museo de Historia de la Computación lo acredita con "cambiar irrevocablemente la experiencia humana". ^[10] El MOSFET también fue la base de los avances ganadores del Premio Nobel como el efecto Hall cuántico ^[76] y el dispositivo de carga acoplada (CCD), ^[77] aunque nunca se otorgó ningún Premio Nobel por el MOSFET en sí. ^[78] En una nota de 2018 sobre el Premio Nobel de Física de Jack Kilby por su participación en la invención del circuito integrado, la Real Academia Sueca de Ciencias mencionó específicamente el MOSFET y el microprocesador como otros inventos importantes en la evolución de la microelectrónica . ^[79] El MOSFET también está incluido en la lista de hitos del IEEE en electrónica, ^[80] y sus inventores Mohamed Atalla y Dawon Kahng ingresaron al Salón de la Fama de los Inventores Nacionales en 2009. ^{[13] [14]}

Composición

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

Por lo general, el semiconductor de elección es el silicio . Recientemente, algunos fabricantes de chips, sobre todo IBM e Intel , han comenzado a utilizar un compuesto químico de silicio y germanio ( SiGe ) en los canales MOSFET. Desafortunadamente, muchos semiconductores con mejores propiedades eléctricas que el silicio, como el arseniuro de galio , no forman buenas interfaces de semiconductor a aislante y, por lo tanto, no son adecuados para MOSFET. La investigación continúa ^{[ ¿cuándo? ]} sobre la creación de 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 (p. Ej. , Intel , 2009 ^[81] ).

La compuerta está separada del canal por una fina capa aislante, tradicionalmente de dióxido de silicio y más tarde de oxinitruro de silicio . Algunas empresas han comenzado a introducir 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 los terminales del cuerpo, el campo eléctrico generado penetra a través del óxido y crea una capa o canal de inversión en la interfaz semiconductor-aislante, lo que hace que esa parte sea menos tipo py allanando el camino para la conducción. de corriente que resulta en un aumento de voltaje entre la puerta y el cuerpo que empuja los orificios y crea una capa de portadores inmóviles que se cargan negativamente. La capa de inversión proporciona un canal a través del cual puede pasar la corriente entre los terminales de fuente y drenaje. La variación del 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.

Operación

Estructura semiconductora de óxido de metal sobre silicio de tipo p

Estructura semiconductora de óxido de metal

La estructura tradicional de metal-óxido-semiconductor (MOS) se obtiene al hacer crecer una capa de dióxido de silicio ( SiO
₂) sobre un sustrato de silicio , comúnmente por oxidación térmica y depositando una capa de metal o silicio policristalino (este último se usa comúnmente). Como el dióxido de silicio es un material dieléctrico , su estructura es equivalente a un condensador plano , con uno de los electrodos reemplazado por un semiconductor .

Cuando se aplica un voltaje a través de una estructura MOS, modifica la distribución de cargas en el semiconductor. Si consideramos un semiconductor tipo p (con${\displaystyle N_{\text{A}}}$la densidad de aceptores , p la densidad de agujeros; p = N _A en masa neutra), un voltaje positivo,${\displaystyle V_{\text{GB}}}$, de puerta a cuerpo (ver figura) crea una capa de agotamiento al forzar los orificios cargados positivamente lejos de la interfaz puerta-aislador / semiconductor, dejando expuesta una región libre de portadores de iones aceptores inmóviles y cargados negativamente (ver dopaje (semiconductor) ) . Si${\displaystyle V_{\text{GB}}}$es lo suficientemente alta, se forma una alta concentración de portadores de carga negativa en una capa de inversión ubicada en una capa delgada junto a la interfaz entre el semiconductor y el aislante.

Convencionalmente, el voltaje de puerta en el que la densidad de volumen de los electrones en la capa de inversión es la misma que la densidad de volumen de los agujeros en el cuerpo se llama voltaje de 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 sobremarcha .

Esta estructura con cuerpo de tipo p es la base del MOSFET de tipo n, que requiere la adición de regiones de fuente y drenaje de tipo n.

Condensadores MOS y diagramas de bandas

La estructura del condensador MOS es el corazón del MOSFET. Considere un capacitor MOS donde la base de silicio es de tipo p. Si se aplica un voltaje positivo en la puerta, los agujeros que están 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 permanecerá en la superficie serán átomos inmóviles (negativos) del tipo aceptor, lo que crea una región de agotamiento en la superficie. Recuerde que un agujero lo crea un átomo aceptor, por ejemplo, el boro, que tiene un electrón menos que el silicio. Uno podría preguntarse cómo se pueden repeler los agujeros si en realidad no son entidades. La respuesta es que lo que realmente sucede no es que un agujero sea repelido, sino que los electrones son atraídos por el campo positivo y llenan estos huecos, creando una región de agotamiento donde no existen portadores de carga porque el electrón ahora está fijo en el átomo e inmóvil.

A medida que aumenta el voltaje en la puerta, habrá un punto en el que la superficie por encima de la región de agotamiento se convertirá de tipo p en tipo n, ya 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 ocurre esta conversión es uno de los parámetros más importantes en un MOSFET.

En el caso de un volumen de tipo p, la inversión ocurre cuando el nivel de energía intrínseca en la superficie se vuelve más pequeño que el nivel de Fermi en la superficie. Se puede ver esto en un diagrama de bandas. Recuerde que 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). Por lo tanto, cuando el voltaje de la puerta aumenta en un sentido positivo (para el ejemplo dado), esto "doblará" la banda de nivel de energía intrínseca de manera 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 de tipo p a tipo n. Recuerde que, como se dijo anteriormente, 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 semiconductor cambios de tipo en la superficie según lo dictado por las posiciones relativas de los niveles de energía de Fermi e Intrínseca.

Estructura y formación de canales

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

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

Un MOSFET se basa en la modulación de la concentración de carga mediante una capacitancia MOS entre un electrodo corporal 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 de metal-aislante-semiconductor (MISFET). Comparado con el capacitor 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 del tipo opuesto a la región del cuerpo. La fuente y el drenaje (a diferencia del cuerpo) están altamente dopados, como lo indica un signo "+" después del tipo de dopaje.

Si el MOSFET es un canal n o nMOS FET, 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 se establece mediante la posición del nivel de Fermi en relación con los bordes de la banda de energía del semiconductor.

Con suficiente voltaje de puerta, el borde de la banda de valencia se aleja del nivel de Fermi y los orificios del cuerpo se alejan de la puerta.

Aún con una polarización de puerta más grande, 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 puerta por debajo del valor umbral, el canal está poco poblado y solo una corriente de fuga subumbral muy pequeña puede fluir entre la fuente y el drenaje.

Cuando se aplica un voltaje de puerta-fuente negativo, 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 de 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 la 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 cada lado en o encima de la capa semiconductora delgada. Pueden emplearse otros materiales semiconductores. Cuando las regiones de fuente y drenaje se forman por encima del canal en su totalidad o en parte, se denominan regiones de fuente / drenaje elevadas.

Comparación de MOSFET de tipo n y p ^[82]

Parámetro		nMOSFET	pMOSFET
Tipo de fuente / drenaje		tipo n	tipo p
Tipo de canal (condensador MOS)		tipo n	tipo p
Tipo de puerta	Polisilicio	n +	p +
	Metal	φ m ~ banda de conducción de Si	φ m ~ Si banda de valencia
Bien tipo		tipo p	tipo n
Voltaje umbral, V th		Positivo (mejora) Negativo (agotamiento)	Negativo (mejora) Positivo (agotamiento)
Doblado de bandas		Hacia abajo	Hacia arriba
Portadores de capa de inversión		Electrones	Agujeros
Tipo de sustrato		tipo p	tipo n

Modos de operacion

Fuente atada al cuerpo para garantizar que no haya sesgo del cuerpo:
arriba a la izquierda: subumbral, arriba a la derecha: modo óhmico, abajo a la izquierda: modo activo al inicio del pellizco, abajo a la derecha: modo activo hasta bien entrado el pellizco - evidente modulación de la longitud del canal

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

El funcionamiento de un MOSFET se puede dividir en tres modos diferentes, dependiendo de los voltajes en los terminales. En la siguiente discusión, se utiliza un modelo algebraico simplificado. ^[84] Las características del MOSFET moderno son más complejas que el modelo algebraico presentado aquí. ^[85]

Para un MOSFET de canal n en modo de mejora , los tres modos operativos son:

Modo de corte, subumbral e inversión débil

Cuando V _GS < V _th :

dónde ${\displaystyle V_{\text{GS}}}$ es el sesgo de puerta a fuente y ${\displaystyle V_{\text{th}}}$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 Fermi – Dirac de las energías electrónicas que permiten que algunos de los electrones más energéticos de la fuente entren en el canal y fluyan hacia el drenaje. Esto da como resultado una corriente subumbral que es una función exponencial del voltaje puerta-fuente. Si bien la corriente entre el drenaje y la fuente idealmente debería ser cero cuando el transistor se usa como interruptor apagado, existe una corriente de inversión débil, a veces llamada fuga subumbral.

