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 .
Principio de funcionamiento | Semiconductor |
---|---|
Inventado | 1959 |
Primera producción | 1960 |
Configuración de pines | puerta (G), cuerpo (B), fuente (S) y drenaje (D) |
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.
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, 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 del transistor 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
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
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 (conla densidad de aceptores , p la densidad de agujeros; p = N A en masa neutra), un voltaje positivo,, 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) ) . Sies 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
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.
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 |
|
| |
Doblado de bandas | Hacia abajo | Hacia arriba | |
Portadores de capa de inversión | Electrones | Agujeros | |
Tipo de sustrato | tipo p | tipo n |
Modos de operacion
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 es el sesgo de puerta a fuente y es el voltaje umbral del dispositivo.
Según el modelo de umbral básico, el transistor está apagado y no hay conducción entre el drenaje y la fuente. Un modelo más preciso considera el efecto de la energía térmica en la distribución de 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 como se indica aproximadamente en: [86] [87]
dónde = actual en , la tensión térmica y el factor de pendiente n viene dado por:
con = capacitancia de la capa de agotamiento y = 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]
donde el es el divisor de canal que viene dado por:
con = capacitancia de la capa de agotamiento y = capacitancia de la capa de óxido. En un dispositivo de canal largo, no hay dependencia del voltaje de drenaje de la corriente una vez, pero a medida que se reduce la longitud del canal, la reducción de la barrera inducida por el drenaje introduce una dependencia del voltaje 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:, 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 dopaje del cuerpo que cambian el grado de reducción de la barrera inducida por el drenaje. La sensibilidad resultante a las variaciones de fabricación complica la optimización de las fugas y el rendimiento. [94] [95]
- 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:
dónde es la movilidad efectiva del portador de carga, es el ancho de la puerta, es la longitud de la puerta y 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:
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:
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 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 dada por:
- .
r out es la inversa de g DS donde. I D es la expresión en la región de saturación.
Si λ se toma como cero, 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
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, utilizando 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:
- 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,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 orgánico (por ejemplo, sin dopar trans- poliacetileno ; cianoetilo pululano , CEP [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
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)
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 más baja 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 apagado, lo que hace que el dispositivo 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 ] 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]
MOS sensors
MOS sensors, also known as MOSFET sensors, are widely used to measure physical, chemical, biological and environmental parameters.[130] The ion-sensitive field-effect transistor (ISFET), for example, is widely used in biomedical applications.[132] MOS chemiresistors and MOSFETs have also been extensively shown to have promising applications is gas sensing either as single sensor devices or as components in chemical sensor arrays.[182]
MOSFETs are also widely used in microelectromechanical systems (MEMS), as silicon MOSFETs could interact and communicate with the surroundings and process things such as chemicals, motions and light.[183] An early example of a MEMS device is the resonant-gate transistor, an adaptation of the MOSFET, developed by Harvey C. Nathanson in 1965.[184]
MOS technology is the basis for modern image sensors, including the charge-coupled device (CCD) and the CMOS active-pixel sensor (CMOS sensor), used in digital imaging and digital cameras.[77] Willard Boyle and George E. Smith developed the CCD in 1969. While researching the MOS process, they realized that an electric charge was the analogy of the magnetic bubble and that it could be stored on a tiny MOS capacitor. As it was fairly straightforward to fabricate a series of MOS capacitors in a row, they connected a suitable voltage to them so that the charge could be stepped along from one to the next.[77] The CCD is a semiconductor circuit that was later used in the first digital video cameras for television broadcasting.[185]
