Transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET)

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El transistor de efecto de campo de 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 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.

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 de modo mejorado, el voltaje aplicado a la terminal de puerta aumenta la conductividad del dispositivo. En los transistores de 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). De manera similar, "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.

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 del 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, 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

Por lo general, el semiconductor de elección 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 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 de metal (por ejemplo, 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 o canal de inversión 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

La estructura tradicional de metal-óxido-semiconductor (MOS) se obtiene haciendo crecer una capa de dióxido de silicio (SiO₂) 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 de tipo p (con $N_{{texto{A}}}$ la densidad de aceptores, p la densidad de huecos; p = N _A en masa neutra), un voltaje positivo, ${displaystyle V_{text{GB}}}$ , desde la compuerta al cuerpo (ver figura) crea una capa de agotamiento forzando el agujeros cargados positivamente lejos de la interfaz puerta-aislante/semiconductor, dejando expuesta una región libre de portadores de iones aceptores inmóviles y cargados negativamente (ver dopaje (semiconductor)). Si ${displaystyle V_{text{GB}}}$ es lo suficientemente alto, 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 volumétrica de los electrones en la capa de inversión es igual a la densidad volumétrica de los huecos en el cuerpo se denomina voltaje umbral. Cuando el voltaje entre la puerta del transistor y la fuente (_{VGS) excede el}voltaje de umbral (Vth), _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 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 hueco, 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 hueco sea repelido, sino que los electrones son atraídos por el campo positivo, y llenan estos huecos,

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 el campo eléctrico más grande. 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 un volumen 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 puerta aumenta en un sentido positivo (para el ejemplo dado), esto "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 umbral de voltaje, 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. 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. 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.

Un MOSFET se basa en la modulación de la concentración de carga por 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 signo "+" 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 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 salen del canal.

La ocupación de las bandas de energía en un semiconductor se establece por 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 agujeros 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. 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 pen 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 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,

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 ~ Banda de valencia de Si
bien tipo	tipo p	tipo n
Tensión de umbral, V _th	Positivo (mejora)Negativo (agotamiento)	Negativo (mejora)Positivo (agotamiento)
Doblado de bandas	Hacia abajo	Hacia arriba
Portadores de capa de inversión	electrones	Agujeros
Tipo de sustrato	tipo p	tipo n

Modos de operacion

La operación de un MOSFET se puede separar en tres modos diferentes, dependiendo de los voltajes en las 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, subumbral e inversión débil

Cuando _VGS < Vth: _ _{_}

donde ${displaystyle V_{text{GS}}}$ es la polarización de puerta a fuente y ${displaystyle V_{text{th}}}$ es el voltaje de umbral del dispositivo.

De acuerdo con 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 una inversión débil donde la fuente está unida a la masa, la corriente varía exponencialmente ${displaystyle V_{text{GS}}}$ según lo dado aproximadamente por: ${displaystyle I_{text{D}}approx I_{text{D0}}e^{frac {V_{text{GS}}-V_{text{th}}}{nV_{text {T}}}},}$

donde ${displaystyle I_{text{D0}}}$ = corriente en ${displaystyle V_{text{GS}}=V_{text{th}}}$ , la tensión térmica ${displaystyle V_{text{T}}=kT/q}$ y el factor de pendiente n vienen dados por: ${displaystyle n=1+{frac {C_{text{dep}}}{C_{text{buey}}}},,}$

con ${displaystyle C_{text{dep}}}$ = capacitancia de la capa de empobrecimiento y ${displaystyle C_{text{buey}}}$ = 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 a la masa, la ecuación de subumbral para la corriente de drenaje en saturación es ${displaystyle I_{text{D}}aprox. I_{text{D0}}e^{frac {V_{text{G}}-V_{text{th}}}{nV_{text {T}}}}e^{-{frac {V_{text{S}}}{V_{text{T}}}}},}$

En un dispositivo de canal largo, no hay dependencia del voltaje de drenaje de la corriente una vez ${displaystyle V_{text{DS}}gg V_{text{T}}}$ , pero a medida que se reduce la longitud del canal, la reducción de la barrera inducida por el drenaje introduce una dependencia del voltaje de 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, el voltaje de umbral V _th para este modo se define como el voltaje de puerta en el que se produce un valor seleccionado de 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. Al trabajar en la región de inversión débil, los MOSFET en estos circuitos brindan la relación transconductancia a corriente más alta posible, a saber: ${displaystyle g_{m}/I_{text{D}}=1/left(nV_{text{T}}right)}$ casi la de un transistor bipolar.