En una inversión débil donde la fuente está ligada al volumen, la corriente varía exponencialmente con ${\displaystyle V_{\text{GS}}}$como se indica aproximadamente en: ^{[86] [87]}

${\displaystyle I_{\text{D}}\approx I_{\text{D0}}e^{\frac {V_{\text{GS}}-V_{\text{th}}}{nV_{\text{T}}}},}$

dónde ${\displaystyle I_{\text{D0}}}$ = actual en ${\displaystyle V_{\text{GS}}=V_{\text{th}}}$, la tensión térmica ${\displaystyle V_{\text{T}}=kT/q}$y el factor de pendiente n viene dado por:

${\displaystyle n=1+{\frac {C_{\text{dep}}}{C_{\text{ox}}}},\,}$

con ${\displaystyle C_{\text{dep}}}$ = capacitancia de la capa de agotamiento y ${\displaystyle C_{\text{ox}}}$= capacitancia de la capa de óxido. Esta ecuación se usa generalmente, pero es solo una aproximación adecuada para la fuente vinculada al volumen. Para la fuente no vinculada al volumen, la ecuación de subumbral para la corriente de drenaje en saturación es ^{[88] [89]}

${\displaystyle I_{\text{D}}\approx I_{\text{D0}}e^{\frac {\kappa \left(V_{\text{G}}-V_{\text{th}}\right)-V_{\text{S}}}{V_{\text{T}}}},}$

donde el ${\displaystyle \kappa }$ es el divisor de canal que viene dado por:

${\displaystyle \kappa ={\frac {C_{\text{ox}}}{C_{\text{ox}}+C_{\text{D}}}},}$

con ${\displaystyle C_{\text{D}}}$ = capacitancia de la capa de agotamiento y ${\displaystyle C_{\text{ox}}}$= capacitancia de la capa de óxido. En un dispositivo de canal largo, no hay dependencia del voltaje de drenaje de la corriente una vez${\displaystyle V_{\text{DS}}\gg V_{\text{T}}}$, pero a medida que se reduce la longitud del canal, la reducción de la barrera inducida por el drenaje introduce una dependencia del voltaje del drenaje que depende de manera compleja de la geometría del dispositivo (por ejemplo, el dopaje del canal, el dopaje de la unión, etc.). Con frecuencia, la tensión de umbral V _th para este modo se define como la tensión de puerta a la que se produce un valor seleccionado de la 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. ^{[90] [91] [92]} Al trabajar en la región de inversión débil, los MOSFET en estos circuitos ofrecen la relación transconductancia-corriente más alta posible, a saber:${\displaystyle g_{m}/I_{\text{D}}=1/\left(nV_{\text{T}}\right)}$, casi la de un transistor bipolar. ^[93]

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 dopado corporal que cambian el grado de disminución de la barrera inducida por el drenaje. La sensibilidad resultante a las variaciones de fabricación complica la optimización de las fugas y el rendimiento. ^{[94] [95]}

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

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 presenta pellizcos en el canal cerca del drenaje.

Modo triodo o región lineal (también conocido como modo óhmico ^{[96] [97]} )

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 puerta en relación con los voltajes de fuente y drenaje. La corriente desde el drenaje hasta la fuente se modela como:

${\displaystyle I_{\text{D}}=\mu _{n}C_{\text{ox}}{\frac {W}{L}}\left[\left(V_{\text{GS}}-V_{\rm {th}}\right)V_{\text{DS}}-{\frac {{V_{\text{DS}}}^{2}}{2}}\right](1+\lambda V_{DS})}$

dónde ${\displaystyle \mu _{n}}$ es la movilidad efectiva del portador de carga, ${\displaystyle W}$ es el ancho de la puerta, ${\displaystyle L}$ es la longitud de la puerta y ${\displaystyle C_{\text{ox}}}$es la capacitancia del óxido de la puerta por unidad de área. La transición de la región del subumbral exponencial a la región del triodo no es tan aguda como sugieren las ecuaciones.

Modo de saturación o activo ^{[98] [99]}

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 más alto que el voltaje de la fuente, los electrones se dispersan y la conducción no es a través de un canal estrecho sino a través de una distribución de corriente bidimensional o tridimensional más amplia 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 del 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 puerta-fuente, y se modela aproximadamente como:

${\displaystyle I_{\text{D}}={\frac {\mu _{n}C_{\text{ox}}}{2}}{\frac {W}{L}}\left[V_{\text{GS}}-V_{\text{th}}\right]^{2}\left[1+\lambda (V_{\text{DS}}-V_{\text{DSsat}})\right].}$

El factor adicional que involucra λ, el parámetro de modulación de la longitud del canal, modela la dependencia de la corriente en el voltaje de drenaje debido a la modulación de la longitud del canal , efectivamente similar al efecto temprano visto en los dispositivos bipolares. Según esta ecuación, un parámetro de diseño clave, la transconductancia MOSFET es:

${\displaystyle g_{m}={\frac {\partial I_{D}}{\partial V_{\text{GS}}}}={\frac {2I_{\text{D}}}{V_{\text{GS}}-V_{\text{th}}}}={\frac {2I_{\text{D}}}{V_{\text{ov}}}},}$

donde la combinación V _ov = V _GS  - V _th se denomina voltaje de sobremarcha , ^[100] y donde V _DSsat = V _GS  - V _th representa una pequeña discontinuidad en${\displaystyle I_{\text{D}}}$ que de otro modo aparecería en la transición entre el triodo y las regiones de saturación.

Otro parámetro de diseño clave es la resistencia de salida MOSFET ${\displaystyle r_{out}={\frac {V_{DS}}{I_{DS}}}}$ dada por:

${\displaystyle r_{\text{out}}\approx {\frac {1}{\lambda I_{\text{D}}}}}$.

r _out es la inversa de g _DS donde${\displaystyle g_{\text{DS}}={\frac {\partial I_{\text{DS}}}{\partial V_{\text{DS}}}}}$. I _D es la expresión en la región de saturación.

Si λ se toma como cero, la resistencia de salida infinita resultante puede simplificar el análisis del circuito, sin embargo, esto puede conducir a predicciones de circuito poco realistas, particularmente 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 portadora en el modo activo puede verse limitado por la saturación de la velocidad . Cuando domina la saturación de velocidad, la corriente de drenaje de saturación es más casi lineal que cuadrática en V _GS . En longitudes incluso 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 a una alta densidad de carga de inversión. Además, la reducción de la barrera inducida por el drenaje aumenta la corriente de estado apagado (corte) y requiere un aumento en el voltaje de umbral para compensar, lo que a su vez reduce la corriente de saturación.

Efecto corporal

Diagrama de bandas que muestra el efecto corporal. 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

La ocupación de las bandas de energía en un semiconductor se establece mediante la posición del nivel de Fermi en relación con los bordes de la banda de energía del semiconductor. La aplicación de una polarización inversa fuente-sustrato de la unión pn fuente-cuerpo introduce una división entre los niveles de Fermi para electrones y huecos, moviendo el nivel de Fermi para el canal más lejos del borde de la banda, reduciendo la ocupación del canal. El efecto es aumentar el voltaje de la puerta necesario para establecer el canal, como se ve en la figura. Este cambio en la fuerza del canal mediante la aplicación de polarización inversa se denomina "efecto corporal".

En pocas palabras, usando un ejemplo de nMOS, el sesgo puerta a cuerpo V _GB posiciona los niveles de energía de la banda de conducción, mientras que el sesgo fuente a cuerpo V _SB coloca el nivel de Fermi de electrones cerca de la interfaz, decidiendo la ocupación de estos niveles cerca de la interfaz y, por tanto, la fuerza de la capa o canal de inversión.

El efecto del cuerpo sobre el canal se puede describir mediante una modificación del voltaje umbral, aproximado por la siguiente ecuación:

${\displaystyle V_{\text{TB}}=V_{T0}+\gamma \left({\sqrt {V_{\text{SB}}+2\varphi _{B}}}-{\sqrt {2\varphi _{B}}}\right),}$ VTB = VT0 si VSB = 0, es decir, voltaje de umbral para los terminales de puerta y cuerpo en cortocircuito.

donde V _TB es el voltaje umbral con polarización del sustrato presente, y V _T0 es el valor cero- V _SB del voltaje umbral,${\displaystyle \gamma }$es el parámetro del efecto del cuerpo, 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 la puerta es suficiente para garantizar que haya un canal presente. ^[101] Como muestra esta ecuación, una polarización inversa V _SB > 0 provoca un aumento en el voltaje de umbral V _TB y, por lo tanto, exige un voltaje de puerta mayor antes de que se llene el canal.

El cuerpo se puede operar como una segunda puerta y, a veces, se denomina "puerta trasera"; el efecto de cuerpo a veces se denomina "efecto de puerta trasera". ^[102]

Símbolos de circuito

Se utilizan una variedad de símbolos para el MOSFET. El diseño básico es generalmente una línea para el canal con la fuente y el drenaje dejándola en ángulo recto y luego doblando 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 reducción (consulte los modos de reducción y mejora ). Se traza otra línea paralela al canal de la puerta.

El mayor o cuerpo de conexión, si se muestra, se muestra conectado a la parte posterior de la 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 el pozo P o el sustrato P) tiene la flecha apuntando hacia adentro (desde el volumen hasta el canal). Si la mayor parte está conectada a la fuente (como suele ser el caso con los dispositivos discretos), a veces se inclina para encontrarse con la fuente que sale del transistor. Si no se muestra el volumen (como suele ser el caso en el diseño de circuitos integrados, ya que generalmente son un volumen común), 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 ( out para nMOS, adentro para pMOS).

Comparación de símbolos MOSFET en modo de mejora y 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 aparecen más voltajes positivos más altos en la página que voltajes menos positivos, lo que implica que la corriente fluye "hacia abajo" en la página: ^{[103] [104] [105 ]}

Canal P
Canal N
	JFET	MOSFET enh.	MOSFET enh. (sin volumen)		Dep. De MOSFET

En los esquemas donde G, S, D no están etiquetados, las características detalladas del símbolo indican qué terminal es fuente y cuál es drenaje. Para los símbolos MOSFET de modo de mejora y modo de agotamiento (en las columnas dos y cinco), el terminal de origen es el que está conectado a la punta de flecha. Además, en este diagrama, la puerta se muestra en forma de "L", cuyo tramo 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 es la punta de flecha la que se debe utilizar para indicar el terminal de origen.

Para los símbolos en los que se muestra el terminal a granel, o cuerpo, aquí se muestra conectado internamente a la fuente (es decir, la punta de flecha negra 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 corporal, no necesariamente conectados a los terminales fuente de todos los transistores.

Tipos de MOSFET

Lógica PMOS y NMOS

La lógica MOS de canal P (PMOS) utiliza MOSFET de canal p para implementar puertas lógicas y otros circuitos digitales . La lógica MOS de canal N (NMOS) utiliza MOSFET de canal n para implementar puertas lógicas y otros circuitos digitales.

Para dispositivos con la misma capacidad de conducción de corriente, los MOSFET de canal n pueden hacerse más pequeños que los MOSFET de canal p, debido a que los portadores de carga de canal p ( huecos ) tienen menor movilidad que los portadores de carga de canal n ( electrones ) y producen solo uno. tipo de MOSFET en un sustrato de silicio es más barato y técnicamente más simple. Estos fueron los principios impulsores en el diseño de la lógica NMOS que utiliza exclusivamente MOSFET de canal n. Sin embargo, a diferencia de la lógica CMOS (sin tener en cuenta la corriente de fuga ), la lógica NMOS consume energía incluso cuando no se realiza ninguna conmutación.