The MOS active-pixel sensor (APS) was developed by Tsutomu Nakamura at Olympus in 1985.[186] The CMOS active-pixel sensor was later developed by Eric Fossum and his team at NASA's Jet Propulsion Laboratory in the early 1990s.[187]
MOS image sensors are widely used in optical mouse technology. The first optical mouse, invented by Richard F. Lyon at Xerox in 1980, used a 5 µm NMOS sensor chip.[188][189] Since the first commercial optical mouse, the IntelliMouse introduced in 1999, most optical mouse devices use CMOS sensors.[190]
Power MOSFETs
The power MOSFET is the most widely used power device in the world.[4] Advantages over bipolar junction transistors in power electronics include MOSFETs not requiring a continuous flow of drive current to remain in the ON state, offering higher switching speeds, lower switching power losses, lower on-resistances, and reduced susceptibility to thermal runaway.[191] The power MOSFET had an impact on power supplies, enabling higher operating frequencies, size and weight reduction, and increased volume production.[192]
Switching power supplies are the most common applications for power MOSFETs.[53] They are also widely used for MOS RF power amplifiers, which enabled the transition of mobile networks from analog to digital in the 1990s. This led to the wide proliferation of wireless mobile networks, which revolutionised telecommunication systems.[179] The LDMOS in particular is the most widely used power amplifier in mobile networks, such as 2G, 3G,[179] 4G, and 5G.[180] Over 50 billion discrete power MOSFETs are shipped annually, as of 2018. They are widely used for automotive, industrial and communications systems in particular.[193] Power MOSFETs are commonly used in automotive electronics, particularly as switching devices in electronic control units,[194] and as power converters in modern electric vehicles.[195] The insulated-gate bipolar transistor (IGBT), a hybrid MOS-bipolar transistor, is also used for a wide variety of applications.[196]
Construcción
Gate material
The primary criterion for the gate material is that it is a good conductor. Highly doped polycrystalline silicon is an acceptable but certainly not ideal conductor, and also suffers from some more technical deficiencies in its role as the standard gate material. Nevertheless, there are several reasons favoring use of polysilicon:
- The threshold voltage (and consequently the drain to source on-current) is modified by the work function difference between the gate material and channel material. Because polysilicon is a semiconductor, its work function can be modulated by adjusting the type and level of doping. Furthermore, because polysilicon has the same bandgap as the underlying silicon channel, it is quite straightforward to tune the work function to achieve low threshold voltages for both NMOS and PMOS devices. By contrast, the work functions of metals are not easily modulated, so tuning the work function to obtain low threshold voltages (LVT) becomes a significant challenge. Additionally, obtaining low-threshold devices on both PMOS and NMOS devices sometimes requires the use of different metals for each device type. While bimetallic integrated circuits (i.e., one type of metal for gate electrodes of NFETS and a second type of metal for gate electrodes of PFETS) are not common, they are known in patent literature and provide some benefit in terms of tuning electrical circuits' overall electrical performance.
- The silicon-SiO2 interface has been well studied and is known to have relatively few defects. By contrast many metal-insulator interfaces contain significant levels of defects which can lead to Fermi level pinning, charging, or other phenomena that ultimately degrade device performance.
- In the MOSFET IC fabrication process, it is preferable to deposit the gate material prior to certain high-temperature steps in order to make better-performing transistors. Such high temperature steps would melt some metals, limiting the types of metal that can be used in a metal-gate-based process.
While polysilicon gates have been the de facto standard for the last twenty years, they do have some disadvantages which have led to their likely future replacement by metal gates. These disadvantages include:
- Polysilicon is not a great conductor (approximately 1000 times more resistive than metals) which reduces the signal propagation speed through the material. The resistivity can be lowered by increasing the level of doping, but even highly doped polysilicon is not as conductive as most metals. To improve conductivity further, sometimes a high-temperature metal such as tungsten, titanium, cobalt, and more recently nickel is alloyed with the top layers of the polysilicon. Such a blended material is called silicide. The silicide-polysilicon combination has better electrical properties than polysilicon alone and still does not melt in subsequent processing. Also the threshold voltage is not significantly higher than with polysilicon alone, because the silicide material is not near the channel. The process in which silicide is formed on both the gate electrode and the source and drain regions is sometimes called salicide, self-aligned silicide.