La curva I-V 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.Modo triodo o región lineal (también conocido como modo óhmico)

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

donde $mu _{n}$ es la movilidad efectiva del portador de carga, $W$ es el ancho de la puerta, $L$ es la longitud de la puerta y ${displaystyle C_{text{buey}}}$ 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 pronunciada como sugieren las ecuaciones.Saturación o modo activo

Cuando V _GS > V _th y V _DS ≥ (V _GS – V _th):

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

El factor adicional que involucra a 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: ${displaystyle g_{m}={frac {parcial I_{D}}{parcial V_{text{GS}}}}={frac {2I_{text{D}}}{V_{ texto{GS}}-V_{text{th}}}}={frac {2I_{text{D}}}{V_{text{ov}}}},}$

donde la combinación V _ov = V _GS − V _th se denomina voltaje de sobremarcha, y donde V _DSsat = V _GS − V _th representa una pequeña discontinuidad en ${displaystyle I_{text{D}}}$ la 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 del MOSFET r _out dada por: ${displaystyle r_{text{out}}={frac {1}{lambda I_{text{D}}}}}$ .

r _out es el inverso de g _DS donde ${displaystyle g_{text{DS}}={frac {parcial I_{text{DS}}}{parcial V_{text{DS}}}}}$ . 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.

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 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 _enVGS. 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

La ocupación de las bandas de energía en un semiconductor se establece 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, utilizando un ejemplo de nMOS, la polarización de puerta a cuerpo V _GB posiciona los niveles de energía de la banda de conducción, mientras que la polarización de fuente a cuerpo V _SB posiciona 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 usando una modificación del voltaje umbral, aproximado por la siguiente ecuación: ${displaystyle V_{text{TB}}=V_{T0}+gamma left({sqrt {V_{text{SB}}+2varphi _{B}}}-{sqrt {2 varphi _{B}}}derecha),}$

donde V _TB es el voltaje de umbral con la polarización del sustrato presente, y V _T0 es el valor cero de V _SB del voltaje de umbral, $gama$ 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 puerta es suficiente para garantizar que haya un canal presente. 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 lo denomina "puerta trasera"; el efecto corporal a veces se denomina "efecto de puerta trasera".

Símbolos de circuito

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 a granel o de cuerpo, 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 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 fluye "hacia abajo" de la página:

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 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 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 la realización de circuitos en muy pocos pasos, el sistema Si–SiO ₂ poseía los atractivos técnicos de bajo coste 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 realmente se cambia.

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 utiliza en la lógica digital complementaria de metal-óxido-semiconductor (CMOS),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 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 motivado el avance de 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.

Cosa análoga

Las ventajas del MOSFET en 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 de la operación 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 usan 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 al descomponer incluso levemente 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. 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 convierten en elementos de conmutación 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 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 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 tipo n, el cuerpo está conectado al suministro más negativo (generalmente GND) y la puerta 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 podrá conducir el MOSFET. Un interruptor N-MOS pasa todos los voltajes menores que V _compuerta − 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 está conectado al voltaje más positivo y la puerta se lleva a un potencial más bajo para encender el interruptor. El interruptor P-MOS pasa todos los voltajes más altos que la _puertaV - V _tp (el voltaje de umbral V _tp es negativo en el caso del modo mejorado P-MOS).

Tipo dual (CMOS)

Este tipo de conmutador "complementario" o CMOS utiliza un P-MOS y un N-MOS FET para contrarrestar las limitaciones del conmutador 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 bajo potencial (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 tensiones inferiores a tierra − V _tp, el N-MOS conduce solo; y para voltajes mayores que V _DD − V _tn, el P-MOS conduce solo.

Los límites de voltaje para este interruptor 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.

