MOSFET

MOSFET mostrando terminales de puerta (G), cuerpo (B), fuente (S) y drenaje (D). La puerta está separada del cuerpo por una capa aislante (pink).

El transistor de efecto de campo semiconductor de óxido de metal (MOSFET, MOS-FET o MOS FET) es un tipo de transistor de efecto de campo (FET), más comúnmente fabricado por la oxidación controlada de silicio. Tiene una puerta aislada, cuyo voltaje determina la conductividad del dispositivo. Esta capacidad de cambiar la conductividad con la cantidad de voltaje aplicado se puede usar para amplificar o cambiar señales electrónicas. Un transistor de efecto de campo de metal-aislante-semiconductor (MISFET) es un término casi sinónimo de MOSFET. Otro sinónimo es IGFET para transistor de efecto de campo de puerta aislada.

El principio básico del transistor de efecto de campo fue patentado por primera vez por Julius Edgar Lilienfeld en 1925.

Dos MOSFETs de potencia en paquetes de superficie D2PAK. Operando como interruptores, cada uno de estos componentes puede sostener un voltaje de bloqueo de 120V en la apagado estado, y puede conducir una corriente continua de 30 A en el on estado, disipando hasta alrededor de 100 W y controlando una carga de más de 2000 W. Un emparejador se representa para escala.

La principal ventaja de un MOSFET es que casi no requiere corriente de entrada para controlar la corriente de carga, en comparación con los transistores bipolares (transistores de unión bipolar/BJT). En un MOSFET modo de mejora, el voltaje aplicado a la terminal de puerta aumenta la conductividad del dispositivo. En los transistores modo de agotamiento, el voltaje aplicado en la puerta reduce la conductividad.

El "metal" en el nombre MOSFET a veces es un nombre inapropiado, porque el material de la puerta puede ser una capa de polisilicio (silicio policristalino). Del mismo modo, el "óxido" en el nombre también puede ser un nombre inapropiado, ya que se utilizan diferentes materiales dieléctricos con el objetivo de obtener canales fuertes con voltajes aplicados más pequeños.

El MOSFET es, con mucho, el transistor más común en los circuitos digitales, ya que se pueden incluir miles de millones en un chip de memoria o microprocesador. Dado que los MOSFET se pueden fabricar con semiconductores de tipo p o de tipo n, se pueden utilizar pares complementarios de transistores MOS para crear circuitos de conmutación con un consumo de energía muy bajo, en forma de lógica CMOS.

Una sección transversal a través de un NMOSFET cuando el voltaje de la puerta V_SG está por debajo del umbral para hacer un canal conductivo; hay poca o ninguna conducción entre el drenaje terminal y la fuente; el interruptor está apagado. Cuando la puerta es más positiva, atrae electrones, induciendo un n- canal conductivo tipo en el sustrato debajo del óxido, que permite que los electrones fluyan entre el n- terminales dopadas; el interruptor está encendido.

Simulación de la formación de canal de inversión (nivencia electrónica) y el logro de voltaje umbral (IV) en un MOSFET nanowire. Nota: la tensión del umbral para este dispositivo se encuentra alrededor de 0.45 V

Historia

El principio básico de este tipo de transistor fue patentado por primera vez por Julius Edgar Lilienfeld en 1925.

La estructura que se asemeja al transistor MOS fue propuesta por los científicos de Bell William Shockley, John Bardeen y Walter Houser Brattain, durante su investigación que condujo al descubrimiento del efecto transistor. La estructura no mostró los efectos previstos, debido al problema del estado de la superficie: trampas en la superficie del semiconductor que mantienen inmóviles a los electrones. En 1955, Carl Frosch y L. Derick hicieron crecer accidentalmente una capa de dióxido de silicio sobre la oblea de silicio. Investigaciones posteriores mostraron que el dióxido de silicio podría evitar que los dopantes se difundan en la oblea de silicio. Sobre la base de este trabajo, Mohamed M. Atalla demostró que el dióxido de silicio es muy eficaz para resolver el problema de una clase importante de estados superficiales.

Después de esto, Mohamed Atalla y Dawon Kahng demostraron un dispositivo que tenía la estructura de un transistor MOS moderno. Los principios detrás del dispositivo eran los mismos que probaron Bardeen, Shockley y Brattain en su intento fallido de construir un dispositivo de efecto de campo de superficie.

El dispositivo era unas 100 veces más lento que los transistores bipolares contemporáneos e inicialmente se consideró inferior. No obstante, Kahng señaló varias ventajas del dispositivo, en particular la facilidad de fabricación y su aplicación en circuitos integrados.

Composición

Fotomicrógrafo de dos MOSFETs de metal en un patrón de prueba. Se etiquetan almohadillas de sonda para dos puertas y tres nodos fuente/drain.

Por lo general, el semiconductor elegido es el silicio. Recientemente, algunos fabricantes de chips, sobre todo IBM e Intel, comenzaron a utilizar una aleación 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 los MOSFET. Continúa la investigación sobre la creación de aisladores con características eléctricas aceptables sobre otros materiales semiconductores.

Para superar el aumento en el consumo de energía debido a la fuga de corriente de la puerta, se usa 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 de metal (p. ej., Intel, 2009)

La compuerta está separada del canal por una fina capa aislante, tradicionalmente de dióxido de silicio y posteriormente 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 compuerta y los terminales del cuerpo, el campo eléctrico generado penetra a través del óxido y crea una capa de inversión o canal en la interfaz semiconductor-aislante. La capa de inversión proporciona un canal a través del cual la corriente puede pasar entre la fuente y los terminales de drenaje. La variación del voltaje entre la compuerta 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 de metal-óxido-semiconductor en silicona de tipo p

Estructura metal-óxido-semiconductor

La estructura tradicional de metal-óxido-semiconductor (MOS) se obtiene haciendo 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 es el que se usa comúnmente). Como el dióxido de silicio es un material dieléctrico, su estructura es equivalente a un capacitor plano, con uno de los electrodos reemplazado por un semiconductor.

Cuando se aplica un voltaje a través de una estructura MOS, modifica la distribución de cargas en el semiconductor. Si consideramos un semiconductor tipo p (con ${displaystyle N_{text{A}}$ la densidad de los aceptadores, p la densidad de los agujeros; p = N_A en vracs neutros), un voltaje positivo, ${displaystyle V_{text{GB}}$, desde la puerta al cuerpo (ver figura) crea una capa de agotamiento forzando los agujeros cargados positivamente lejos de la interfaz de aislamiento/semiconductor de puerta, dejando expuesta una región libre de portador de iones inmóviles, cargados negativamente (ver dopaje (semiconductor)). Si ${displaystyle V_{text{GB}}$ es suficientemente alta, una alta concentración de las formas de portadores de carga negativas en un capa de inversión situado en una capa delgada junto a la interfaz entre el semiconductor y el aislador.