- When the transistors are extremely scaled down, it is necessary to make the gate dielectric layer very thin, around 1 nm in state-of-the-art technologies. A phenomenon observed here is the so-called poly depletion, where a depletion layer is formed in the gate polysilicon layer next to the gate dielectric when the transistor is in the inversion. To avoid this problem, a metal gate is desired. A variety of metal gates such as tantalum, tungsten, tantalum nitride, and titanium nitride are used, usually in conjunction with high-κ dielectrics. An alternative is to use fully silicided polysilicon gates, a process known as FUSI.
Present high performance CPUs use metal gate technology, together with high-κ dielectrics, a combination known as high-κ, metal gate (HKMG). The disadvantages of metal gates are overcome by a few techniques:[197]
- The threshold voltage is tuned by including a thin "work function metal" layer between the high-κ dielectric and the main metal. This layer is thin enough that the total work function of the gate is influenced by both the main metal and thin metal work functions (either due to alloying during annealing, or simply due to the incomplete screening by the thin metal). The threshold voltage thus can be tuned by the thickness of the thin metal layer.
- High-κ dielectrics are now well studied, and their defects are understood.
- HKMG processes exist that do not require the metals to experience high temperature anneals; other processes select metals that can survive the annealing step.
Insulator
As devices are made smaller, insulating layers are made thinner, often through steps of thermal oxidation or localised oxidation of silicon (LOCOS). For nano-scaled devices, at some point tunneling of carriers through the insulator from the channel to the gate electrode takes place. To reduce the resulting leakage current, the insulator can be made thinner by choosing a material with a higher dielectric constant. To see how thickness and dielectric constant are related, note that Gauss's law connects field to charge as:
with Q = charge density, κ = dielectric constant, ε0 = permittivity of empty space and E = electric field. From this law it appears the same charge can be maintained in the channel at a lower field provided κ is increased. The voltage on the gate is given by:
with VG = gate voltage, Vch = voltage at channel side of insulator, and tins = insulator thickness. This equation shows the gate voltage will not increase when the insulator thickness increases, provided κ increases to keep tins / κ = constant (see the article on high-κ dielectrics for more detail, and the section in this article on gate-oxide leakage).
The insulator in a MOSFET is a dielectric which can in any event be silicon oxide, formed by LOCOS but many other dielectric materials are employed. The generic term for the dielectric is gate dielectric since the dielectric lies directly below the gate electrode and above the channel of the MOSFET.
Junction design
The source-to-body and drain-to-body junctions are the object of much attention because of three major factors: their design affects the current–voltage (I–V) characteristics of the device, lowering output resistance, and also the speed of the device through the loading effect of the junction capacitances, and finally, the component of stand-by power dissipation due to junction leakage.
The drain induced barrier lowering of the threshold voltage and channel length modulation effects upon I-V curves are reduced by using shallow junction extensions. In addition, halo doping can be used, that is, the addition of very thin heavily doped regions of the same doping type as the body tight against the junction walls to limit the extent of depletion regions.[198]
The capacitive effects are limited by using raised source and drain geometries that make most of the contact area border thick dielectric instead of silicon.[199]
These various features of junction design are shown (with artistic license) in the figure.