El circuito de tres estados a veces incorpora un interruptor CMOS MOSFET en su salida para proporcionar una salida de rango completo de bajo ohmio cuando está encendido y una señal de nivel medio de alto ohmio 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:

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

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

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

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

Aislante

A medida que los dispositivos se hacen más pequeños, las capas aislantes se 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, ε ₀ = permitividad del espacio vacío y E = campo eléctrico. A partir de esta ley, parece que se puede mantener la misma carga en el canal en un campo más bajo siempre que se incremente κ. El voltaje en la puerta está dado por: ${displaystyle V_{text{G}}=V_{text{ch}}+E,t_{text{ins}}=V_{text{ch}}+{frac {Qt_{text {ins}}}{kappa epsilon _{0}}},}$

con V _G = voltaje de puerta, V _ch = voltaje en el lado del canal del aislador y 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 obtener más detalles y la sección de este artículo sobre fugas de óxido de puerta).).

El aislante en un MOSFET es un dieléctrico que en cualquier caso puede ser óxido de silicio, formado por LOCOS pero se emplean muchos otros materiales dieléctricos. El término genérico para 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 fuente-cuerpo y drenaje-cuerpo son objeto de mucha atención debido a tres factores principales: su diseño afecta las características de corriente-voltaje (IV) del dispositivo, lo que reduce la resistencia de salida y también la velocidad del dispositivo a través del efecto de carga de las capacitancias de la unión y, finalmente, el componente de disipación de energía en espera debido a la fuga de la unión.

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 IV se reducen mediante el uso de extensiones de unión poco profundas. Además, se puede utilizar el dopado con halo, es decir, la adición de regiones muy finas fuertemente dopadas del mismo tipo de dopado que el cuerpo apretado contra las paredes de unión para limitar la extensión de las regiones de agotamiento.