Mohamed Atalla y Dawon Kahng demostraron originalmente dispositivos pMOS y nMOS con longitudes de puerta de 20 µm y luego 10 µm en 1960. ^{[15] [106]} Sus dispositivos MOSFET originales también tenían un espesor de óxido de puerta de 100 nm . ^[107] Sin embargo, los dispositivos nMOS no eran prácticos y solo el tipo pMOS eran dispositivos de trabajo prácticos. ^[15] Varios años más tarde se desarrolló un proceso NMOS más práctico. NMOS fue inicialmente más rápido que CMOS , por lo que NMOS se usó más ampliamente para computadoras en la década de 1970. ^[108] Con los avances en la tecnología, la lógica CMOS desplazó la lógica NMOS a mediados de la década de 1980 para convertirse en el proceso preferido para los chips digitales.

MOS complementario (CMOS)

El MOSFET se utiliza en la lógica digital complementaria de semiconductores de óxido de metal ( CMOS ), ^[109] 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 se empaquetan más transistores 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 juntos. Un voltaje alto en las puertas hará que el nMOSFET conduzca y el pMOSFET no conduzca y un voltaje bajo en las puertas provocará lo contrario. Durante el tiempo de conmutación a medida que el voltaje pasa de un estado a otro, ambos MOSFET se conducirán brevemente. Esta disposición reduce en gran medida el consumo de energía y la generación de calor.

El CMOS fue desarrollado por Chih-Tang Sah y Frank Wanlass en Fairchild Semiconductor en 1963. ^{[32] El} CMOS tenía un menor consumo de energía, pero inicialmente era más lento que el NMOS, que se usaba más ampliamente para computadoras en la década de 1970. En 1978, Hitachi introdujo el proceso CMOS de dos pocillos, que permitió que CMOS igualara el rendimiento de NMOS con un menor consumo de energía. El proceso CMOS de dos pozos finalmente superó a NMOS como el proceso de fabricación de semiconductores más común para computadoras en la década de 1980. ^[108] En las décadas de 1970 y 1980, la lógica CMOS consumía más de 7  veces menos energía que la lógica NMOS, ^[108] y aproximadamente 100.000 veces menos energía que la lógica transistor-transistor bipolar (TTL). ^[110]

Modo de agotamiento

Hay 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 hasta 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 de modo de agotamiento es equivalente a un interruptor normalmente cerrado (encendido), mientras que el dispositivo de modo de mejora es equivalente a un interruptor normalmente abierto (apagado). ^[111]

Debido a su bajo factor de ruido en la región de RF y su mejor ganancia , estos dispositivos a menudo se prefieren a los bipolares en las interfaces de RF , como en los televisores .

Familias MOSFET en modo de agotamiento incluyen BF960 por Siemens y Telefunken , y el BF980 en la década de 1980 por Philips (más tarde para convertirse en NXP Semiconductors ), cuyos derivados se siguen utilizando en AGC y RF del mezclador frontales.

Transistor de efecto de campo de metal-aislante-semiconductor (MISFET)

Transistor de efecto de campo semiconductor de metal-aislante, ^{[112] [113] [114]} o MISFET , es un término más general que MOSFET y un 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 la puerta en un MISFET es dióxido de silicio en un MOSFET, pero también se pueden emplear otros materiales. El dieléctrico de la puerta se encuentra directamente debajo del electrodo de la puerta y por encima del canal del MISFET. El término metal se ha utilizado históricamente para el material de la puerta, aunque ahora suele ser polisilicio altamente dopado o algún otro no metálico .

Los tipos de aisladores pueden ser:

• Dióxido de silicio, en MOSFET
• Aisladores orgánicos (p.ej., sin dopar trans- poliacetileno ; cianoetilo pululano , CEP ^{[de 115]} ), para FETs de base orgánica. ^[114]

MOSFET de puerta flotante (FGMOS)

El MOSFET de puerta flotante (FGMOS) es un tipo de MOSFET donde la puerta está aislada eléctricamente, creando un nodo flotante en CC y una serie de puertas o entradas secundarias se depositan sobre la puerta flotante (FG) y están eléctricamente aisladas de ella. El primer informe de un MOSFET de puerta flotante (FGMOS) fue realizado por Dawon Kahng (co-inventor del MOSFET original) y Simon Min Sze en 1967. ^[116]

El FGMOS se usa comúnmente como una celda de memoria de puerta flotante , el elemento de almacenamiento digital en EPROM , EEPROM y memorias flash . Otros usos del FGMOS incluyen un elemento computacional neuronal en redes neuronales , elemento de almacenamiento analógico, potenciómetros digitales y DAC de un solo transistor .

MOSFET de potencia

Dos MOSFET de potencia en paquetes de montaje en superficie D2PAK . Operando como interruptores, cada uno de estos componentes puede sostener un voltaje de bloqueo de 120 V en el estado apagado y puede conducir una corriente continua de 30  A en el 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 células.

Los MOSFET de potencia tienen una estructura diferente. ^[117] 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 mantenga tanto voltaje de bloqueo alto como corriente alta. La tensión nominal del transistor es una función del dopaje y el grosor de la capa N- epitaxial (ver sección transversal), mientras que la clasificación de corriente es una función del ancho del canal (cuanto más ancho es el canal, mayor es la corriente). En una estructura plana, las clasificaciones de voltaje de ruptura y corriente son ambas una función de las dimensiones del canal (respectivamente ancho y largo del canal), lo que resulta en un uso ineficaz del "estado de silicio". Con la estructura vertical, el área del componente es aproximadamente proporcional a la corriente que puede soportar, y el grosor del componente (en realidad, el grosor de la capa N-epitaxial) es proporcional al voltaje de ruptura. ^[118]

Los MOSFET de potencia con estructura lateral se utilizan principalmente en amplificadores de audio de gama alta 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. ^[119]

El MOSFET de potencia, que se utiliza comúnmente en la electrónica de potencia , se desarrolló a principios de la década de 1970. ^[120] El MOSFET de potencia permite una potencia de accionamiento de puerta baja, una velocidad de conmutación rápida y una capacidad avanzada de conexión en paralelo. ^[4]

Semiconductor de óxido de metal de doble difusión (DMOS)

Hay VDMOS (semiconductor de óxido metálico de difusión doble vertical) y LDMOS (semiconductor de óxido metálico de difusión doble lateral). La mayoría de los MOSFET de potencia se fabrican con esta tecnología.

Condensador MOS

El condensador MOS es parte de la estructura MOSFET, donde el condensador MOS está flanqueado por dos uniones pn . ^[121] El condensador MOS se utiliza ampliamente como condensador de almacenamiento en chips de memoria y como el bloque de construcción básico del dispositivo de carga acoplada (CCD) en la tecnología de sensores de imagen . ^[122] En DRAM ( memoria dinámica de acceso aleatorio ), cada celda de memoria generalmente consta de un MOSFET y un condensador MOS. ^[123]

Transistor de película fina (TFT)

El transistor de película delgada (TFT) es un tipo de MOSFET distinto del MOSFET estándar a granel. ^[124] El primer TFT fue inventado por Paul K. Weimer en RCA en 1962, basándose en el trabajo anterior de Atalla y Kahng sobre MOSFET. ^[125]

La idea de una pantalla de cristal líquido (LCD) basada en TFT fue concebida por Bernard Lechner de RCA Laboratories en 1968. ^[126] Lechner, FJ Marlowe, EO Nester y J. Tults demostraron el concepto en 1968 con una dispersión dinámica de matriz de 18x2 LCD que usaba MOSFET discretos estándar, ya que el rendimiento de TFT no era adecuado en ese momento. ^[127]

Transistores bipolares-MOS

BiCMOS es un circuito integrado que combina transistores BJT y CMOS en un solo chip. ^[128]

El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) es un transistor de potencia con características tanto de MOSFET como de transistor de unión bipolar (BJT). ^[129]

Sensores MOS

Se han desarrollado varios sensores MOSFET para medir parámetros físicos , químicos , biológicos y ambientales . ^[130] Los primeros sensores MOSFET incluyen el FET de puerta abierta (OGFET) introducido por Johannessen en 1970, ^[130] el transistor de efecto de campo sensible a iones (ISFET) inventado por Piet Bergveld en 1970, ^[131] el FET de adsorción ( ADFET) patentado por PF Cox en 1974, y un MOSFET sensible al hidrógeno demostrado por I. Lundstrom, MS Shivaraman, CS Svenson y L. Lundkvist en 1975. ^[130] El ISFET es un tipo especial de MOSFET con una puerta en una cierta distancia, ^[130] y donde la puerta de metal es reemplazada por una membrana sensible a iones , solución electrolítica y electrodo de referencia . ^[132]

A mediados de la década de 1980, se habían desarrollado muchos otros sensores MOSFET, incluido el sensor de gas FET (GASFET), el FET de superficie accesible (SAFET), el transistor de flujo de carga (CFT), el sensor de presión FET (PRESSFET), el transistor de efecto de campo químico ( ChemFET), referencia ISFET (REFET), biosensor FET (BioFET), FET modificado con enzima (ENFET) y FET modificado inmunológicamente (IMFET). ^[130] A principios de la década de 2000, se habían desarrollado tipos de BioFET como el transistor de efecto de campo de ADN (DNAFET), el FET modificado genéticamente (GenFET) y el BioFET de potencial celular (CPFET). ^[132]

Los dos tipos principales de sensores de imagen utilizados en la tecnología de imágenes digitales son el dispositivo de carga acoplada (CCD) y el sensor de píxeles activos (sensor CMOS). Tanto los sensores CCD como CMOS se basan en tecnología MOS, con el CCD basado en condensadores MOS y el sensor CMOS basado en transistores MOS. ^[77]

Transistor de efecto de campo de múltiples puertas (MuGFET)

Un FinFET (transistor de efecto de campo de aleta), un tipo de MOSFET de múltiples puertas .

El MOSFET de doble puerta (DGMOS) 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 la polarización de la compuerta del lado del drenaje a un potencial constante reduce la pérdida de ganancia causada por el efecto Miller , reemplazando dos transistores separados en la configuración de cascodo . Otros usos comunes en los circuitos de RF incluyen el control de ganancia y la mezcla (conversión de frecuencia). La descripción del tetrodo , aunque precisa, no replica el tetrodo del 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 más altas que los tubos de vacío de triodo . Estas mejoras suelen ser de un orden de magnitud (10 veces) o considerablemente más. Los transistores Tetrode (ya sea de unión bipolar o de efecto de campo) no exhiben mejoras de tal grado.