Escalada
Over the past decades, the MOSFET (as used for digital logic) has continually been scaled down in size; typical MOSFET channel lengths were once several micrometres, but modern integrated circuits are incorporating MOSFETs with channel lengths of tens of nanometers. Robert Dennard's work on scaling theory was pivotal in recognising that this ongoing reduction was possible. The semiconductor industry maintains a "roadmap", the ITRS,[200] which sets the pace for MOSFET development. Historically, the difficulties with decreasing the size of the MOSFET have been associated with the semiconductor device fabrication process, the need to use very low voltages, and with poorer electrical performance necessitating circuit redesign and innovation (small MOSFETs exhibit higher leakage currents and lower output resistance). As of 2019, the smallest MOSFETs in production are 5 nm FinFET semiconductor nodes, manufactured by Samsung Electronics and TSMC.[201][202]
Smaller MOSFETs are desirable for several reasons. The main reason to make transistors smaller is to pack more and more devices in a given chip area. This results in a chip with the same functionality in a smaller area, or chips with more functionality in the same area. Since fabrication costs for a semiconductor wafer are relatively fixed, the cost per integrated circuits is mainly related to the number of chips that can be produced per wafer. Hence, smaller ICs allow more chips per wafer, reducing the price per chip. In fact, over the past 30 years the number of transistors per chip has been doubled every 2–3 years once a new technology node is introduced. For example, the number of MOSFETs in a microprocessor fabricated in a 45 nm technology can well be twice as many as in a 65 nm chip. This doubling of transistor density was first observed by Gordon Moore in 1965 and is commonly referred to as Moore's law.[203] It is also expected that smaller transistors switch faster. For example, one approach to size reduction is a scaling of the MOSFET that requires all device dimensions to reduce proportionally. The main device dimensions are the channel length, channel width, and oxide thickness. When they are scaled down by equal factors, the transistor channel resistance does not change, while gate capacitance is cut by that factor. Hence, the RC delay of the transistor scales with a similar factor. While this has been traditionally the case for the older technologies, for the state-of-the-art MOSFETs reduction of the transistor dimensions does not necessarily translate to higher chip speed because the delay due to interconnections is more significant.
Producing MOSFETs with channel lengths much smaller than a micrometre is a challenge, and the difficulties of semiconductor device fabrication are always a limiting factor in advancing integrated circuit technology. Though processes such as atomic layer deposition (ALD) have improved fabrication for small components, the small size of the MOSFET (less than a few tens of nanometers) has created operational problems:
- Higher subthreshold conduction
- As MOSFET geometries shrink, the voltage that can be applied to the gate must be reduced to maintain reliability. To maintain performance, the threshold voltage of the MOSFET has to be reduced as well. As threshold voltage is reduced, the transistor cannot be switched from complete turn-off to complete turn-on with the limited voltage swing available; the circuit design is a compromise between strong current in the on case and low current in the off case, and the application determines whether to favor one over the other. Subthreshold leakage (including subthreshold conduction, gate-oxide leakage and reverse-biased junction leakage), which was ignored in the past, now can consume upwards of half of the total power consumption of modern high-performance VLSI chips. [204][205]
- Increased gate-oxide leakage
- The gate oxide, which serves as insulator between the gate and channel, should be made as thin as possible to increase the channel conductivity and performance when the transistor is on and to reduce subthreshold leakage when the transistor is off. However, with current gate oxides with a thickness of around 1.2 nm (which in silicon is ~5 atoms thick) the quantum mechanical phenomenon of electron tunneling occurs between the gate and channel, leading to increased power consumption. Silicon dioxide has traditionally been used as the gate insulator. Silicon dioxide however has a modest dielectric constant. Increasing the dielectric constant of the gate dielectric allows a thicker layer while maintaining a high capacitance (capacitance is proportional to dielectric constant and inversely proportional to dielectric thickness). All else equal, a higher dielectric thickness reduces the quantum tunneling current through the dielectric between the gate and the channel. Insulators that have a larger dielectric constant than silicon dioxide (referred to as high-κ dielectrics), such as group IVb metal silicates e.g. hafnium and zirconium silicates and oxides are being used to reduce the gate leakage from the 45 nanometer technology node onwards. On the other hand, the barrier height of the new gate insulator is an important consideration; the difference in conduction band energy between the semiconductor and the dielectric (and the corresponding difference in valence band energy) also affects leakage current level. For the traditional gate oxide, silicon dioxide, the former barrier is approximately 8 eV. For many alternative dielectrics the value is significantly lower, tending to increase the tunneling current, somewhat negating the advantage of higher dielectric constant. The maximum gate–source voltage is determined by the strength of the electric field able to be sustained by the gate dielectric before significant leakage occurs. As the insulating dielectric is made thinner, the electric field strength within it goes up for a fixed voltage. This necessitates using lower voltages with the thinner dielectric.