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 denomina voltaje de umbral. Cuando el voltaje entre la puerta del transistor y la fuente (V_GS) excede el voltaje umbral (V_th), el 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 banda

La estructura del capacitor 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 se encuentran en la superficie del sustrato de tipo p serán repelidos por el campo eléctrico generado por el voltaje aplicado. Al principio, los agujeros simplemente serán repelidos y lo que quedará en la superficie serán átomos inmóviles (negativos) del tipo aceptor, lo que crea una región de agotamiento en la superficie. Recuerde que un átomo aceptor crea un agujero, p. 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 agujeros, 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 sobre la región de agotamiento se convertirá de tipo p a tipo n, ya que los electrones del área principal comenzarán a ser atraídos por los electrones más grandes. campo eléctrico. Esto se conoce como inversión. El voltaje de umbral en el que ocurre esta conversión es uno de los parámetros más importantes en un MOSFET.

En el caso de una masa de tipo p, la inversión ocurre cuando el nivel de energía intrínseco en la superficie se vuelve más pequeño que el nivel de Fermi en la superficie. Uno 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 compuerta aumenta en un sentido positivo (para el ejemplo dado), esto se "doblará" la banda de nivel de energía intrínseca para que se curve 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 de 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 la 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 dictados por las posiciones relativas de los niveles de energía intrínseca y de Fermi.

Estructura y formación de canales

Formación de canales en nMOS MOSFET mostrada como diagrama de banda: Paneles principales: Un voltaje de puerta aplicado dobla bandas, agujeros desplegables de la superficie (izquierda). La carga que induce la flexión es equilibrada por una capa de carga negativa de aceptor-ión (derecha). Panel inferior: Un voltaje aplicado más grande agota los agujeros, pero la banda de conducción disminuye lo suficiente en energía para poblar un canal de conducción

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

Un MOSFET se basa en la modulación de la concentración de carga mediante una capacitancia MOS entre un electrodo de cuerpo 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 que no sean un óxido, el dispositivo puede denominarse FET metal-aislante-semiconductor (MISFET). En comparación 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 de tipo opuesto a la región del cuerpo. La fuente y el drenaje (a diferencia del cuerpo) están altamente dopados, como lo indica un "+" firmar después del tipo de dopaje.

Si el MOSFET es un FET de canal n o nMOS, entonces la fuente y el drenaje son regiones n+ y el cuerpo es una región p. Si el MOSFET es un FET de canal p o pMOS, 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 salen del canal.

La ocupación de las bandas de energía en un semiconductor está determinada por la posición del nivel de Fermi en relación con los bordes de la banda de energía del semiconductor.

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

Aún con 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. i> en la interfase 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. Aumentar el 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 compuerta por debajo del valor de umbral, el canal está poco poblado y solo una corriente de fuga por debajo del umbral muy pequeña puede fluir entre la fuente y el drenaje.

Cuando se aplica un voltaje de fuente de puerta negativo (puerta de fuente positiva), se crea un canal p en la superficie de la región n, de manera análoga al caso del canal n, pero con polaridades opuestas de cargas y voltajes. Cuando se aplica un voltaje menos negativo que el valor del 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 aislador de silicio en el que se forma un óxido enterrado debajo de una capa delgada de semiconductor. Si la región del canal entre el dieléctrico de puerta y la región de óxido enterrada es muy delgada, el canal se denomina región de canal ultradelgado con las regiones de fuente y drenaje formadas a ambos lados de la delgada capa semiconductora o por encima de ella. 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 elevadas de fuente/drenaje.

Modos de funcionamiento

Fuente atada al cuerpo para garantizar ningún sesgo corporal:
arriba a la izquierda: Subthreshold, top right: Ohmic mode, bottom left: Modo activo en el inicio del pinch-off, inferior derecha: Modo activo bien en pinch-off – modulación de longitud del canal evidente

Ejemplo de aplicación de un MOSFET n-canal. Cuando el interruptor es empujado, el LED se ilumina.

El funcionamiento de un MOSFET se puede separar en tres modos diferentes, según los voltajes en los terminales. En la siguiente discusión, se utiliza un modelo algebraico simplificado. Las características modernas de MOSFET son más complejas que el modelo algebraico presentado aquí.

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

Modo de corte, subtensión y baja inversión

Cuando V_GS < V_th:

Donde ${displaystyle V_{text{GS}}$ es sesgo de puerta a fuente y ${displaystyle V_{text{th}}$ es la tensión del 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 energías de los electrones de Fermi-Dirac que permite que algunos de los electrones más energéticos en la fuente ingresen al canal y fluyan hacia el drenaje. Esto da como resultado una corriente de subumbral que es una función exponencial del voltaje de la fuente de puerta. Si bien la corriente entre el drenaje y la fuente idealmente debería ser cero cuando el transistor se usa como un interruptor apagado, hay una corriente de inversión débil, a veces llamada fuga por debajo del umbral.

En la inversión débil donde la fuente está atada a granel, la corriente varía exponencialmente con ${displaystyle V_{text{GS}}$, dado aproximadamente por:

${displaystyle I_{text{D}approx ¿Qué?$

Donde ${displaystyle Yo...$ = actual ${displaystyle V_{text{GS}=V_{text{th}}$, el voltaje térmico ${displaystyle V_{text{T}=kT/q}$ y el factor de pendiente n es dado por:

${displaystyle n=1+{frac {C_{text{dep}} {C_{text{ox}}},} {fnMicrosoft}}} {f}} {fnK}}} {f}}} {f}}}} {f}}}} {f}}}} {f}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {f} {f}}}}} {f}}}}}}} {f}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}$

con ${displaystyle C_{text{dep}}$ = capacitancia de la capa de agotamiento y ${displaystyle C_{text{ox}}$ = capacitancia de la capa de óxido. Esta ecuación se utiliza generalmente, pero es sólo una aproximación adecuada para la fuente atada a la masa. Para la fuente no atada al vracs, la ecuación subtenida para la corriente de drenaje en saturación es

${displaystyle I_{text{D}approx ¿Qué? {V_{text{S}} {V_{text{T}}}}} {f}} {f}} {f}}} {f}}}} {f}}}}}} {f}}}}}} {f}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}} {$

En un dispositivo de largo canal, no hay dependencia de voltaje de drenaje de la corriente una vez ${displaystyle - ¿Qué?$, pero como la longitud del canal se reduce la reducción de la barrera inducida por el drenaje introduce la dependencia del voltaje de drenaje que depende de forma compleja de la geometría del dispositivo (por ejemplo, el dopaje del canal, el dopaje de la unión y así sucesivamente). Frecuentemente, tensión del umbral V_T para este modo se define como el voltaje de la puerta en el que un valor seleccionado de la corriente I_D0 ocurre, por ejemplo, I_D0 = 1μA, que puede no ser el mismo V_T-valor utilizado en las ecuaciones para los siguientes modos.