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 de óxido aislante a cada lado de la aleta la separa de la puerta. Los FinFET de SOI con un óxido grueso en la parte superior de la aleta se denominan FinFET de puerta doble y los que tienen un óxido delgado en la parte superior y en los lados se denominan FinFET de triple puerta . ^{[133] [134]}

Un transistor MOSFET de doble puerta fue demostrado por primera vez en 1984 por los investigadores del Laboratorio Electrotécnico Toshihiro Sekigawa y Yutaka Hayashi. ^{[135] [136]} Un GAAFET ( MOSFET de compuerta todo alrededor), un tipo de transistor 3D no plano de múltiples compuertas , fue demostrado por primera vez en 1988 por un equipo de investigación de Toshiba que incluía a Fujio Masuoka , H. Takato y K. Sunouchi . ^{[137] [138]} El FinFET (transistor de efecto de campo de aleta), un tipo de MOSFET de doble puerta 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. ^{[139] [ 140]} El desarrollo de MOSFET de nanocables de múltiples puertas se ha convertido desde entonces en fundamental para la nanoelectrónica . ^[141]

Transistor de efecto de campo cuántico (QFET)

Un transistor de efecto de campo cuántico (QFET) o un transistor de efecto de campo de pozo cuántico (QWFET) es un tipo de MOSFET ^{[142] [143] [144]} que aprovecha la tunelización cuántica para aumentar en gran medida la velocidad de operación del transistor. ^[145]

Radiaciones endurecidas por diseño (RHBD)

Los circuitos electrónicos semiconductores submicrométricos y nanométricos son la principal preocupación para operar dentro de la tolerancia normal en entornos de radiación hostil como el espacio exterior . Uno de los enfoques de diseño para hacer un dispositivo de diseño endurecido por radiación (RHBD) es el transistor de diseño cerrado (ELT). Normalmente, la puerta del MOSFET rodea el drenaje, que se coloca en el centro del ELT. La fuente del MOSFET rodea la puerta. Otro RHBD MOSFET se llama H-Gate. Ambos transistores tienen una corriente de fuga muy baja con respecto a la radiación. Sin embargo, son de gran tamaño y ocupan más espacio en el silicio que un MOSFET estándar. En diseños más antiguos de STI (aislamiento de zanja poco profunda), los impactos de radiación cerca de la región del óxido de silicio causan la inversión del canal en las esquinas del MOSFET estándar debido a la acumulación de cargas atrapadas inducidas por 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. Por lo tanto, la inversión del canal del dispositivo se produce a lo largo de los bordes del canal y el dispositivo crea una ruta de fuga en estado desactivado, lo que hace que se encienda. Entonces, la confiabilidad de los circuitos se degrada severamente. El ELT ofrece muchas ventajas. Estas ventajas incluyen la mejora de la confiabilidad al reducir la inversión de superficie 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 un borde de óxido de puerta (STI en la interfaz de la puerta) y, por lo tanto, la fuga de estado desactivado del transistor se reduce considerablemente. Los circuitos microelectrónicos de baja potencia que incluyen computadoras, dispositivos de comunicación y sistemas de monitoreo en el transbordador espacial y los satélites son muy diferentes a los que se usan en la Tierra. Requieren 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.) circuitos tolerantes. Estos dispositivos electrónicos especiales están diseñados aplicando diferentes técnicas que utilizan RHBD MOSFET para garantizar viajes y paseos espaciales más seguros para los astronautas.

Aplicaciones

El MOSFET generalmente forma la base de la electrónica moderna , ^[42] como el transistor dominante en los circuitos digitales , así como en los circuitos integrados analógicos . ^[3] Es la base de numerosas tecnologías modernas, ^[146] y se utiliza comúnmente para una amplia gama de aplicaciones. ^[47] Según Jean-Pierre Colinge, numerosas tecnologías modernas no existirían sin el MOSFET, como la industria informática moderna , los sistemas de telecomunicaciones digitales , los videojuegos , las calculadoras de bolsillo y los relojes de pulsera digitales , por ejemplo. ^[146]

Los dispositivos MOSFET discretos se utilizan ampliamente en aplicaciones como fuentes de alimentación conmutadas , unidades de frecuencia variable y otras aplicaciones de electrónica de potencia en las que cada dispositivo puede conmutar miles de vatios. Los amplificadores de radiofrecuencia hasta el espectro UHF utilizan transistores MOSFET como señal analógica y amplificadores de potencia. Los sistemas de radio también usan 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 el hogar y el automóvil. ^{[ cita requerida ]}

Los MOSFET en circuitos integrados son los elementos principales de los procesadores de computadora , la memoria de semiconductores , los sensores de imagen y la mayoría de los otros tipos de circuitos integrados.

Circuito integrado MOS (MOS IC)

El MOSFET es el tipo de transistor más utilizado y el componente de dispositivo más crítico en chips de circuito integrado (IC). ^[147] El chip de circuito integrado monolítico se habilitó mediante el proceso de pasivación superficial , que estabilizó eléctricamente las superficies de silicio mediante oxidación térmica , lo que hizo posible la fabricación de chips de circuito integrado monolítico utilizando silicio. El proceso de pasivación de la superficie fue desarrollado por Mohamed M. Atalla en Bell Labs en 1957. Esta fue la base para el proceso planar , desarrollado por Jean Hoerni en Fairchild Semiconductor a principios de 1959, que fue fundamental para la invención del chip de circuito integrado monolítico por Robert Noyce más tarde en 1959. ^{[148] [149] [17]} El mismo año, ^[8] Atalla usó su proceso de pasivación de superficie para inventar el MOSFET con Dawon Kahng en Bell Labs. ^{[14] [13] A} esto siguió el desarrollo de salas limpias para reducir la contaminación a niveles nunca antes considerados necesarios, y coincidió con el desarrollo de la fotolitografía ^[150] que, junto con la pasivación de la superficie y el proceso plano, permitió que los circuitos se hecho en pocos pasos.

Mohamed Atalla propuso por primera vez el concepto del chip de circuito integrado MOS (MOS IC) en 1960, y señaló que la facilidad de fabricación del MOSFET lo hacía útil para circuitos integrados. ^[9] En contraste con los transistores bipolares que requerían una serie de pasos para el aislamiento de la unión p – n de los transistores en un chip, los MOSFET no requerían tales pasos, pero podían aislarse fácilmente entre sí. ^[29] Su ventaja para los circuitos integrados fue reiterada por Dawon Kahng en 1961. ^[21] El sistema Si - SiO 2 poseía las atracciones técnicas de bajo costo de producción (por circuito) y facilidad de integración. Estos dos factores, junto con su miniaturización en rápida escala y su bajo consumo de energía , llevaron al MOSFET a convertirse en el tipo de transistor más utilizado en chips IC.

El primer circuito integrado MOS experimental que se demostró fue un chip de 16 transistores construido por Fred Heiman y Steven Hofstein en RCA en 1962. ^[56] General Microelectronics luego introdujo los primeros circuitos integrados MOS comerciales en 1964, que constaba de 120 transistores de canal p . ^[151] Era un registro de desplazamiento de 20 bits , desarrollado por Robert Norman ^[56] y Frank Wanlass . ^[152] En 1968, los investigadores de Fairchild Semiconductor Federico Faggin y Tom Klein desarrollaron el primer MOS IC de puerta de silicio . ^[35]

Integración MOS a gran escala (MOS LSI)

Con su alta escalabilidad , ^[48] y mucho menor consumo de energía y mayor densidad que los transistores de unión bipolar, ^[51] el MOSFET hizo posible construir chips IC de alta densidad . ^[1] En 1964, los chips MOS habían alcanzado una mayor densidad de transistores y menores costos de fabricación que los chips bipolares . Los chips MOS aumentaron aún más en complejidad a un ritmo predicho por la ley de Moore , lo que llevó a la integración a gran escala (LSI) con cientos de MOSFET en un chip a fines de la década de 1960. ^{[153] La} tecnología MOS permitió la integración de más de 10,000 transistores en un solo chip LSI a principios de la década de 1970, ^[154] antes de permitir más tarde la integración a gran escala (VLSI). ^{[50] [155]}

Microprocesadores

El MOSFET es la base de cada microprocesador , ^[45] y fue el responsable de la invención del microprocesador. ^[156] Los orígenes tanto del microprocesador como del microcontrolador se remontan a la invención y el desarrollo de la tecnología MOS. La aplicación de chips MOS LSI a la informática fue la base de los primeros microprocesadores, ya que los ingenieros comenzaron a reconocer que un procesador de computadora completo podía estar contenido en un solo chip MOS LSI. ^[153]

Los primeros microprocesadores eran todos chips MOS, construidos con circuitos MOS LSI. Los primeros microprocesadores multichip , el Four-Phase Systems AL1 en 1969 y el Garrett AiResearch MP944 en 1970, se desarrollaron con varios chips MOS LSI. El primer microprocesador comercial de un solo chip, el Intel 4004 , fue desarrollado por Federico Faggin , utilizando su tecnología MOS IC de puerta de silicio, con los ingenieros de Intel Marcian Hoff y Stan Mazor , y el ingeniero de Busicom Masatoshi Shima . ^[157] Con la llegada de los microprocesadores CMOS en 1975, el término "microprocesadores MOS" comenzó a referirse a chips fabricados completamente a partir de lógica PMOS o fabricados completamente a partir de lógica NMOS , en contraste con "microprocesadores CMOS" y " procesadores bipolares de corte de bits ". ^[158]

Circuitos CMOS

Digital

El crecimiento de tecnologías digitales como el microprocesador ha proporcionado la motivación para hacer avanzar la tecnología MOSFET más rápido que cualquier otro tipo de transistor basado en silicio. ^[159] Una gran ventaja de los MOSFET para 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 efectivamente un MOSFET en una etapa lógica de las etapas anteriores y posteriores, lo que permite que una sola salida MOSFET controle un número 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. Esa extensión está definida por la frecuencia de operación: a medida que aumentan las frecuencias, la impedancia de entrada de los MOSFET disminuye.