- Increased junction leakage
- To make devices smaller, junction design has become more complex, leading to higher doping levels, shallower junctions, "halo" doping and so forth, [206][207] all to decrease drain-induced barrier lowering (see the section on junction design). To keep these complex junctions in place, the annealing steps formerly used to remove damage and electrically active defects must be curtailed [208] increasing junction leakage. Heavier doping is also associated with thinner depletion layers and more recombination centers that result in increased leakage current, even without lattice damage.
- Drain-induced barrier lowering (DIBL) and VT roll off
- Because of the short-channel effect, channel formation is not entirely done by the gate, but now the drain and source also affect the channel formation. As the channel length decreases, the depletion regions of the source and drain come closer together and make the threshold voltage ( VT) a function of the length of the channel. This is called VT roll-off. VT also becomes function of drain to source voltage VDS. As we increase the VDS, the depletion regions increase in size, and a considerable amount of charge is depleted by the VDS. The gate voltage required to form the channel is then lowered, and thus, the VT decreases with an increase in VDS. This effect is called drain induced barrier lowering (DIBL).
- Lower output resistance
- For analog operation, good gain requires a high MOSFET output impedance, which is to say, the MOSFET current should vary only slightly with the applied drain-to-source voltage. As devices are made smaller, the influence of the drain competes more successfully with that of the gate due to the growing proximity of these two electrodes, increasing the sensitivity of the MOSFET current to the drain voltage. To counteract the resulting decrease in output resistance, circuits are made more complex, either by requiring more devices, for example the cascode and cascade amplifiers, or by feedback circuitry using operational amplifiers, for example a circuit like that in the adjacent figure.
- Lower transconductance
- The transconductance of the MOSFET decides its gain and is proportional to hole or electron mobility (depending on device type), at least for low drain voltages. As MOSFET size is reduced, the fields in the channel increase and the dopant impurity levels increase. Both changes reduce the carrier mobility, and hence the transconductance. As channel lengths are reduced without proportional reduction in drain voltage, raising the electric field in the channel, the result is velocity saturation of the carriers, limiting the current and the transconductance.
- Interconnect capacitance
- Traditionally, switching time was roughly proportional to the gate capacitance of gates. However, with transistors becoming smaller and more transistors being placed on the chip, interconnect capacitance (the capacitance of the metal-layer connections between different parts of the chip) is becoming a large percentage of capacitance. [209][210] Signals have to travel through the interconnect, which leads to increased delay and lower performance.
- Heat production
- The ever-increasing density of MOSFETs on an integrated circuit creates problems of substantial localized heat generation that can impair circuit operation. Circuits operate more slowly at high temperatures, and have reduced reliability and shorter lifetimes. Heat sinks and other cooling devices and methods are now required for many integrated circuits including microprocessors. Power MOSFETs are at risk of thermal runaway. As their on-state resistance rises with temperature, if the load is approximately a constant-current load then the power loss rises correspondingly, generating further heat. When the heatsink is not able to keep the temperature low enough, the junction temperature may rise quickly and uncontrollably, resulting in destruction of the device.
- Process variations
- With MOSFETs becoming smaller, the number of atoms in the silicon that produce many of the transistor's properties is becoming fewer, with the result that control of dopant numbers and placement is more erratic. During chip manufacturing, random process variations affect all transistor dimensions: length, width, junction depths, oxide thickness etc., and become a greater percentage of overall transistor size as the transistor shrinks. The transistor characteristics become less certain, more statistical. The random nature of manufacture means we do not know which particular example MOSFETs actually will end up in a particular instance of the circuit. This uncertainty forces a less optimal design because the design must work for a great variety of possible component MOSFETs. See process variation, design for manufacturability, reliability engineering, and statistical process control. [211]
- Modeling challenges
- Modern ICs are computer-simulated with the goal of obtaining working circuits from the very first manufactured lot. As devices are miniaturized, the complexity of the processing makes it difficult to predict exactly what the final devices look like, and modeling of physical processes becomes more challenging as well. In addition, microscopic variations in structure due simply to the probabilistic nature of atomic processes require statistical (not just deterministic) predictions. These factors combine to make adequate simulation and "right the first time" manufacture difficult.