Algunos circuitos analógicos de micropoder están diseñados para aprovechar la conducción subtreshold. Al trabajar en la región de inversión débil, los MOSFETs en estos circuitos ofrecen la relación transconductancia-a-corriente más alta posible, a saber: ${displaystyle g_{m}/I_{text{D}=1/left(nV_{text{T}right)}$Casi el de un transistor bipolar.

La curva I-V del subumbral depende exponencialmente del voltaje de umbral, lo que introduce una fuerte dependencia de cualquier variación de fabricación que afecte el voltaje de umbral; por ejemplo: variaciones en el grosor del óxido, la profundidad de la unión o el dopaje del cuerpo que cambia 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.

Flujo de drenaje MOSFET vs. de drenaje a fuente para varios valores ${displaystyle V.$; el límite entre lineal ()Ohmic) y saturación ()activo) modos se indica por la parabola de curva ascendente

Sección transversal de un MOSFET operando en la región lineal (Ohmic); región de inversión fuerte presente incluso cerca del drenaje

Sección transversal de un MOSFET que opera en la región de saturación (activa); canal exhibe canal depuración cerca del drenaje

Modo de triodo o región lineal (también conocido como modo ohmico)

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 puerta en relación con los voltajes de fuente y de drenaje. La corriente del drenaje a la fuente se modela como:

${displaystyle I_{text{D}=mu ¿Qué? {W}}left(left(V_{text{GS}-V_{rm {th}right)V_{text{DS}-{frac {fnMicrosoft Sans Serif}}} {2}derecho)}$

Donde ${displaystyle mu _{n}$ es la movilidad eficaz de carga, ${displaystyle W.$ es el ancho de la puerta, ${displaystyle L.$ es la longitud de la puerta y ${displaystyle C_{text{ox}}$ es la condensación de óxido de puerta por área de unidad. La transición de la región subtenciosa exponencial a la región triode no es tan aguda como sugieren las ecuaciones.

Saturación o modo activo

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 se realiza 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 ausencia de una región de 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 la fuente de compuerta, y se modela aproximadamente como:

${displaystyle I_{text{D}={frac # ¿Qué? {W}left[V_{GS}-V_{text{th}right]}left[1+lambda] (V_{text{DS}-V_{text{DSsat})right].}$

El factor adicional que implica λ, el parámetro de modulación de la longitud del canal, modela la dependencia actual del voltaje de drenaje debido al efecto temprano o modulación de la longitud del canal. De acuerdo con esta ecuación, un parámetro de diseño clave, la transconductancia MOSFET es:

${displaystyle {fnK} {fnMicroc {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft} {fnMicrosoft Sans Serif} {f}} {fnMicrosoft Sans}}} {fnMicroc} {fnMicroc} {f}fnMicroc}} {f}}f}}} {f}}f}}}f}f}f}f}f}fnMicroc}f}f}f}f}f}f}f}fn}f}f}f}\\f}f}f}f}fnMicroc\f}fn}f}f}f}\f}f}f}f}f}f}fn}fn}fn}f}f}f}f}f}f}fn ¿Qué? {2I_{text{D}} {V_{text{ov}}}} {f}} {f}} {f}} {f}}}} {f}}}}}} {f}}}}} {f}}}}}} {f}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {$

donde la combinación V_Ov = V_SG− V_T se llama el voltaje sobre goteo, y donde V_DSsat = V_SG− V_T representa una pequeña discontinuidad ${displaystyle Yo...$ que de otra manera aparecería en la transición entre las regiones de triodo y saturación.

Otro parámetro de diseño clave es la resistencia de salida del MOSFET r_out dada por:

${displaystyle ¿Qué? {1}{lambda Yo...$.

r_Fuera. es el inverso de g_DS Donde ${displaystyle g_{text{DS}={frac {partial I_{text{DS}}{partial}}}} { ¿Qué?$. I_D es la expresión en la región de saturación.

Si λ se toma como cero, resulta una resistencia de salida infinita del dispositivo que conduce a predicciones de circuito poco realistas, particularmente en circuitos analógicos.

Como la longitud del canal se vuelve muy corta, estas ecuaciones se vuelven bastante inexactas. Surgen nuevos efectos físicos. Por ejemplo, el transporte de portadores 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 lineal que cuadrática en V_GS. En longitudes aún más cortas, los transportistas transportan con una dispersión cercana a cero, conocida como transporte cuasi-balístico. En el régimen balístico, los portadores viajan a una velocidad de inyección que puede exceder la velocidad de saturación y se aproxima a la velocidad de Fermi a una alta densidad de carga de inversión. Además, la reducción de la barrera inducida por drenaje aumenta la corriente de estado desactivado (corte) y requiere un aumento en el voltaje de umbral para compensar, lo que a su vez reduce la corriente de saturación.

Efecto corporal

Diagrama de banda mostrando efecto corporal. V_SB splits Fermi levels F_n para electrones y F_p para agujeros, que requieren mayor V_GB para poblar la banda de conducción en un nMOS MOSFET

La ocupación de las bandas de energía en un semiconductor está determinada por 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, lo que aleja el nivel de Fermi del canal del borde de la banda y reduce la ocupación del canal. El efecto es aumentar el voltaje de puerta necesario para establecer el canal, como se ve en la figura. Este cambio en la fuerza del canal por la aplicación de polarización inversa se denomina "efecto de cuerpo".

En pocas palabras, usando un ejemplo de nMOS, el sesgo de puerta a cuerpo V_GB posiciona los niveles de energía de la banda de conducción, mientras que el sesgo de 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 lo 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 de umbral, aproximado por la siguiente ecuación:

${displaystyle V_{text{TB}=V_{T0}+gammaleft({sqrt {V_{text{SB}+2varphi ¿Qué?$

Donde V_TB es el voltaje del umbral con sesgo del sustrato presente, y V_T0 es el cero-V_SB valor de la tensión del umbral, ${displaystyle gamma }$ es el parámetro efecto del cuerpo, y 2φ_B es la gota potencial aproximada entre superficie y vracs a través de la capa de agotamiento cuando V_SB = 0 y el sesgo de las puertas es suficiente para asegurar que un canal está presente. Como muestra esta ecuación, un sesgo inverso V_SB ■ 0 causa un aumento de la tensión del umbral V_TB y por lo tanto exige un voltaje de puerta más grande antes de que el canal popule.

El cuerpo se puede operar como una segunda puerta y, a veces, se lo denomina "puerta trasera"; el efecto del cuerpo a veces se denomina "efecto de puerta trasera".