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

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

Escalada

En las últimas décadas, el MOSFET (como se usa para la lógica digital) se ha reducido continuamente en tamaño; Las longitudes típicas de los canales MOSFET 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 característica 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 determinada. Esto da como resultado un chip con la misma funcionalidad en un área más pequeña, o chips con más funcionalidad en la misma área. Dado que los costos de fabricación de una oblea 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.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 son siempre 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 subumbral superiorA medida que las geometrías de los MOSFET se reducen, el voltaje que se puede aplicar a la compuerta debe reducirse para mantener la confiabilidad. Para mantener el rendimiento, también se debe reducir el voltaje de umbral del MOSFET. A medida que se reduce el voltaje de umbral, el transistor no se puede cambiar de apagado completo a encendido completo con la oscilación de voltaje limitada disponible; el diseño del circuito es un compromiso entre una corriente fuerte en el caso de encendido y una corriente baja en el caso de apagado, y la aplicación determina si favorecer uno sobre el otro. La fuga por debajo del umbral (incluida la conducción por debajo del umbral, la fuga de óxido de puerta y la fuga de unión con polarización inversa), que se ignoraba en el pasado, ahora puede consumir más de la mitad del consumo total de energía de los chips VLSI modernos de alto rendimiento.Mayor fuga de óxido de puertaEl óxido de la puerta, que sirve como aislante entre la puerta y el canal, debe hacerse lo más delgado posible para aumentar la conductividad y el rendimiento del canal cuando el transistor está encendido y para reducir la fuga por debajo del umbral cuando el transistor está apagado. Sin embargo, con los óxidos de puerta actuales con un grosor de alrededor de 1,2 nm (que en el silicio tiene un grosor de ~5 átomos), el fenómeno mecánico cuántico de tunelización de electrones ocurre entre la puerta y el canal, lo que lleva a un mayor consumo de energía. El dióxido de silicio se ha utilizado tradicionalmente como aislante de puerta. Sin embargo, el dióxido de silicio tiene una constante dieléctrica modesta. El aumento de la constante dieléctrica del dieléctrico de la puerta permite una capa más gruesa mientras se mantiene una alta capacitancia (la capacitancia es proporcional a la constante dieléctrica e inversamente proporcional al espesor del dieléctrico). Todo lo demás igual, un espesor dieléctrico más alto reduce la corriente de tunelización cuántica a través del dieléctrico entre la puerta y el canal. Los aisladores que tienen una constante dieléctrica mayor que el dióxido de silicio (conocidos como dieléctricos de alto κ), como los silicatos de metales del grupo IVb, por ejemplo, los silicatos y óxidos de hafnio y circonio, se utilizan para reducir la fuga de la puerta desde el nodo tecnológico de 45 nanómetros en adelante. Por otro lado, la altura de la barrera del nuevo aislador de puerta es una consideración importante; la diferencia en la energía de la banda de conducción entre el semiconductor y el dieléctrico (y la correspondiente diferencia en la energía de la banda de valencia) también afecta el nivel de corriente de fuga. Para el óxido de puerta tradicional, el dióxido de silicio, la barrera anterior es de aproximadamente 8 eV. Para muchos dieléctricos alternativos, el valor es significativamente menor, tendiendo a aumentar la corriente de tunelización, negando un poco la ventaja de una constante dieléctrica más alta. El voltaje máximo de la puerta a la fuente está determinado por la fuerza del campo eléctrico capaz de ser sostenido por el dieléctrico de la puerta antes de que ocurra una fuga significativa. A medida que el dieléctrico aislante se vuelve más delgado, la fuerza del campo eléctrico dentro de él aumenta para un voltaje fijo. Esto requiere el uso de voltajes más bajos con el dieléctrico más delgado.Aumento de fugas en la uniónPara hacer los dispositivos más pequeños, el diseño de las uniones se ha vuelto más complejo, lo que lleva a niveles de dopaje más altos, uniones menos profundas, dopaje de "halo", etc., todo para disminuir la reducción de la barrera inducida por el drenaje (consulte la sección sobre diseño de las uniones). Para mantener estas uniones complejas en su lugar, los pasos de recocido que se usaban anteriormente para eliminar daños y defectos eléctricamente activos deben reducirse, lo que aumenta las fugas en las uniones. El dopaje más pesado también se asocia con capas de agotamiento más delgadas y más centros de recombinación que dan como resultado una mayor corriente de fuga, incluso sin daño en la red.Descenso de barrera inducido por drenaje (DIBL) y V _T roll offDebido al efecto de canal corto, la compuerta no realiza completamente la formación del canal, pero ahora el drenaje y la fuente también afectan la formación del canal. A medida que disminuye la longitud del canal, las regiones de agotamiento de la fuente y el drenaje se acercan y hacen que el voltaje de umbral (V _T) sea una función de la longitud del canal. Esto se llama roll-off de V _T.V _T también se convierte en función del voltaje de drenaje a fuente V _DS. A medida que aumentamos el V _DS, las regiones de agotamiento aumentan de tamaño y el V _{DS agota una cantidad considerable de carga.}. El voltaje de compuerta requerido para formar el canal luego se reduce y, por lo tanto, el V _T disminuye con un aumento en V _DS. Este efecto se denomina reducción de la barrera inducida por drenaje (DIBL).Baja resistencia de salidaPara la operación analógica, una buena ganancia requiere una alta impedancia de salida MOSFET, lo que significa que la corriente MOSFET debe variar solo levemente con el voltaje de drenaje a fuente aplicado. 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, lo que aumenta la sensibilidad de la corriente MOSFET al voltaje de drenaje. Para contrarrestar la disminución resultante en la resistencia de salida, los circuitos se hacen más complejos, ya sea requiriendo más dispositivos, por ejemplo, los amplificadores en cascada y en cascodo, o mediante circuitos de retroalimentación que utilizan amplificadores operacionales, por ejemplo, un circuito como el de la figura adyacente.Baja transconductanciaLa transconductancia del MOSFET decide su ganancia y es proporcional a la movilidad de huecos o electrones (según el tipo de dispositivo), al menos para voltajes de drenaje bajos. A medida que se reduce el tamaño del MOSFET, aumentan los campos en el canal y aumentan los niveles de impurezas dopantes. Ambos cambios reducen la movilidad del portador y, por lo tanto, la transconductancia. A medida que se reducen las longitudes de los canales sin una reducción proporcional en el voltaje de drenaje, elevando el campo eléctrico en el canal, el resultado es la saturación de la velocidad de los portadores, lo que limita la corriente y la transconductancia.Capacitancia de interconexiónTradicionalmente, el tiempo de conmutación era aproximadamente proporcional a la capacitancia de las puertas. Sin embargo, a medida que los transistores se vuelven más pequeños y se colocan más transistores en el chip, la capacitancia de interconexión (la capacitancia de las conexiones de la capa de metal entre las diferentes partes del chip) se está convirtiendo en un gran porcentaje de la capacitancia. Las señales tienen que viajar a través de la interconexión, lo que conduce a un mayor retraso y un menor rendimiento.Producción de calorLa densidad cada vez mayor de MOSFET en un circuito integrado crea problemas de generación de calor localizada sustancial que puede afectar el funcionamiento del circuito. Los circuitos funcionan más lentamente a altas temperaturas y tienen una confiabilidad reducida y una vida útil más corta. Los disipadores de calor y otros dispositivos y métodos de enfriamiento ahora se requieren para muchos circuitos integrados, incluidos los microprocesadores. Los MOSFET de potencia están en riesgo de fuga térmica. A medida que su resistencia en estado activo aumenta con la temperatura, si la carga es aproximadamente una carga de corriente constante, la pérdida de potencia aumenta de manera correspondiente, generando más calor. Cuando el disipador de calor no puede mantener la temperatura lo suficientemente baja, la temperatura de la unión puede aumentar rápida e incontrolablemente, lo que puede provocar la destrucción del dispositivo.Variaciones de procesoCon los MOSFET cada vez más pequeños, la cantidad de átomos en el silicio que producen muchas de las propiedades del transistor es cada vez menor, con el resultado de que el control de la cantidad y la ubicación de los dopantes es más errático. Durante la fabricación de chips, las variaciones aleatorias del proceso afectan a todas las dimensiones del transistor: largo, ancho, profundidad de unión, grosor del óxido, etc., y se convierte en un mayor porcentaje del tamaño total del transistor a medida que el transistor se encoge. Las características del transistor se vuelven menos seguras, más estadísticas. La naturaleza aleatoria de la fabricación significa que no sabemos qué ejemplo particular de MOSFET terminará realmente en una instancia particular del circuito. Esta incertidumbre obliga a un diseño menos óptimo porque el diseño debe funcionar para una gran variedad de posibles componentes MOSFET. Vea la variación del proceso, el diseño para la capacidad de fabricación, la ingeniería de confiabilidad y el control estadístico del proceso.Desafíos de modeladoLos circuitos integrados modernos se simulan por computadora con el objetivo de obtener circuitos que funcionen desde el primer lote fabricado. A medida que los dispositivos se miniaturizan, la complejidad del procesamiento dificulta predecir exactamente cómo se verán los dispositivos finales, y el modelado de procesos físicos también se vuelve más desafiante. Además, las variaciones microscópicas en la estructura debidas simplemente a la naturaleza probabilística de los procesos atómicos requieren predicciones estadísticas (no solo deterministas). Estos factores se combinan para dificultar la simulación adecuada y la fabricación "correcta a la primera".