A related scaling rule is Edholm's law. In 2004, Phil Edholm observed that the bandwidth of telecommunication networks (including the Internet) is doubling every 18 months.[212] Over the course of several decades, the bandwidths of communication networks has risen from bits per second to terabits per second. The rapid rise in telecommunication bandwidth is largely due to the same MOSFET scaling that enables Moore's law, as telecommunication networks are built from MOSFETs.[181]
Cronología
PMOS and NMOS
Date | Channel length | Oxide thickness[213] | MOSFET logic | Researcher(s) | Organization | Ref |
---|---|---|---|---|---|---|
June 1960 | 20,000 nm | 100 nm | PMOS | Mohamed M. Atalla, Dawon Kahng | Bell Telephone Laboratories | [214][215] |
NMOS | ||||||
10,000 nm | 100 nm | PMOS | Mohamed M. Atalla, Dawon Kahng | Bell Telephone Laboratories | [216] | |
NMOS | ||||||
May 1965 | 8,000 nm | 150 nm | NMOS | Chih-Tang Sah, Otto Leistiko, A.S. Grove | Fairchild Semiconductor | [217] |
5,000 nm | 170 nm | PMOS | ||||
December 1972 | 1,000 nm | ? | PMOS | Robert H. Dennard, Fritz H. Gaensslen, Hwa-Nien Yu | IBM T.J. Watson Research Center | [218][219][220] |
1973 | 7,500 nm | ? | NMOS | Sohichi Suzuki | NEC | [221][222] |
6,000 nm | ? | PMOS | ? | Toshiba | [223][224] | |
October 1974 | 1,000 nm | 35 nm | NMOS | Robert H. Dennard, Fritz H. Gaensslen, Hwa-Nien Yu | IBM T.J. Watson Research Center | [225] |
500 nm | ||||||
September 1975 | 1,500 nm | 20 nm | NMOS | Ryoichi Hori, Hiroo Masuda, Osamu Minato | Hitachi | [219][226] |
March 1976 | 3,000 nm | ? | NMOS | ? | Intel | [227] |
April 1979 | 1,000 nm | 25 nm | NMOS | William R. Hunter, L. M. Ephrath, Alice Cramer | IBM T.J. Watson Research Center | [228] |
December 1984 | 100 nm | 5 nm | NMOS | Toshio Kobayashi, Seiji Horiguchi, K. Kiuchi | Nippon Telegraph and Telephone | [229] |
December 1985 | 150 nm | 2.5 nm | NMOS | Toshio Kobayashi, Seiji Horiguchi, M. Miyake, M. Oda | Nippon Telegraph and Telephone | [230] |
75 nm | ? | NMOS | Stephen Y. Chou, Henry I. Smith, Dimitri A. Antoniadis | MIT | [231] | |
January 1986 | 60 nm | ? | NMOS | Stephen Y. Chou, Henry I. Smith, Dimitri A. Antoniadis | MIT | [232] |
June 1987 | 200 nm | 3.5 nm | PMOS | Toshio Kobayashi, M. Miyake, K. Deguchi | Nippon Telegraph and Telephone | [233] |
December 1993 | 40 nm | ? | NMOS | Mizuki Ono, Masanobu Saito, Takashi Yoshitomi | Toshiba | [234] |
September 1996 | 16 nm | ? | PMOS | Hisao Kawaura, Toshitsugu Sakamoto, Toshio Baba | NEC | [235] |
June 1998 | 50 nm | 1.3 nm | NMOS | Khaled Z. Ahmed, Effiong E. Ibok, Miryeong Song | Advanced Micro Devices (AMD) | [236][237] |
December 2002 | 6 nm | ? | PMOS | Bruce Doris, Omer Dokumaci, Meikei Ieong | IBM | [238][239][240] |
December 2003 | 3 nm | ? | PMOS | Hitoshi Wakabayashi, Shigeharu Yamagami | NEC | [241][239] |
? | NMOS |