Símbolos de circuitos

Se utiliza una variedad de símbolos para el MOSFET. El diseño básico generalmente es una línea para el canal con la fuente y el drenaje dejándolo en ángulo recto y luego doblándolo 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 agotamiento (ver modos de agotamiento y mejora). Se dibuja otra línea paralela al canal de la puerta.

La conexión bulk o body, si se muestra, se muestra conectada a la parte posterior del 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 pozo P o sustrato P) tiene la flecha apuntando hacia adentro (desde la masa hasta el canal). Si la mayor parte está conectada a la fuente (como suele ser el caso con 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 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 (fuera para nMOS, adentro para pMOS).

Comparación de símbolos MOSFET en modo mejorado y en modo empobrecido, junto con símbolos JFET. La orientación de los símbolos (más significativamente, la posición de la fuente en relación con el drenaje) es tal que los voltajes más positivos aparecen más arriba en la página que los voltajes menos positivos, lo que implica que la corriente convencional fluye 'hacia abajo'. la página:

P-canal
N-canal
	JFET	MOSFET Enh.	MOSFET Enh. (sin vracs)		MOSFET Dep.

En 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 mejorado y modo empobrecido (en las columnas dos y cinco), el terminal fuente es el que está conectado al triángulo. Además, en este diagrama, la puerta se muestra como una "L" forma, cuyo tramo de entrada está más cerca de S que de D, indicando también cuál es cuál. Sin embargo, estos símbolos a menudo se dibujan con una "T" puerta en forma de compuerta (como en otras partes de esta página), por lo que es el triángulo en el que se debe confiar para indicar la 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, los triángulos negros en los diagramas en las columnas 2 y 5). Esta es una configuración típica, pero de ninguna manera 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 de cuerpo, no necesariamente conectada a los terminales de fuente de todos los transistores.

Aplicaciones

Los circuitos integrados digitales, como los microprocesadores y los dispositivos de memoria, contienen de miles a millones de transistores MOSFET integrados en cada dispositivo, lo que proporciona las funciones de conmutación básicas necesarias para implementar puertas lógicas y almacenamiento de datos. Los dispositivos discretos se utilizan ampliamente en aplicaciones como fuentes de alimentación conmutadas, variadores de frecuencia 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 amplificadores de potencia y señal analógica. 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.

Circuitos integrados MOS

Tras el desarrollo de las salas limpias para reducir la contaminación a niveles nunca antes considerados necesarios, y de la fotolitografía y el proceso planar para permitir realizar circuitos en muy pocos pasos, el sistema Si–SiO₂ poseía los atractivos técnicos de bajo costo de producción (por circuito) y facilidad de integración. En gran parte debido a estos dos factores, el MOSFET se ha convertido en el tipo de transistor más utilizado en IET.

General Microelectronics introdujo el primer circuito integrado MOS comercial en 1964. Además, el método de acoplar dos MOSFET complementarios (canal P y canal N) en un interruptor alto/bajo, conocido como CMOS, significa que los circuitos digitales disipan muy poca energía, excepto cuando están realmente conectados.

Los primeros microprocesadores que comenzaron en 1970 fueron todos microprocesadores MOS; es decir, fabricado completamente a partir de la lógica PMOS o fabricado completamente a partir de la lógica NMOS. En la década de 1970, los microprocesadores MOS a menudo se contrastaban con los microprocesadores CMOS y los procesadores bipolares de segmento de bits.

Circuitos CMOS

El MOSFET se usa en la lógica digital complementaria de metal-óxido-semiconductor (CMOS), que usa 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 puertas y ambos drenajes juntos. Un alto voltaje en las puertas hará que el nMOSFET conduzca y el pMOSFET no lo haga y un bajo voltaje en las puertas causará lo contrario. Durante el tiempo de conmutación a medida que el voltaje pasa de un estado a otro, ambos MOSFET conducirán brevemente. Esta disposición reduce en gran medida el consumo de energía y la generación de calor.

Digital

El crecimiento de las 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. Una gran ventaja de los MOSFET para la conmutación digital es que la capa de óxido entre la puerta y el canal evita que la corriente continua 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 única salida MOSFET controle una cantidad considerable de entradas MOSFET. La lógica basada en transistores bipolares (como TTL) no tiene una capacidad de fanout tan alta. Este aislamiento también facilita que los diseñadores ignoren hasta cierto punto los efectos de carga entre las etapas lógicas de forma independiente. Ese alcance está definido por la frecuencia de funcionamiento: a medida que aumentan las frecuencias, disminuye la impedancia de entrada de los MOSFET.

Analógico

Las ventajas del MOSFET en los circuitos digitales no se traducen en supremacía en todos los circuitos analógicos. Los dos tipos de circuitos se basan en diferentes características del comportamiento del transistor. Los circuitos digitales cambian y pasan la mayor parte de su tiempo completamente encendidos o completamente apagados. La transición de uno a otro solo preocupa con respecto a la velocidad y la carga requerida. Los circuitos analógicos dependen del funcionamiento en la región de transición donde pequeños cambios en V_gs pueden modular la corriente de salida (drenaje). Se prefieren el JFET y el transistor de unión bipolar (BJT) para una coincidencia precisa (de dispositivos adyacentes en circuitos integrados), mayor transconductancia y ciertas características de temperatura que simplifican el mantenimiento de un 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 compuerta cero, impedancia de salida alta y ajustable y robustez mejorada en comparación con los BJT, que pueden degradarse de forma permanente, aunque sea levemente, rompiendo la base del emisor).). Las características y el rendimiento de muchos circuitos analógicos se pueden ampliar o reducir cambiando los tamaños (largo y ancho) de los MOSFET utilizados. En comparación, los transistores bipolares siguen una ley de escala diferente. MOSFET' Las características ideales con respecto a la corriente de puerta (cero) y el voltaje de compensación de la fuente de drenaje (cero) también los convierten en elementos de interruptor 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 los circuitos de alta potencia, los MOSFET a veces tienen la ventaja de no sufrir fugas térmicas como los BJT. 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 MOSFET son ideales para conmutar cargas inductivas debido a la tolerancia al retroceso inductivo.

Algunos circuitos integrados combinan circuitos MOSFET analógicos y digitales en un único circuito integrado de señal mixta, lo que reduce aún más el espacio necesario en la placa. 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 sobre aislante (SOI). Dado que los MOSFET requieren más espacio para manejar una cantidad determinada 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 mayor densidad de corriente.

Interruptores analógicos

Los interruptores analógicos MOSFET usan el MOSFET para pasar señales analógicas cuando están encendidos y como alta impedancia cuando están apagados. Las señales fluyen en ambas direcciones a través de un interruptor MOSFET. En esta aplicación, el drenaje y la fuente de un MOSFET intercambian lugares según los voltajes relativos de los electrodos de fuente/drenaje. La fuente es el lado más negativo de un N-MOS o el lado más positivo de un P-MOS. Todos estos interruptores están limitados en cuanto a las señales que pueden pasar o detener por sus voltajes de puerta-fuente, puerta-drenaje y fuente-drenaje; exceder los límites de voltaje, corriente o potencia dañará potencialmente el interruptor.