Cosa análoga

Las ventajas del MOSFET en circuitos digitales no se traducen en supremacía en todos los circuitos analógicos . Los dos tipos de circuito se basan en diferentes características del comportamiento del transistor. Los circuitos digitales se conmutan y pasan la mayor parte del tiempo encendidos o apagados por completo. La transición de uno a otro es solo una preocupación con respecto a la velocidad y la carga requeridas. Los circuitos analógicos dependen del funcionamiento en la región de transición donde pequeños cambios en V _gs pueden modular la corriente de salida (drenaje). El JFET y el transistor de unión bipolar (BJT) son los preferidos para una coincidencia precisa (de dispositivos adyacentes en circuitos integrados), una mayor transconductancia y ciertas características de temperatura que simplifican mantener el 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 incluso rompiendo ligeramente la base del emisor). ^{[ vago ]} Las características y el rendimiento de muchos circuitos analógicos se pueden escalar hacia arriba o hacia abajo cambiando los tamaños (largo y ancho) de los MOSFET utilizados. En comparación, en los transistores bipolares, el tamaño del dispositivo no afecta significativamente su rendimiento. ^{[ cita requerida ]} 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 hacen elementos de interruptores casi ideales, y también hacen que los circuitos analógicos de capacitores conmutados sean prácticos. En su región lineal, los MOSFET se pueden usar como resistencias de precisión, que pueden tener una resistencia controlada mucho más alta que los BJT. En circuitos de alta potencia, los MOSFET a veces tienen la ventaja de no sufrir fugas térmicas como lo hacen los BJT. ^{[ dudoso - discutir ]} Además, los MOSFET se pueden configurar para funcionar como condensadores y circuitos giratorios que permiten que los amplificadores operacionales hechos a partir de ellos aparezcan como inductores, lo que permite que todos los dispositivos analógicos normales en un chip (excepto los diodos, que pueden ser hecho más pequeño que un MOSFET de todos modos) para ser construido completamente con MOSFET. Esto significa que se pueden hacer circuitos analógicos completos en un chip de silicio en un espacio mucho más pequeño y con técnicas de fabricación más simples. Los MOSFETS son ideales para conmutar cargas inductivas debido a su tolerancia al retroceso inductivo.

Algunos circuitos integrados combinan circuitos MOSFET analógicos y digitales en un solo 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 en 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. Dichos dispositivos tienen las ventajas de puertas aisladas y una mayor densidad de corriente.

A finales de la década de 1980, Asad Abidi fue pionero en la tecnología RF CMOS , que utiliza circuitos MOS VLSI , mientras trabajaba en UCLA . Esto cambió la forma en que se diseñaron los circuitos de RF , alejándose de los transistores bipolares discretos y hacia los circuitos integrados CMOS. A partir de 2008, los transceptores de radio en todos los dispositivos de red inalámbrica y los teléfonos móviles modernos se producen en masa como dispositivos RF CMOS. RF CMOS también se utiliza en casi todos los dispositivos Bluetooth y LAN inalámbricos (WLAN) modernos . ^[160]

Memoria MOS

La llegada del MOSFET permitió el uso práctico de transistores MOS como elementos de almacenamiento de celdas de memoria, una función que anteriormente cumplían los núcleos magnéticos en la memoria de la computadora . ^[161] La primera memoria de computadora moderna se introdujo en 1965, cuando John Schmidt de Fairchild Semiconductor diseñó la primera memoria de semiconductores MOS , una MOS SRAM ( memoria estática de acceso aleatorio ) de 64 bits . ^[162] SRAM se convirtió en una alternativa a la memoria de núcleo magnético , pero requirió seis transistores MOS para cada bit de datos. ^[163]

La tecnología MOS es la base de DRAM ( memoria dinámica de acceso aleatorio ). En 1966, el Dr. Robert H. Dennard del IBM Thomas J. Watson Research Center estaba trabajando en la memoria MOS . Mientras examinaba las características de la tecnología MOS, descubrió que era capaz de construir condensadores , y que almacenar una carga o ninguna carga en el condensador MOS podría representar el 1 y el 0 de un bit, mientras que el transistor MOS podría controlar la escritura de la carga en el condensador. Esto lo llevó al desarrollo de una celda de memoria DRAM de un solo transistor. ^[163] En 1967, Dennard presentó una patente bajo IBM para una celda de memoria DRAM (memoria dinámica de acceso aleatorio) de un solo transistor, basada en la tecnología MOS. ^{[164] La} memoria MOS permitía un mayor rendimiento, era más barata y consumía menos energía que la memoria de núcleo magnético , lo que llevó a la memoria MOS a superar a la memoria de núcleo magnético como la tecnología de memoria informática dominante a principios de la década de 1970. ^[165]

Frank Wanlass , mientras estudiaba las estructuras MOSFET en 1963, notó el movimiento de carga a través del óxido hacia una puerta . Si bien no la siguió, esta idea se convertiría más tarde en la base de la tecnología EPROM (memoria de sólo lectura programable y borrable ). ^[166] En 1967, Dawon Kahng y Simon Min Sze propusieron que las celdas de memoria de puerta flotante , que consisten en MOSFET de puerta flotante (FGMOS), podrían usarse para producir ROM reprogramable ( memoria de solo lectura ). ^[167] Las celdas de memoria de puerta flotante se convirtieron más tarde en la base de las tecnologías de memoria no volátil (NVM), incluidas EPROM, EEPROM (ROM programable borrable eléctricamente) y memoria flash . ^[168]

Electrónica de consumo

Los MOSFET se utilizan ampliamente en la electrónica de consumo . Uno de los primeros productos electrónicos de consumo influyentes habilitados por los circuitos MOS LSI fue la calculadora electrónica de bolsillo , ^[154] ya que la tecnología MOS LSI permitió grandes cantidades de capacidad computacional en paquetes pequeños. ^[169] En 1965, la calculadora de escritorio Victor 3900 fue la primera calculadora MOS , con 29 chips MOS. ^[170] En 1967, Texas Instruments Cal-Tech fue el primer prototipo de calculadora electrónica de mano , con tres chips MOS LSI, y luego fue lanzada como Canon Pocketronic en 1970. ^[171] La calculadora de escritorio Sharp QT-8D fue la La primera calculadora LSI MOS producida en serie en 1969, ^[172] y la Sharp EL-8, que usaba cuatro chips MOS LSI, fue la primera calculadora de mano electrónica comercial en 1970. ^[171] La primera calculadora de bolsillo electrónica verdadera fue la Busicom LE-120A HANDY LE, que utilizaba una sola calculadora MOS LSI en un chip de Mostek , y fue lanzado en 1971. ^[171] En 1972, los circuitos MOS LSI se comercializaron para muchas otras aplicaciones. ^[173]

Los MOSFET son fundamentales para la tecnología de la información y las comunicaciones (TIC), ^{[66] [79]} incluidas las computadoras modernas , ^{[174] [146] [155]} la informática moderna , ^{[175] las} telecomunicaciones , la infraestructura de comunicaciones , ^{[174] [176]} la Internet , ^{[174] [72] [177]} telefonía digital , ^[178] telecomunicaciones inalámbricas , ^{[179] [180]} y redes móviles . ^[180] Según Colinge, la industria informática moderna y los sistemas de telecomunicaciones digitales no existirían sin el MOSFET. ^[146] Los avances en la tecnología MOS han sido el factor que más ha contribuido al rápido aumento del ancho de banda de las redes de telecomunicaciones , duplicando el ancho de banda cada 18 meses, de bits por segundo a terabits por segundo ( ley de Edholm ). ^[181]

Sensores MOS

Los sensores MOS , también conocidos como sensores MOSFET, se utilizan ampliamente para medir parámetros físicos , químicos , biológicos y ambientales . ^[130] El transistor de efecto de campo sensible a iones (ISFET), por ejemplo, se utiliza ampliamente en aplicaciones biomédicas . ^[132] También se ha demostrado ampliamente que las resistencias químicas MOS y los MOSFET tienen aplicaciones prometedoras en la detección de gases, ya sea como dispositivos de sensor único o como componentes en conjuntos de sensores químicos . ^[182]

Los MOSFET también se utilizan ampliamente en sistemas microelectromecánicos (MEMS), ya que los MOSFET de silicio podrían interactuar y comunicarse con el entorno y procesar cosas como productos químicos , movimientos y luz . ^[183] Un ejemplo temprano de un dispositivo MEMS es el transistor de puerta resonante, una adaptación del MOSFET, desarrollado por Harvey C. Nathanson en 1965. ^[184]

La tecnología MOS es la base de los sensores de imagen modernos , incluido el dispositivo de carga acoplada (CCD) y el sensor de píxeles activos CMOS (sensor CMOS), que se utilizan en imágenes digitales y cámaras digitales . ^[77] Willard Boyle y George E. Smith desarrollaron el CCD en 1969. Mientras investigaban el proceso MOS, se dieron cuenta de que una carga eléctrica era la analogía de la burbuja magnética y que podía almacenarse en un minúsculo condensador MOS. Como era bastante sencillo fabricar una serie de condensadores MOS en una fila, les conectaron un voltaje adecuado para que la carga pudiera pasar de uno a otro. ^[77] El CCD es un circuito semiconductor que luego se usó en las primeras cámaras de video digitales para transmisiones de televisión . ^[185]

El MOS sensor activo-pixel (APS) fue desarrollado por Tsutomu Nakamura en Olympus en 1985. ^[186] El sensor CMOS de píxeles activos se desarrolló más tarde por Eric Fossum y su equipo de la NASA 's Jet Propulsion Laboratory en la década de 1990. ^[187]

Los sensores de imagen MOS se utilizan ampliamente en la tecnología de mouse óptico . El primer ratón óptico, inventado por Richard F. Lyon en Xerox en 1980, utilizó un chip sensor NMOS de 5  µm . ^{[188] [189]} Desde el primer ratón óptico comercial, el IntelliMouse introducido en 1999, la mayoría de los dispositivos de ratón óptico utilizan sensores CMOS. ^[190]

MOSFET de potencia

El MOSFET de potencia es el dispositivo de potencia más utilizado en el mundo. ^{[4] Las} ventajas sobre los transistores de unión bipolar en la electrónica de potencia incluyen los MOSFET que no requieren un flujo continuo de corriente de excitación para permanecer en el estado ON, lo que ofrece velocidades de conmutación más altas, pérdidas de potencia de conmutación más bajas, resistencias de encendido más bajas y menor susceptibilidad a la fuga térmica. ^[191] El MOSFET de potencia tuvo un impacto en las fuentes de alimentación , permitiendo frecuencias de funcionamiento más altas, reducción de tamaño y peso y un mayor volumen de producción. ^[192]