CMOS (single-gate)
Date | Channel length | Oxide thickness[213] | Researcher(s) | Organization | Ref |
---|---|---|---|---|---|
February 1963 | ? | ? | Chih-Tang Sah, Frank Wanlass | Fairchild Semiconductor | [242][243] |
1968 | 20,000 nm | 100 nm | ? | RCA Laboratories | [244] |
1970 | 10,000 nm | 100 nm | ? | RCA Laboratories | [244] |
December 1976 | 2,000 nm | ? | A. Aitken, R.G. Poulsen, A.T.P. MacArthur, J.J. White | Mitel Semiconductor | [245] |
February 1978 | 3,000 nm | ? | Toshiaki Masuhara, Osamu Minato, Toshio Sasaki, Yoshio Sakai | Hitachi Central Research Laboratory | [246][247][248] |
February 1983 | 1,200 nm | 25 nm | R.J.C. Chwang, M. Choi, D. Creek, S. Stern, P.H. Pelley | Intel | [249][250] |
900 nm | 15 nm | Tsuneo Mano, J. Yamada, Junichi Inoue, S. Nakajima | Nippon Telegraph and Telephone (NTT) | [249][251] | |
December 1983 | 1,000 nm | 22.5 nm | G.J. Hu, Yuan Taur, Robert H. Dennard, Chung-Yu Ting | IBM T.J. Watson Research Center | [252] |
February 1987 | 800 nm | 17 nm | T. Sumi, Tsuneo Taniguchi, Mikio Kishimoto, Hiroshige Hirano | Matsushita | [249][253] |
700 nm | 12 nm | Tsuneo Mano, J. Yamada, Junichi Inoue, S. Nakajima | Nippon Telegraph and Telephone (NTT) | [249][254] | |
September 1987 | 500 nm | 12.5 nm | Hussein I. Hanafi, Robert H. Dennard, Yuan Taur, Nadim F. Haddad | IBM T.J. Watson Research Center | [255] |
December 1987 | 250 nm | ? | Naoki Kasai, Nobuhiro Endo, Hiroshi Kitajima | NEC | [256] |
February 1988 | 400 nm | 10 nm | M. Inoue, H. Kotani, T. Yamada, Hiroyuki Yamauchi | Matsushita | [249][257] |
December 1990 | 100 nm | ? | Ghavam G. Shahidi, Bijan Davari, Yuan Taur, James D. Warnock | IBM T.J. Watson Research Center | [258] |
1993 | 350 nm | ? | ? | Sony | [259] |
1996 | 150 nm | ? | ? | Mitsubishi Electric | |
1998 | 180 nm | ? | ? | TSMC | [260] |
December 2003 | 5 nm | ? | Hitoshi Wakabayashi, Shigeharu Yamagami, Nobuyuki Ikezawa | NEC | [241][261] |
Multi-gate MOSFET (MuGFET)
Date | Channel length | MuGFET type | Researcher(s) | Organization | Ref |
---|---|---|---|---|---|
August 1984 | ? | DGMOS | Toshihiro Sekigawa, Yutaka Hayashi | Electrotechnical Laboratory (ETL) | [262] |
1987 | 2,000 nm | DGMOS | Toshihiro Sekigawa | Electrotechnical Laboratory (ETL) | [263] |
December 1988 | 250 nm | DGMOS | Bijan Davari, Wen-Hsing Chang, Matthew R. Wordeman, C.S. Oh | IBM T.J. Watson Research Center | [264][265] |
180 nm | |||||
? | GAAFET | Fujio Masuoka, Hiroshi Takato, Kazumasa Sunouchi, N. Okabe | Toshiba | [266][267][268] | |
December 1989 | 200 nm | FinFET | Digh Hisamoto, Toru Kaga, Yoshifumi Kawamoto, Eiji Takeda | Hitachi Central Research Laboratory | [269][270][271] |
December 1998 | 17 nm | FinFET | Digh Hisamoto, Chenming Hu, Tsu-Jae King Liu, Jeffrey Bokor | University of California (Berkeley) | [272][273] |