Tipo único

Este conmutador analógico utiliza un MOSFET simple de cuatro terminales de tipo P o N.

En el caso de un interruptor de tipo n, el cuerpo se conecta al suministro más negativo (generalmente GND) y la compuerta se usa como control del interruptor. Siempre que el voltaje de la puerta exceda el voltaje de la fuente en al menos un voltaje de umbral, el MOSFET conduce. Cuanto mayor sea el voltaje, más puede conducir el MOSFET. Un interruptor N-MOS pasa todos los voltajes menores que V_gate − V_tn. Cuando el interruptor está conduciendo, generalmente opera en el modo de operación lineal (u óhmico), ya que los voltajes de fuente y drenaje generalmente serán casi iguales.

En el caso de un P-MOS, el cuerpo se conecta al voltaje más positivo y la compuerta se lleva a un potencial más bajo para encender el interruptor. El interruptor P-MOS pasa todos los voltajes superiores a V_gate − V_tp (umbral de voltaje V _tp es negativo en el caso del modo mejorado P-MOS).

Tipo dual (CMOS)

Este "complementario" o El tipo de interruptor CMOS utiliza un P-MOS y un N-MOS FET para contrarrestar las limitaciones del interruptor de tipo único. Los FET tienen sus drenajes y fuentes conectados en paralelo, el cuerpo del P-MOS está conectado al alto potencial (V_DD) y el cuerpo del N-MOS está conectado al potencial bajo (gnd). Para encender el interruptor, la puerta del P-MOS se conduce al potencial bajo y la puerta del N-MOS se conduce al potencial alto. Para voltajes entre V_DD − V_tn y gnd − V _tp, ambos FET conducen la señal; para voltajes menores que gnd − V_tp, el N-MOS conduce solo; y para voltajes superiores a V_DD − V_tn, el P-MOS conduce solo.

Los límites de voltaje para este conmutador son los límites de voltaje de puerta-fuente, puerta-drenaje y fuente-drenaje para ambos FET. Además, el P-MOS suele ser de dos a tres veces más ancho que el N-MOS, por lo que el interruptor se equilibrará en velocidad en las dos direcciones.

Los circuitos de tres estados a veces incorporan un interruptor CMOS MOSFET en su salida para proporcionar una salida de rango completo de bajo óhmico cuando está encendido y una señal de nivel medio de alto óhmico cuando está apagado.

Construcción

Material de la puerta

El criterio principal para el material de la puerta es que sea un buen conductor. El silicio policristalino altamente dopado es un conductor aceptable pero ciertamente no ideal, y también adolece de algunas deficiencias más técnicas en su papel como material de puerta estándar. Sin embargo, hay varias razones que favorecen el uso de polisilicio:

1. El voltaje del umbral (y consecuentemente el drenaje a la fuente en corriente) se modifica por la diferencia de función de trabajo entre el material de la puerta y el material del canal. Debido a que el polisilicon es un semiconductor, su función de trabajo puede ser modulada ajustando el tipo y el nivel de dopaje. Además, debido a que el polisilicon tiene el mismo bandgap que el canal de silicio subyacente, es bastante sencillo sintonizar la función de trabajo para lograr baja tensión de umbral tanto para dispositivos NMOS como PMOS. Por el contrario, las funciones de trabajo de los metales no son fácilmente moduladas, por lo que ajustar la función de trabajo para obtener baja tensión de umbral (LVT) se convierte en un reto significativo. Además, la obtención de dispositivos de baja resistencia en dispositivos PMOS y NMOS a veces requiere el uso de diferentes metales para cada tipo de dispositivo.
2. El silicio-SiO₂ la interfaz ha sido bien estudiada y se sabe que tiene relativamente pocos defectos. Por el contrario, muchas interfaces de aislamiento metálico contienen niveles significativos de defectos que pueden llevar a la fijación de nivel Fermi, carga u otros fenómenos que finalmente degradan el rendimiento del dispositivo.
3. En el proceso de fabricación MOSFET IC, es preferible depositar el material de la puerta antes de ciertos pasos de alta temperatura para hacer transistores de mejor rendimiento. Tales pasos de alta temperatura derretirían algunos metales, limitando los tipos de metal que se pueden utilizar en un proceso basado en metal-gate.

Si bien las puertas de polisilicio han sido el estándar de facto durante los últimos veinte años, tienen algunas desventajas que han llevado a su probable reemplazo futuro por puertas de metal. Estas desventajas incluyen:

• Polysilicon no es un gran conductor (aproximadamente 1000 veces más resistivo que los metales) que reduce la velocidad de propagación de señales a través del material. La resistencia puede reducirse aumentando el nivel de dopaje, pero incluso el polisilicio altamente dopado no es tan conductivo como la mayoría de los metales. Para mejorar la conductividad más allá, a veces un metal de alta temperatura como tungsteno, titanio, cobalto, y más recientemente níquel se aleación con las capas superiores del polisilicio. Tal material mezclado se llama silicidio. La combinación de silicide-polysilicon tiene mejores propiedades eléctricas que el polisilicon solo y todavía no se funde en el procesamiento posterior. También el voltaje del umbral no es significativamente más alto que con polisilicon solo, porque el material de silicidio no está cerca del canal. El proceso en el que se forma silicidio tanto en el electrodo de la puerta como en las regiones de origen y drenaje se llama a veces silicidio autoalineado.
• Cuando los transistores son extremadamente reducidos, es necesario que la capa dieléctrica de la puerta sea muy delgada, alrededor de 1 nm en tecnologías de vanguardia. Un fenómeno que se observa aquí es el llamado agotamiento de polis, donde se forma una capa de agotamiento en la capa de polisilicio de puerta junto a la puerta dieléctrica cuando el transistor está en la inversión. Para evitar este problema, se desea una puerta de metal. Se utilizan una variedad de puertas metálicas como el tantalio, tungsteno, nitruro de tantalio y nitruro de titanio, generalmente en combinación con dielectrices de alto ángulo. Una alternativa es el uso de puertas de polisilicio totalmente silicidas, un proceso conocido como FUSI.

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

1. El voltaje del umbral se ajusta mediante la inclusión de una fina capa de "función de trabajo" entre la dieléctrica de alto ángulo y el metal principal. Esta capa es lo suficientemente delgada que la función de trabajo total de la puerta está influenciada tanto por las principales funciones de metal y metal delgado (ya sea debido a la aleación durante el amasamiento, o simplemente debido a la detección incompleta por el metal delgado). El voltaje del umbral se puede ajustar por el espesor de la capa metálica delgada.
2. Las dieléctricas de alto nivel ya están bien estudiadas, y sus defectos se entienden.
3. Existen procesos de HKMG que no requieren que los metales experimenten anneals de alta temperatura; otros procesos seleccionan metales que pueden sobrevivir el paso aneador.