Las fuentes de alimentación conmutadas son las aplicaciones más comunes de los MOSFET de potencia. ^[53] También se utilizan ampliamente para amplificadores de potencia MOS RF , que permitieron la transición de las redes móviles de analógicas a digitales en la década de 1990. Esto condujo a la amplia proliferación de redes móviles inalámbricas, que revolucionaron los sistemas de telecomunicaciones . ^[179] El LDMOS en particular es el amplificador de potencia más utilizado en redes móviles, como 2G , 3G , ^[179] 4G y 5G . ^[180] Más de 50.000  millones de MOSFET de potencia discreta se envían anualmente, a partir de 2018. Se utilizan ampliamente en sistemas de comunicaciones , industriales y de automoción en particular. ^{[193] Los} MOSFET de potencia se utilizan comúnmente en la electrónica del automóvil , en particular como dispositivos de conmutación en unidades de control electrónico , ^[194] y como convertidores de potencia en vehículos eléctricos modernos . ^[195] El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT), un transistor híbrido MOS-bipolar, también se utiliza para una amplia variedad de aplicaciones. ^[196]

Construcción

Material de la puerta

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 más técnicas en su papel como material de puerta estándar. Sin embargo, hay varias razones que favorecen el uso de polisilicio:

1. El voltaje de umbral (y, en consecuencia, el drenaje a la fuente de corriente) se modifica por la diferencia de función de trabajo entre el material de la puerta y el material del canal. Debido a que el polisilicio es un semiconductor, su función de trabajo se puede modular ajustando el tipo y nivel de dopaje. Además, debido a que el polisilicio tiene la misma banda prohibida que el canal de silicio subyacente, es bastante sencillo sintonizar la función de trabajo para lograr voltajes de umbral bajos para dispositivos NMOS y PMOS. Por el contrario, las funciones de trabajo de los metales no se modulan fácilmente, por lo que ajustar la función de trabajo para obtener voltajes de umbral bajo (LVT) se convierte en un desafío importante. Además, la obtención de dispositivos de bajo umbral en dispositivos PMOS y NMOS a veces requiere el uso de diferentes metales para cada tipo de dispositivo. Si bien los circuitos integrados bimetálicos (es decir, un tipo de metal para electrodos de puerta de NFETS y un segundo tipo de metal para electrodos de puerta de PFETS) no son comunes, se conocen en la literatura de patentes y brindan algún beneficio en términos de sintonización de circuitos eléctricos en general. rendimiento eléctrico.
2. La interfase silicio-SiO ₂ ha sido bien estudiada y se sabe que tiene relativamente pocos defectos. Por el contrario, muchas interfaces de metal-aislante contienen niveles significativos de defectos que pueden conducir a la fijación del nivel de Fermi , la carga u otros fenómenos que, en última instancia, degradan el rendimiento del dispositivo.
3. En el proceso de fabricación de MOSFET IC , es preferible depositar el material de la puerta antes de ciertos pasos de alta temperatura para hacer transistores de mejor rendimiento. Estos pasos de alta temperatura derretirían algunos metales, limitando los tipos de metal que se pueden usar en un proceso basado en puertas metálicas.

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 metálicas. Estas desventajas incluyen:

• El polisilicio no es un gran conductor (aproximadamente 1000 veces más resistivo que los metales) lo que reduce la velocidad de propagación de la señal a través del material. La resistividad se puede reducir aumentando el nivel de dopaje, pero incluso el polisilicio altamente dopado no es tan conductor como la mayoría de los metales. Para mejorar aún más la conductividad, a veces se alea un metal de alta temperatura como tungsteno , titanio , cobalto y, más recientemente, níquel con las capas superiores del polisilicio. Este material mezclado se llama siliciuro . La combinación de siliciuro-polisilicio tiene mejores propiedades eléctricas que el polisilicio solo y todavía no se funde en el procesamiento posterior. Además, el voltaje umbral no es significativamente más alto que con el polisilicio solo, porque el material de siliciuro no está cerca del canal. El proceso en el que se forma siliciuro tanto en el electrodo de puerta como en las regiones de fuente y drenaje se denomina a veces salicida , siliciuro autoalineado.
• Cuando los transistores están extremadamente reducidos, es necesario hacer que la capa dieléctrica de la compuerta sea muy delgada, alrededor de 1 nm en tecnologías de vanguardia. Un fenómeno que se observa aquí es el llamado poli empobrecimiento , donde se forma una capa de agotamiento en la capa de polisilicio de la puerta junto al dieléctrico de la puerta cuando el transistor está en la inversión. Para evitar este problema, se desea una puerta de metal. Se utilizan una variedad de compuertas metálicas como tántalo , tungsteno, nitruro de tántalo y nitruro de titanio , generalmente junto con dieléctricos de alto κ . Una alternativa es utilizar compuertas de polisilicio totalmente silicidizadas, un proceso conocido como FUSI.

Las CPU de alto rendimiento actuales utilizan tecnología de puerta metálica, junto con dieléctricos de alto κ , una combinación conocida como puerta de metal de alto κ (HKMG). Las desventajas de las puertas metálicas se superan mediante algunas técnicas: ^[197]

1. El voltaje de umbral se ajusta al incluir una capa delgada de "metal de función de trabajo" entre el dieléctrico de alto κ y el metal principal. Esta capa es lo suficientemente delgada como para que la función de trabajo total de la puerta se vea influenciada por las funciones de trabajo del metal principal y del metal delgado (ya sea debido a la aleación durante el recocido o simplemente debido al cribado incompleto del metal delgado). Por tanto, la tensión de umbral puede ajustarse mediante el grosor de la fina capa de metal.
2. Los dieléctricos de alto κ están ahora bien estudiados y se comprenden sus defectos.
3. Existen procesos HKMG que no requieren que los metales experimenten recocidos a alta temperatura; otros procesos seleccionan metales que pueden sobrevivir al paso de recocido.

Aislante

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 de silicio ( LOCOS ). En el caso de los dispositivos a nanoescala, en algún momento se produce la tunelización 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, tenga en cuenta que la ley de Gauss conecta el campo con la carga como:

${\displaystyle Q=\kappa \epsilon _{0}E,}$

con Q = densidad de carga, κ = constante dieléctrica, ε ₀ = permitividad del espacio vacío y E = campo eléctrico. A partir de esta ley, parece que se puede mantener la misma carga en el canal en un campo inferior siempre que aumente κ. El voltaje en la puerta viene dado por:

${\displaystyle V_{\text{G}}=V_{\text{ch}}+E\,t_{\text{ins}}=V_{\text{ch}}+{\frac {Qt_{\text{ins}}}{\kappa \epsilon _{0}}},}$

con V _G = voltaje de la puerta, V _ch = voltaje en el lado del canal del aislante y t _ins = espesor del aislante. Esta ecuación muestra que el voltaje de la puerta no aumentará cuando el espesor del aislante aumente, 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 puerta ).

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 por encima del canal del MOSFET.

Diseño de empalmes

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

Las uniones fuente-cuerpo y drenaje-cuerpo son objeto de mucha atención debido a tres factores principales: su diseño afecta las características de corriente-voltaje ( I-V ) del dispositivo, la reducción de 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 potencia de reserva 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 usar el dopaje con halo , es decir, la adición de regiones muy delgadas muy dopadas del mismo tipo de dopaje que el cuerpo apretadas contra las paredes de unión para limitar la extensión de las regiones de agotamiento . ^[198]

Los efectos capacitivos están limitados por el uso de fuentes elevadas y geometrías de drenaje que hacen que la mayor parte del borde del área de contacto sea dieléctrica gruesa en lugar de silicio. ^[199]

Estas diversas características del diseño de uniones se muestran (con licencia artística ) en la figura.

Escalada

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

Versión MOSFET del espejo actual con aumento de 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.

Durante las últimas décadas, el MOSFET (como se usa para la lógica digital) se ha reducido continuamente en tamaño; Las longitudes típicas de los canales MOSFET fueron alguna vez de varios micrómetros , pero los circuitos integrados modernos están incorporando MOSFET con longitudes de canal 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. La industria de los semiconductores mantiene una "hoja de ruta", el ITRS , ^[200] que marca el ritmo del desarrollo de MOSFET. Históricamente, las dificultades para disminuir el tamaño del MOSFET se han asociado con el proceso de fabricación del dispositivo semiconductor, la necesidad de usar voltajes muy bajos y con un rendimiento eléctrico más pobre que requiere el rediseño y la innovación del circuito (los MOSFET pequeños exhiben corrientes de fuga más altas y una resistencia de salida más baja). ). A partir de 2019, los MOSFET más pequeños en producción son nodos semiconductores FinFET de 5 nm , fabricados por Samsung Electronics y TSMC . ^{[201] [202]}

Los MOSFET más pequeños son deseables por varias razones. La razón principal para hacer los transistores más pequeños es empacar 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 el número 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, durante los últimos 30 años, el número de transistores por chip se ha duplicado cada 2-3 años una vez que se introduce un nuevo nodo de tecnología. Por ejemplo, el número de MOSFET en un microprocesador fabricado con una tecnología de 45 nm puede ser el doble que en un chip de 65 nm . Esta duplicación de la densidad de transistores fue observada por primera vez por Gordon Moore en 1965 y se la conoce comúnmente como ley de Moore . ^[203] También se espera que los transistores más pequeños cambien más rápido. Por ejemplo, un enfoque para la reducción de tamaño es una escala del MOSFET que requiere que todas las dimensiones del dispositivo se reduzcan proporcionalmente. Las dimensiones principales del dispositivo son la longitud del canal, el ancho del canal y el espesor del óxido. Cuando se reducen por factores iguales, la resistencia del canal del transistor no cambia, mientras que la capacitancia de la puerta se reduce por ese factor. Por lo tanto, el retardo RC del transistor se 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 los procesos como la deposición de la capa atómica ( ALD ) han mejorado la fabricación de componentes pequeños, el tamaño pequeño del MOSFET (menos de unas pocas decenas de nanómetros) ha creado problemas operativos:

Conducción subumbral más alta

A medida que las geometrías del MOSFET se reducen, el voltaje que se puede aplicar a la puerta debe reducirse para mantener la confiabilidad. Para mantener el rendimiento, el voltaje umbral del MOSFET también debe reducirse. A medida que se reduce el voltaje de umbral, el transistor no se puede cambiar de un apagado completo a un encendido completo con la oscilación de voltaje limitada disponible; el diseño del circuito es un compromiso entre una corriente fuerte en el caso de encendido y una corriente baja en el caso de apagado , y la aplicación determina si se debe favorecer a uno sobre el otro. La fuga subumbral (incluida la conducción subumbral, la fuga de óxido de compuerta y la fuga de unión con polarización inversa), que se ignoraba en el pasado, ahora puede consumir más de la mitad del consumo total de energía de los chips VLSI modernos de alto rendimiento. ^{[204] [205]}

Mayor fuga de óxido de puerta

El óxido de la puerta, que sirve como aislante entre la puerta 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 subumbrales cuando el transistor está apagado. Sin embargo, con óxidos de puerta de corriente con un grosor de alrededor de 1,2  nm (que en el silicio tiene ~ 5  átomos de grosor), el fenómeno mecánico cuántico de túnel de electrones ocurre entre la puerta y el canal, lo que lleva a un mayor consumo de energía. El dióxido de silicio se ha utilizado tradicionalmente como aislante de la puerta. Sin embargo, el dióxido de silicio tiene una constante dieléctrica modesta. El aumento de la constante dieléctrica del dieléctrico de la puerta permite una capa más gruesa mientras se mantiene una capacitancia alta (la capacitancia es proporcional a la constante dieléctrica e inversamente proporcional al espesor dieléctrico). Todo lo demás igual, un mayor espesor dieléctrico reduce la corriente de túnel cuántico a través del dieléctrico entre la puerta y el canal. Los aislantes que tienen una constante dieléctrica mayor que el dióxido de silicio (denominados dieléctricos de alto κ ), como los silicatos metálicos del grupo IVb, como los silicatos y óxidos de hafnio y circonio, se están utilizando para reducir las fugas en la puerta desde el nodo de tecnología de 45 nanómetros en adelante. Por otro lado, la altura de la barrera del nuevo aislante de la 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, dióxido de silicio, la barrera anterior es de aproximadamente 8 eV . Para muchos dieléctricos alternativos, el valor es significativamente más bajo, lo que tiende a aumentar la corriente de túnel, negando algo la ventaja de una constante dieléctrica más alta. El voltaje máximo de la puerta-fuente está determinado por la fuerza 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 hace más delgado, la intensidad del campo eléctrico dentro de él aumenta para un voltaje fijo. Esto requiere el uso de voltajes más bajos con el dieléctrico más delgado.

Mayor fuga en la unión

Para hacer los dispositivos más pequeños, el diseño de las uniones se ha vuelto más complejo, lo que lleva a niveles más altos de dopaje , uniones menos profundas, dopaje en "halo", etc. ^{[206] [207]} todo para disminuir la reducción de la barrera inducida por el drenaje (ver la sección sobre diseño de uniones ). Para mantener estas complejas uniones en su lugar, los pasos de recocido utilizados anteriormente para eliminar daños y defectos eléctricamente activos deben reducirse ^[208] aumentando las fugas en las uniones. El dopaje más pesado 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 daño de la red.

Drain inducida barrera bajada (DIBL) y V _T roll off

Debido al efecto de canal corto , la compuerta no realiza completamente la formación del canal, pero ahora el drenaje y la fuente también afectan la formación del canal. A medida que disminuye la longitud del canal, las regiones de agotamiento de la fuente y el drenaje se acercan y hacen que el voltaje umbral ( V _T ) sea una función de la longitud del canal. Esto se llama V _T roll-off. V _T también se convierte en función del drenaje a la fuente de voltaje V _DS . A medida que aumentamos el V _DS , las regiones de agotamiento aumentan de tamaño y el V _DS agota una cantidad considerable de carga . El voltaje de puerta requerido para formar el canal luego se reduce y, por lo tanto, V _T disminuye con un aumento en V _DS . Este efecto se denomina reducción de la barrera inducida por el drenaje (DIBL).

Resistencia de salida más baja

Para el funcionamiento analógico, una buena ganancia requiere una alta impedancia de salida del MOSFET, es decir, la corriente del MOSFET debe variar solo ligeramente con el voltaje de drenaje a fuente aplicado. A medida que los dispositivos se hacen más pequeños, la influencia del drenaje compite con más éxito con la de la puerta debido a la creciente proximidad de estos dos electrodos, lo que aumenta la sensibilidad de la corriente MOSFET al voltaje de 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 de cascodo y cascada , o mediante circuitos de retroalimentación que utilizan amplificadores operacionales , por ejemplo, un circuito como el de la figura adyacente.

Menor transconductancia

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 impurezas dopantes aumentan. Ambos cambios reducen la movilidad del portador y, por tanto, la transconductancia. A medida que se reducen las longitudes de los canales sin una reducción proporcional del voltaje de drenaje, lo que aumenta el campo eléctrico en el canal, el resultado es la saturación de la velocidad de las portadoras, lo que limita la corriente y la transconductancia.

Capacitancia de interconexión

Tradicionalmente, el tiempo de conmutación era aproximadamente proporcional a la capacitancia de las puertas. Sin embargo, con los transistores cada vez más pequeños y se colocan más transistores en el chip, la capacitancia de interconexión (la capacitancia de las conexiones de la capa metálica entre las diferentes partes del chip) se está convirtiendo en un gran porcentaje de la capacitancia. ^{[209] [210] Las} señales tienen que viajar a través de la interconexión, lo que conduce a un mayor retraso y un menor rendimiento.

Producción de calor

La densidad cada vez mayor de MOSFET en un circuito integrado crea problemas de generación de calor localizada sustancial que puede afectar el funcionamiento del circuito. Los circuitos funcionan más lentamente a altas temperaturas y tienen una fiabilidad reducida y una vida útil más corta. Ahora se requieren disipadores de calor y otros dispositivos y métodos de enfriamiento para muchos circuitos integrados, incluidos los microprocesadores. Los MOSFET de potencia están en riesgo de fuga térmica . A medida que su resistencia en estado aumenta con la temperatura, si la carga es aproximadamente una carga de corriente constante, la pérdida de potencia 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 da como resultado la destrucción del dispositivo.

Variaciones de proceso

Con los MOSFET cada vez más pequeños, la cantidad de átomos en el silicio que producen muchas de las propiedades del transistor es cada vez menor, con el resultado de que el control de los números 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: longitud, 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 contrae. Las características del transistor se vuelven menos seguras, más estadísticas. La naturaleza aleatoria de la fabricación significa que no sabemos qué ejemplo particular de MOSFET terminarán realmente 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 la variación del proceso , el diseño para la fabricación , la ingeniería de confiabilidad y el control estadístico del proceso . ^[211]

Desafíos de modelado

Los circuitos integrados modernos se simulan por computadora con el objetivo de obtener circuitos de trabajo desde el primer lote fabricado. A medida que los dispositivos se miniaturizan, la complejidad del procesamiento hace que sea difícil predecir exactamente cómo se verán los dispositivos finales, y el modelado de los procesos físicos también se vuelve más desafiante. Además, las variaciones microscópicas en la estructura debido simplemente a la naturaleza probabilística de los procesos atómicos requieren predicciones estadísticas (no solo deterministas). Estos factores se combinan para dificultar la simulación adecuada y la fabricación "correcta a la primera".

Una regla de escala relacionada es la ley de Edholm . En 2004, Phil Edholm observó que el ancho de banda de las redes de telecomunicaciones (incluida Internet ) se duplica cada 18 meses. ^[212] En el transcurso de varias décadas, el ancho de banda de las redes de comunicación ha aumentado de bits por segundo a terabits por segundo . El rápido aumento en el ancho de banda de las telecomunicaciones se debe en gran medida al mismo escalado de MOSFET que habilita la ley de Moore, ya que las redes de telecomunicaciones se construyen a partir de MOSFET. ^[181]

Cronología

PMOS y NMOS

Demostraciones de MOSFET ( PMOS y NMOS )

Fecha	Longitud del canal	Espesor de óxido [213]	Lógica MOSFET	Investigador (es)	Organización	Árbitro
Junio ​​de 1960	20.000 nm	100 nm	PMOS	Mohamed M. Atalla , Dawon Kahng	Laboratorios Bell Telephone	[214] [215]
			NMOS
	10,000 nm	100 nm	PMOS	Mohamed M. Atalla , Dawon Kahng	Laboratorios Bell Telephone	[216]
			NMOS
Mayo de 1965	8.000 millas náuticas	150 nm	NMOS	Chih-Tang Sah , Otto Leistiko, AS Grove	Fairchild Semiconductor	[217]
	5,000 nm	170 nanómetro	PMOS
Diciembre de 1972	1.000 nm	?	PMOS	Robert H. Dennard , Fritz H. Gaensslen, Hwa-Nien Yu	Centro de investigación IBM TJ Watson	[218] [219] [220]
1973	7.500 millas náuticas	?	NMOS	Sohichi Suzuki	Comité ejecutivo nacional	[221] [222]
	6.000 millas náuticas	?	PMOS	?	Toshiba	[223] [224]
Octubre de 1974	1.000 nm	35 nm	NMOS	Robert H. Dennard , Fritz H. Gaensslen, Hwa-Nien Yu	Centro de investigación IBM TJ Watson	[225]
	500 nm
Septiembre de 1975	1.500 millas náuticas	20 millas náuticas	NMOS	Ryoichi Hori, Hiroo Masuda y Osamu Minato	Hitachi	[219] [226]
Marzo de 1976	3.000 millas náuticas	?	NMOS	?	Intel	[227]
Abril de 1979	1.000 nm	25 millas náuticas	NMOS	William R. Hunter, LM Ephrath y Alice Cramer	Centro de investigación IBM TJ Watson	[228]
Diciembre de 1984	100 nm	5 millas náuticas	NMOS	Toshio Kobayashi, Seiji Horiguchi, K. Kiuchi	Nippon Telegraph y teléfono	[229]
Diciembre de 1985	150 nm	2,5 nm	NMOS	Toshio Kobayashi, Seiji Horiguchi, M. Miyake, M. Oda	Nippon Telegraph y teléfono	[230]
	75 millas náuticas	?	NMOS	Stephen Y. Chou, Henry I. Smith, Dimitri A. Antoniadis	MIT	[231]
Enero de 1986	60 nm	?	NMOS	Stephen Y. Chou, Henry I. Smith, Dimitri A. Antoniadis	MIT	[232]
Junio ​​de 1987	200 nm	3,5 nanómetro	PMOS	Toshio Kobayashi, M. Miyake, K. Deguchi	Nippon Telegraph y teléfono	[233]
Diciembre de 1993	40 nm	?	NMOS	Mizuki Ono, Masanobu Saito, Takashi Yoshitomi	Toshiba	[234]
Septiembre de 1996	16 millas náuticas	?	PMOS	Hisao Kawaura, Toshitsugu Sakamoto, Toshio Baba	Comité ejecutivo nacional	[235]
Junio ​​de 1998	50 nm	1,3 nm	NMOS	Khaled Z. Ahmed, Effiong E. Ibok, Miryeong Song	Microdispositivos avanzados (AMD)	[236] [237]
Diciembre de 2002	6 nm	?	PMOS	Bruce Doris, Omer Dokumaci y Meikei Ieong	IBM	[238] [239] [240]
Diciembre de 2003	3 nm	?	PMOS	Hitoshi Wakabayashi, Shigeharu Yamagami	Comité ejecutivo nacional	[241] [239]
		?	NMOS