2001 | 15 nm | FinFET | Chenming Hu, Yang‐Kyu Choi, Nick Lindert, Tsu-Jae King Liu | University of California (Berkeley) | [272][274] |
December 2002 | 10 nm | FinFET | Shibly Ahmed, Scott Bell, Cyrus Tabery, Jeffrey Bokor | University of California (Berkeley) | [272][275] |
June 2006 | 3 nm | GAAFET | Hyunjin Lee, Yang-kyu Choi, Lee-Eun Yu, Seong-Wan Ryu | KAIST | [276][277] |
Other types of MOSFET
Date | Channellength(nm) | Oxidethickness(nm)[213] | MOSFET type | Researcher(s) | Organization | Ref |
---|---|---|---|---|---|---|
October 1962 | ? | ? | TFT | Paul K. Weimer | RCA Laboratories | [278][279] |
1965 | ? | ? | GaAs | H. Becke, R. Hall, J. White | RCA Laboratories | [280] |
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August 1967 | ? | ? | FGMOS | Dawon Kahng, Simon Min Sze | Bell Telephone Laboratories | [283] |
October 1967 | ? | ? | MNOS | H.A. Richard Wegener, A.J. Lincoln, H.C. Pao | Sperry Corporation | [284] |
July 1968 | ? | ? | BiMOS | Hung-Chang Lin, Ramachandra R. Iyer | Westinghouse Electric | [285][286] |
October 1968 | ? | ? | BiCMOS | Hung-Chang Lin, Ramachandra R. Iyer, C.T. Ho | Westinghouse Electric | [287][286] |
1969 | ? | ? | VMOS | ? | Hitachi | [288][289] |
September 1969 | ? | ? | DMOS | Y. Tarui, Y. Hayashi, Toshihiro Sekigawa | Electrotechnical Laboratory (ETL) | [290][291] |
October 1970 | ? | ? | ISFET | Piet Bergveld | University of Twente | [292][293] |
October 1970 | 1000 | ? | DMOS | Y. Tarui, Y. Hayashi, Toshihiro Sekigawa | Electrotechnical Laboratory (ETL) | [294] |
1977 | ? | ? | VDMOS | John Louis Moll | HP Labs | [288] |
? | ? | LDMOS | ? | Hitachi | [295] | |
July 1979 | ? | ? | IGBT | Bantval Jayant Baliga, Margaret Lazeri | General Electric | [296] |
December 1984 | 2000 | ? | BiCMOS | H. Higuchi, Goro Kitsukawa, Takahide Ikeda, Y. Nishio | Hitachi | [297] |
May 1985 | 300 | ? | ? | K. Deguchi, Kazuhiko Komatsu, M. Miyake, H. Namatsu | Nippon Telegraph and Telephone | [298] |
February 1985 | 1000 | ? | BiCMOS | H. Momose, Hideki Shibata, S. Saitoh, Jun-ichi Miyamoto | Toshiba | [299] |
November 1986 | 90 | 8.3 | ? | Han-Sheng Lee, L.C. Puzio | General Motors | [300] |
December 1986 | 60 | ? | ? | Ghavam G. Shahidi, Dimitri A. Antoniadis, Henry I. Smith | MIT | [301][232] |
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December 1987 | 800 | ? | BiCMOS | Robert H. Havemann, R. E. Eklund, Hiep V. Tran | Texas Instruments | [303] |
June 1997 | 30 | ? | EJ-MOSFET | Hisao Kawaura, Toshitsugu Sakamoto, Toshio Baba | NEC | [304] |
1998 | 32 | ? | ? | ? | NEC | [239] |
1999 | 8 | ? | ? | ? | ||
April 2000 | 8 | ? | EJ-MOSFET | Hisao Kawaura, Toshitsugu Sakamoto, Toshio Baba | NEC | [305] |
Ver también
- BSIM
- ggNMOS
- High electron mobility transistor
- Polysilicon depletion effect
- Quantum Hall effect
- Transistor model
- Intrinsic diode
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