Aislante

A medida que los dispositivos se hacen más pequeños, las capas aislantes se vuelven más delgadas, a menudo a través de pasos de oxidación térmica u oxidación localizada de silicio (LOCOS). En el caso de los dispositivos a escala nanométrica, en algún punto se produce la tunelización de los portadores a través del aislador desde el canal hasta el electrodo de puerta. Para reducir la corriente de fuga resultante, el aislador se puede hacer más delgado eligiendo un material con una constante dieléctrica más alta. Para ver cómo se relacionan el espesor y la constante dieléctrica, tenga en cuenta que la ley de Gauss conecta el campo con la carga como:

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

con Q = densidad de carga, κ = constante dieléctrica, ε₀ = permitividad del espacio vacío y E = campo eléctrico. A partir de esta ley, parece que se puede mantener la misma carga en el canal en un campo más bajo siempre que se incremente κ. El voltaje en la puerta está dado por:

${displaystyle - ¿Qué? {Qt_{text{ins}} {kappa epsilon _{0}}}}}}$

con V_G = voltaje de puerta, V_ch = voltaje en el lado del canal del aislador, y < i>t_ins = espesor del aislador. Esta ecuación muestra que el voltaje de la puerta no aumentará cuando aumente el grosor del aislador, siempre que κ aumente para mantener t_ins / κ = constante (consulte el artículo sobre dieléctricos de alto κ para más detalle, y la sección de este artículo sobre fugas de óxido de puerta).

El aislante de un MOSFET es un dieléctrico que en cualquier caso puede ser óxido de silicio, formado por LOCOS pero se emplean muchos otros materiales dieléctricos. El término genérico para dieléctrico es dieléctrico de puerta, ya que el dieléctrico se encuentra directamente debajo del electrodo de puerta y encima del canal del MOSFET.

Diseño de unión

Las uniones de fuente a cuerpo y de drenaje a cuerpo son objeto de mucha atención debido a tres factores principales: su diseño afecta las características de corriente-voltaje (I-V) del dispositivo, lo que reduce la resistencia de salida y también la la velocidad del dispositivo a través del efecto de carga de las capacitancias de la unión y, finalmente, el componente de disipación de energía en espera debido a la fuga de la unión.

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

La reducción de la barrera inducida por el drenaje del voltaje de umbral y los efectos de modulación de la longitud del canal sobre las curvas I-V se reducen mediante el uso de extensiones de unión poco profundas. Además, se puede usar el dopaje halo, es decir, la adición de regiones altamente dopadas muy delgadas del mismo tipo de dopaje que el cuerpo apretadas contra las paredes de unión para limitar la extensión de las regiones de agotamiento.

Los efectos capacitivos se limitan mediante el uso de geometrías de fuente y drenaje elevadas que hacen que la mayor parte del área de contacto bordee un dieléctrico grueso en lugar de silicio.

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

Escalado

Tendencia de la longitud de la puerta transistor Intel CPU

Versión MOSFET del espejo de corriente de arranque de ganancia; M₁ y M₂ están en modo activo, mientras que M₃ y M₄ están en modo Ohmic, y actúan como resistores. El amplificador operativo proporciona retroalimentación que mantiene una alta resistencia a la salida.

Durante las últimas décadas, el tamaño del MOSFET (como se usa para la lógica digital) se ha reducido continuamente; Las longitudes típicas de los canales MOSFET alguna vez fueron de varios micrómetros, pero los circuitos integrados modernos están incorporando MOSFET con longitudes de canal de decenas de nanómetros. El trabajo de Robert Dennard sobre la teoría de la escala fue fundamental para reconocer que esta reducción en curso era posible. Intel comenzó la producción de un proceso con un tamaño de función de 32 nm (con un canal aún más corto) a fines de 2009. La industria de los semiconductores mantiene una 'hoja de ruta', el ITRS, que marca el ritmo para el desarrollo de MOSFET. Históricamente, las dificultades para disminuir el tamaño del MOSFET se han asociado con el proceso de fabricación de dispositivos semiconductores, la necesidad de usar voltajes muy bajos y con un desempeño eléctrico más pobre que requiere rediseño e innovación del circuito (los MOSFET pequeños exhiben corrientes de fuga más altas y una resistencia de salida más baja).).

Los MOSFET más pequeños son deseables por varias razones. La principal razón para hacer transistores más pequeños es empaquetar más y más dispositivos en un área de chip dada. Esto da como resultado un chip con la misma funcionalidad en un área más pequeña, o chips con más funcionalidad en la misma área. Dado que los costos de fabricación de una oblea de semiconductores son relativamente fijos, el costo por circuito integrado se relaciona principalmente con la cantidad de chips que se pueden producir por oblea. Por lo tanto, los circuitos integrados más pequeños permiten más chips por oblea, lo que reduce el precio por chip. De hecho, durante los últimos 30 años, la cantidad de transistores por chip se duplicó cada 2 o 3 años una vez que se introdujo un nuevo nodo tecnológico. Por ejemplo, la cantidad de MOSFET en un microprocesador fabricado con una tecnología de 45 nm puede ser el doble que en un chip de 65 nm. Esta duplicación de la densidad del transistor fue observada por primera vez por Gordon Moore en 1965 y se conoce comúnmente como la ley de Moore. También se espera que los transistores más pequeños cambien más rápido. Por ejemplo, un enfoque para la reducción de tamaño es una escala del MOSFET que requiere que todas las dimensiones del dispositivo se reduzcan proporcionalmente. Las dimensiones principales del dispositivo son la longitud del canal, el ancho del canal y el espesor del óxido. Cuando se reducen por factores iguales, la resistencia del canal del transistor no cambia, mientras que la capacitancia de la puerta se reduce por ese factor. Por lo tanto, el retardo RC del transistor escala con un factor similar. Si bien este ha sido tradicionalmente el caso de las tecnologías más antiguas, para los MOSFET de última generación, la reducción de las dimensiones del transistor no se traduce necesariamente en una mayor velocidad del chip porque el retraso debido a las interconexiones es más significativo.