CMOS (puerta única)

Demostraciones complementarias de MOSFET ( CMOS ) ( puerta única )

Fecha	Longitud del canal	Espesor de óxido [213]	Investigador (es)	Organización	Árbitro
Febrero de 1963	?	?	Chih-Tang Sah , Frank Wanlass	Fairchild Semiconductor	[242] [243]
1968	20.000 nm	100 nm	?	Laboratorios RCA	[244]
1970	10,000 nm	100 nm	?	Laboratorios RCA	[244]
Diciembre de 1976	2.000 millas náuticas	?	A. Aitken, RG Poulsen, ATP MacArthur, JJ White	Mitel Semiconductor	[245]
Febrero de 1978	3.000 millas náuticas	?	Toshiaki Masuhara, Osamu Minato, Toshio Sasaki, Yoshio Sakai	Laboratorio central de investigación de Hitachi	[246] [247] [248]
Febrero de 1983	1200 nm	25 millas náuticas	RJC Chwang, M. Choi, D. Creek, S. Stern, PH Pelley	Intel	[249] [250]
	900 nm	15 millas náuticas	Tsuneo Mano, J. Yamada, Junichi Inoue, S. Nakajima	Nippon Telegraph and Telephone (NTT)	[249] [251]
Diciembre de 1983	1.000 nm	22,5 nanómetro	GJ Hu, Yuan Taur, Robert H. Dennard , Chung-Yu Ting	Centro de investigación IBM TJ Watson	[252]
Febrero de 1987	800 nm	17 millas náuticas	T. Sumi, Tsuneo Taniguchi, Mikio Kishimoto, Hiroshige Hirano	Matsushita	[249] [253]
	700 nm	12 millas náuticas	Tsuneo Mano, J. Yamada, Junichi Inoue, S. Nakajima	Nippon Telegraph and Telephone (NTT)	[249] [254]
Septiembre de 1987	500 nm	12,5 nanómetro	Hussein I. Hanafi, Robert H. Dennard , Yuan Taur, Nadim F. Haddad	Centro de investigación IBM TJ Watson	[255]
Diciembre de 1987	250 nm	?	Naoki Kasai, Nobuhiro Endo, Hiroshi Kitajima	Comité ejecutivo nacional	[256]
Febrero de 1988	400 nm	10 nm	M. Inoue, H. Kotani, T. Yamada, Hiroyuki Yamauchi	Matsushita	[249] [257]
Diciembre de 1990	100 nm	?	Ghavam G. Shahidi , Bijan Davari , Yuan Taur, James D. Warnock	Centro de investigación IBM TJ Watson	[258]
1993	350 nm	?	?	Sony	[259]
1996	150 nm	?	?	Mitsubishi Electric
1998	180 nm	?	?	TSMC	[260]
Diciembre de 2003	5 millas náuticas	?	Hitoshi Wakabayashi, Shigeharu Yamagami, Nobuyuki Ikezawa	Comité ejecutivo nacional	[241] [261]

MOSFET de múltiples puertas (MuGFET)

Demostraciones de MOSFET de compuerta múltiple ( MuGFET )

Fecha	Longitud del canal	Tipo de MuGFET	Investigador (es)	Organización	Árbitro
Agosto de 1984	?	DGMOS	Toshihiro Sekigawa, Yutaka Hayashi	Laboratorio electrotécnico (ETL)	[262]
1987	2.000 millas náuticas	DGMOS	Toshihiro Sekigawa	Laboratorio electrotécnico (ETL)	[263]
Diciembre de 1988	250 nm	DGMOS	Bijan Davari , Wen-Hsing Chang, Matthew R. Wordeman, CS Oh	Centro de investigación IBM TJ Watson	[264] [265]
	180 nm
	?	GAAFET	Fujio Masuoka , Hiroshi Takato, Kazumasa Sunouchi, N. Okabe	Toshiba	[266] [267] [268]
Diciembre de 1989	200 nm	FinFET	Digh Hisamoto, Toru Kaga, Yoshifumi Kawamoto, Eiji Takeda	Laboratorio central de investigación de Hitachi	[269] [270] [271]
Diciembre de 1998	17 millas náuticas	FinFET	Digh Hisamoto, Chenming Hu , Tsu-Jae King Liu , Jeffrey Bokor	Universidad de California, Berkeley)	[272] [273]
2001	15 millas náuticas	FinFET	Chenming Hu , Yang-Kyu Choi, Nick Lindert, Tsu-Jae King Liu	Universidad de California, Berkeley)	[272] [274]
Diciembre de 2002	10 nm	FinFET	Shbly Ahmed, Scott Bell, Cyrus Tabery, Jeffrey Bokor	Universidad de California, Berkeley)	[272] [275]
Junio ​​de 2006	3 nm	GAAFET	Hyunjin Lee, Yang-kyu Choi, Lee-Eun Yu, Seong-Wan Ryu	KAIST	[276] [277]

Otros tipos de MOSFET

Demostraciones de MOSFET ( otros tipos )

Fecha	Longitud del canal (nm)	Espesor del óxido (nm) [213]	Tipo MOSFET	Investigador (es)	Organización	Árbitro
Octubre de 1962	?	?	TFT	Paul K. Weimer	Laboratorios RCA	[278] [279]
1965	?	?	GaAs	H. Becke, R. Hall, J. White	Laboratorios RCA	[280]
Octubre de 1966	100.000	100	TFT	TP Brody, HE Kunig	Westinghouse Electric	[281] [282]
Agosto 1967	?	?	FGMOS	Dawon Kahng , Simon Min Sze	Laboratorios Bell Telephone	[283]
Octubre de 1967	?	?	MNOS	HA Richard Wegener, AJ Lincoln, HC Pao	Corporación Sperry	[284]
Julio de 1968	?	?	BiMOS	Hung-Chang Lin , Ramachandra R. Iyer	Westinghouse Electric	[285] [286]
Octubre de 1968	?	?	BiCMOS	Hung-Chang Lin , Ramachandra R. Iyer, CT Ho	Westinghouse Electric	[287] [286]
1969	?	?	VMOS	?	Hitachi	[288] [289]
Septiembre de 1969	?	?	DMOS	Y. Tarui, Y. Hayashi, Toshihiro Sekigawa	Laboratorio electrotécnico (ETL)	[290] [291]
Octubre de 1970	?	?	ISFET	Piet Bergveld	Universidad de Twente	[292] [293]
Octubre de 1970	1000	?	DMOS	Y. Tarui, Y. Hayashi, Toshihiro Sekigawa	Laboratorio electrotécnico (ETL)	[294]
1977	?	?	VDMOS	John Louis Moll	Laboratorios HP	[288]
	?	?	LDMOS	?	Hitachi	[295]
Julio de 1979	?	?	IGBT	Bantval Jayant Baliga y Margaret Lazeri	Energia General	[296]
Diciembre de 1984	2000	?	BiCMOS	H. Higuchi, Goro Kitsukawa, Takahide Ikeda, Y. Nishio	Hitachi	[297]
Mayo de 1985	300	?	?	K. Deguchi, Kazuhiko Komatsu, M. Miyake, H. Namatsu	Nippon Telegraph y teléfono	[298]
Febrero de 1985	1000	?	BiCMOS	H. Momose, Hideki Shibata, S. Saitoh, Jun-ichi Miyamoto	Toshiba	[299]
Noviembre de 1986	90	8.3	?	Han-Sheng Lee, LC Puzio	Motores generales	[300]
Diciembre de 1986	60	?	?	Ghavam G. Shahidi , Dimitri A. Antoniadis, Henry I. Smith	MIT	[301] [232]
Mayo de 1987	?	10	?	Bijan Davari , Chung-Yu Ting, Kie Y. Ahn, S. Basavaiah	Centro de investigación IBM TJ Watson	[302]
Diciembre de 1987	800	?	BiCMOS	Robert H. Havemann, RE Eklund, Hiep V. Tran	Instrumentos Texas	[303]
Junio ​​de 1997	30	?	EJ-MOSFET	Hisao Kawaura, Toshitsugu Sakamoto, Toshio Baba	Comité ejecutivo nacional	[304]
1998	32	?	?	?	Comité ejecutivo nacional	[239]
1999	8	?	?	?
Abril de 2000	8	?	EJ-MOSFET	Hisao Kawaura, Toshitsugu Sakamoto, Toshio Baba	Comité ejecutivo nacional	[305]

Ver también

• BSIM
• ggNMOS
• Transistor de alta movilidad de electrones
• Efecto de agotamiento de polisilicio
• Efecto Hall cuántico
• Modelo de transistor
• Diodo intrínseco

Referencias

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     ${\displaystyle \varphi _{B}={\frac {k_{B}T}{q}}\ln \left({\frac {N_{A}}{n_{i}}}\right)\ ,}$

     con n _i la densidad intrínseca del operador móvil por unidad de volumen en el volumen. Ver, por ejemplo, Arora, Narain (2007). "Ecuación 5.12" . Modelado Mosfet para simulación VLSI: teoría y práctica . World Scientific. pag. 173. ISBN 978-981-256-862-5.
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