Otros tipos

Puerta doble

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). el tetrodoLa descripción, aunque precisa, no reproduce el tetrodo de 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 las geometrías que se están introduciendo para mitigar los efectos de los canales cortos y reducir la caída 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 de puerta doble y los que tienen un óxido delgado en la parte superior y en los lados se denominan FinFET de puerta triple.

Modo de agotamiento

Hay dispositivos MOSFET en modo empobrecido, que se usan con menos frecuencia que los dispositivos estándar en modo mejorado 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 baja figura de ruido en la región de RF y su mejor ganancia, estos dispositivos a menudo se prefieren a los bipolares en los front-end 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 los front-end de 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 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 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 silicio, en MOSFET
Aislantes orgánicos (p. ej., poliacetileno trans no dopado; pululano de cianoetilo, CEP), para FET de base orgánica.

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 producen solo uno 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

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 (respectivamente ancho y largo del canal), 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,

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 de metal 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.

Radiación endurecida por diseño (RHBD)

Los circuitos electrónicos de submicrómetros y nanómetros 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 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 los diseños más antiguos de STI (aislamiento de zanjas poco profundas), Los golpes 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. Por lo tanto, la inversión del canal del dispositivo ocurre a lo largo de los bordes del canal y el dispositivo crea una ruta de fuga fuera de estado, 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 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. circuitos tolerantes a 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. circuitos tolerantes a 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.

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