Producir MOSFET con longitudes de canal mucho más pequeñas que un micrómetro es un desafío, y las dificultades de la fabricación de dispositivos semiconductores siempre son un factor limitante en el avance de la tecnología de circuitos integrados. Aunque procesos como ALD han mejorado la fabricación de componentes pequeños, el pequeño tamaño del MOSFET (menos de unas pocas decenas de nanómetros) ha creado problemas operativos:

Conducción subtensión superior

Como las geometrías MOSFET se reducen, el voltaje que se puede aplicar a la puerta debe reducirse para mantener la fiabilidad. Para mantener el rendimiento, el voltaje del umbral del MOSFET también debe reducirse. A medida que se reduce el voltaje del umbral, el transistor no se puede cambiar desde el desvío completo hasta el desvío completo con el swing de tensión limitado disponible; el diseño del circuito es un compromiso entre la fuerte corriente en el on caso y baja corriente en el apagado caso, y la aplicación determina si debe favorecer uno sobre el otro. Pérdida subtenida (incluida la conducción subtensiva, fuga de óxido de puerta y fuga de unión con sangre inversa), que fue ignorada en el pasado, ahora puede consumir más de la mitad del consumo total de energía de los chips VLSI de alto rendimiento modernos.

Aumento de la fuga de óxido de puerta

El óxido de puerta, que sirve como aislante entre la puerta y el canal, debe ser hecho lo más delgado posible para aumentar la conductividad y el rendimiento del canal cuando el transistor está encendido y reducir la fuga subtensión cuando el transistor está apagado. Sin embargo, con óxidos de puerta actuales con un espesor de alrededor de 1,2 nm (que en silicio es ~5 átomos de espesor) el fenómeno mecánico cuántico del túnel de electrones ocurre entre la puerta y el canal, lo que conduce al aumento del consumo de energía. El dióxido de silicona se ha utilizado tradicionalmente como el aislante de la puerta. El dióxido de silicona sin embargo tiene una modesta constante dieléctrica. Aumentar la constante dieléctrica de la puerta dieléctrica permite una capa más gruesa manteniendo una alta capacitancia (la capacidad es proporcional a la constante dieléctrica e inversamente proporcional al espesor dieléctrico). Todo lo demás igual, un mayor grosor dieléctrico reduce la corriente de túnel cuántico a través de la dieléctrica entre la puerta y el canal. Los aisladores que tienen una mayor constante dieléctrica que el dióxido de silicio (referido como dielectrices de alto ángulo), como silicatos de metal de grupo IVb, por ejemplo, silicatos y óxidos de hafnio y zirconio, están siendo utilizados para reducir la fuga de la puerta del nodo de tecnología de 45 nanometros hacia adelante. Por otro lado, la altura de la barrera del nuevo aislante de la puerta es una consideración importante; la diferencia en la energía de la banda de conducción entre el semiconductor y el dieléctrico (y la diferencia correspondiente en la energía de la banda de valence) también afecta el nivel actual de fuga. Para el óxido de puerta tradicional, dióxido de silicio, la antigua barrera es de aproximadamente 8 eV. Para muchas dieléctricas alternativas el valor es significativamente menor, tiende a aumentar la corriente de túnel, negando algo la ventaja de una mayor constante dieléctrica. El voltaje máximo de fuente de puerta es determinado por la fuerza del campo eléctrico capaz de ser sostenido por la puerta dieléctrica antes de que se produzca una fuga significativa. A medida que la dieléctrica aislante se hace más delgada, la fuerza de campo eléctrico dentro de ella sube para un voltaje fijo. Esto requiere utilizar voltajes inferiores con la dieléctrica más delgada.

Aumento de las fugas de unión

Para hacer los dispositivos más pequeños, el diseño de la unión se ha vuelto más complejo, lo que lleva a niveles de dopaje más altos, uniones más profundas, dopaje "halo" y así sucesivamente, todo para disminuir el descenso de la barrera inducida por el drenaje (ver la sección sobre diseño de la unión). Para mantener estas complejas uniones en su lugar, los pasos aniquiladores utilizados anteriormente para eliminar los daños y los defectos eléctricomente activos deben reducirse el aumento de las fugas de unión. El dopaje más pesado también está asociado con capas de agotamiento más delgadas y centros de recombinación más que dan lugar a una mayor corriente de fuga, incluso sin daños de celo.

Reducción de la barrera inducida por el drenaje (DIBL) y V_T ♪

Debido al efecto cortocanal, la formación del canal no se hace por completo por la puerta, pero ahora el drenaje y la fuente también afectan la formación del canal. A medida que la longitud del canal disminuye, las regiones de agotamiento de la fuente y el drenaje se acercan y hacen el voltaje del umbral (V_T) una función de la longitud del canal. Esto se llama V_T Despega. V_T también se convierte en función del drenaje al voltaje fuente V_DS. A medida que aumentamos V_DS, las regiones de agotamiento aumentan en tamaño, y una cantidad considerable de carga se agota por el V_DS. El voltaje de la puerta requerido para formar el canal es entonces bajado, y por lo tanto, el V_T disminuciones con un aumento en V_DS. Este efecto se llama reducción de la barrera inducida por el drenaje (DIBL).

Resistencia de salida inferior

Para la operación analógica, la buena ganancia requiere una alta impedancia de salida MOSFET, es decir, la corriente MOSFET debe variar sólo ligeramente con el voltaje aplicado de drenaje a fuente. A medida que los dispositivos se hacen más pequeños, la influencia del drenaje compite con mayor éxito con la de la puerta debido a la creciente proximidad de estos dos electrodos, aumentando la sensibilidad de la corriente MOSFET al voltaje del drenaje. Para contrarrestar la disminución resultante de la resistencia a la salida, los circuitos se hacen más complejos, ya sea requiriendo más dispositivos, por ejemplo los amplificadores de casco y cascada, o por circuitos de retroalimentación utilizando amplificadores operativos, por ejemplo un circuito como el de la figura adyacente.

Transconductancia inferior

La transconductancia del MOSFET decide su ganancia y es proporcional a la movilidad de agujeros o electrones (dependiendo del tipo de dispositivo), al menos para los voltajes bajos de drenaje. A medida que el tamaño MOSFET se reduce, los campos en el aumento del canal y los niveles de impureza dopant aumentan. Ambos cambios reducen la movilidad del transportista, y por lo tanto la transconductancia. Como las longitudes de canal se reducen sin reducción proporcional en el voltaje de drenaje, elevando el campo eléctrico en el canal, el resultado es la saturación de velocidad de los transportistas, limitando la corriente y la transconductancia.

Capacidad de interconexión

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

Producción de calor

La densidad cada vez mayor de MOSFETs en un circuito integrado crea problemas de considerable generación de calor localizada que puede perjudicar el funcionamiento del circuito. Los circuitos funcionan más lentamente a altas temperaturas, y tienen menor fiabilidad y vidas más cortas. Los fregaderos de calor y otros dispositivos y métodos de refrigeración ahora son necesarios para muchos circuitos integrados, incluyendo microprocesadores. Los MOSFET están en riesgo de fuga térmica. A medida que su resistencia al estado aumenta con la temperatura, si la carga es aproximadamente una carga corriente constante, entonces la pérdida de energía aumenta correspondientemente, generando más calor. Cuando el disipador de calor no es capaz de mantener la temperatura lo suficientemente baja, la temperatura de unión puede aumentar rápidamente e incontrolablemente, resultando en la destrucción del dispositivo.

Variaciones de procesos

Con los MOSFETs cada vez más pequeños, el número de átomos en el silicio que producen muchas de las propiedades del transistor se está convirtiendo en menos, con el resultado de que el control de los números de dopant y la colocación es más errático. Durante la fabricación de chips, las variaciones del proceso aleatorio afectan todas las dimensiones transistor: longitud, ancho, profundidades de unión, espesor de óxido etc., y convertirse en un mayor porcentaje de tamaño transistor general como el transistor se contrae. Las características transistoras se vuelven menos seguras, más estadísticas. La naturaleza aleatoria de la fabricación significa que no sabemos qué ejemplo particular MOSFETs en realidad terminará en un caso particular del circuito. Esta incertidumbre obliga a un diseño menos óptimo porque el diseño debe funcionar para una gran variedad de posibles componentes MOSFETs. Ver variación de procesos, diseño para fabricabilidad, ingeniería de fiabilidad y control de procesos estadísticos.

Modelización de retos

Moderno Los IC son autosimulados con el objetivo de obtener circuitos de trabajo del primer lote fabricado. A medida que se minimizan los dispositivos, la complejidad del procesamiento hace difícil predecir exactamente cómo son los dispositivos finales, y el modelado de los procesos físicos se vuelve más difícil también. Además, las variaciones microscópicas en la estructura debido simplemente a la naturaleza probabilística de los procesos atómicos requieren predicciones estadísticas (no sólo deterministas). Estos factores se combinan para hacer la simulación adecuada y la fabricación "derecha la primera vez" difícil.

Otros tipos

Puerta doble

Un FinFET

El MOSFET de doble puerta 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 puerta del lado del drenaje a un potencial constante reduce la pérdida de ganancia causada por el efecto Miller, reemplazando dos transistores separados en configuración cascode. 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 reproduce 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 de tetrodo (ya sean de unión bipolar o de efecto de campo) no presentan mejoras de tal grado.

El FinFET es un dispositivo de doble puerta de silicio sobre aislante, 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 estrecho canal entre la fuente y el drenaje. Una fina capa de óxido aislante a cada lado de la aleta la separa de la compuerta. Los SOI FinFET con un óxido grueso en la parte superior de la aleta se denominan doble puerta y los que tienen un óxido delgado en la parte superior y en los lados se denominan triple puerta FinFET.

Modo de agotamiento

Existen dispositivos MOSFET de modo de agotamiento, que se utilizan con menos frecuencia que los dispositivos de 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 mejorado es equivalente a un interruptor normalmente abierto (apagado).

Debido a su bajo nivel 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.

Las familias de MOSFET en modo de agotamiento incluyen BF960 de Siemens y Telefunken, y el BF980 en la década de 1980 de Philips (más tarde se convertiría en NXP Semiconductors), cuyos derivados todavía se usan en AGC y mezcladores de RF.

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

Transistor de efecto de campo de metal-aislante-semiconductor, o MISFET, es un término más general que MOSFET y un sinónimo de campo de puerta aislada- transistor de efecto (IGFET). Todos los MOSFET son MISFET, pero no todos los MISFET son MOSFET.

El aislante dieléctrico de puerta en un MISFET es dióxido de silicio en un MOSFET, pero también se pueden emplear otros materiales. El dieléctrico de puerta se encuentra directamente debajo del electrodo de puerta y encima del canal del MISFET. El término metal se usa históricamente para el material de la puerta, aunque ahora suele ser polisilicio altamente dopado o algún otro no metal.

Los tipos de aisladores pueden ser:

• Dióxido de silicona, en MOSFETs
• Aisladores orgánicos (por ejemplo, trans-polyacetileno sin dopado; cyanoethyl pullulan, CEP), para las FET orgánicas.

Lógica NMOS

Para dispositivos con la misma capacidad de conducción de corriente, los MOSFET de canal n se pueden hacer más pequeños que los MOSFET de canal p, debido a que los portadores de carga del canal p (agujeros) tienen menor movilidad que los portadores de carga del canal n (electrones), y producir un solo tipo de MOSFET sobre 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, al despreciar la corriente de fuga, a diferencia de la lógica CMOS, la lógica NMOS consume energía incluso cuando no se produce ninguna conmutación. Con los avances tecnológicos, la lógica CMOS desplazó a la lógica NMOS a mediados de la década de 1980 para convertirse en el proceso preferido para los chips digitales.

MOSFET de potencia

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

Los MOSFET de potencia tienen una estructura diferente. Como ocurre con la mayoría de los dispositivos de potencia, la estructura es vertical y no plana. Usando una estructura vertical, es posible que el transistor sostenga tanto un alto voltaje de bloqueo como una alta corriente. La clasificación de voltaje del transistor es una función del dopaje y el espesor 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 una función de las dimensiones del canal (anchura y longitud del canal, respectivamente), lo que resulta en un uso ineficiente 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.

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.

Semiconductor de óxido metálico de doble difusión (DMOS)

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

Radiation-hardened-by-design (RHBD)

Los circuitos electrónicos nanométricos y submicrométricos de semiconductores son la principal preocupación para operar dentro de la tolerancia normal en entornos de radiación hostiles como el espacio exterior. Uno de los enfoques de diseño para fabricar un dispositivo endurecido por radiación por diseño (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 MOSFET RHBD se llama H-Gate. Ambos transistores tienen corrientes de fuga muy bajas con respecto a la radiación. Sin embargo, son de gran tamaño y ocupan más espacio en el silicio que un MOSFET estándar. En los diseños más antiguos de STI (aislamiento de zanjas poco profundas), los impactos de radiación cerca de la región de óxido de silicio provocan la inversión del canal en las esquinas del MOSFET estándar debido a la acumulación de cargas atrapadas inducidas por la 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. Esto hace que se produzca una inversión del canal del dispositivo a lo largo de los bordes del canal, lo que crea una ruta de fuga fuera de estado. Posteriormente, el dispositivo se enciende; este proceso degrada gravemente la fiabilidad de los circuitos. El ELT ofrece muchas ventajas, incluida una mejora de la confiabilidad al reducir la inversión superficial 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 borde de óxido de la puerta (STI en la interfaz de la puerta) y, por lo tanto, la fuga del estado desactivado del transistor se reduce mucho. Los circuitos microelectrónicos de baja potencia que incluyen computadoras, dispositivos de comunicación y sistemas de monitoreo en transbordadores espaciales y satélites son muy diferentes de los que se usan en la Tierra. Son circuitos tolerantes a la 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.). Estos componentes electrónicos especiales están diseñados mediante la aplicación de diferentes técnicas que utilizan MOSFET RHBD para garantizar viajes espaciales seguros y caminatas espaciales seguras para los astronautas.