Transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor para niños

Datos para niños MOSFET (Transistor de efecto campo MOS)
Transistores MOSFET en encapsulado D2PAK. Cada uno maneja 30 A de corriente y 120 V de tensión. Un fósforo o cerilla aparece al lado para efectos de comparación.
Tipo	Semiconductor
Principio de funcionamiento	Efecto de campo
Invención	Dawon Kahng y Martin Atalla (1960)
Símbolo electrónico
Terminales	Puerta (G), Drenaje (D) y Fuente (S). A veces se incluye un cuarto terminal de Sustrato (B).

El transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor o MOSFET (por sus siglas en inglés, metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) es un tipo especial de transistor. Se usa para hacer que las señales electrónicas sean más fuertes (amplificar) o para encender y apagar circuitos (conmutar). Es el transistor más común en la industria de la microelectrónica, tanto en circuitos que manejan señales continuas (analógicos) como en los que usan señales digitales (como 0 y 1).

Casi todos los microprocesadores que usamos hoy en día, como los de tu computadora o teléfono, están hechos con transistores MOSFET.

Un MOSFET tiene cuatro puntos de conexión, llamados terminales: fuente (S), drenador (D), puerta (G) y sustrato (B). Sin embargo, a menudo el sustrato se conecta por dentro al terminal de fuente, por lo que muchos MOSFETs que ves tienen solo tres terminales.

El nombre "metal" en MOSFET viene de que al principio se usaba aluminio para una parte llamada "puerta". Pero luego se cambió por silicio policristalino. Ahora, los metales están volviendo a usarse para hacer los transistores más rápidos. De manera similar, el "óxido" que se usaba como aislante también se ha cambiado por otros materiales para mejorar su funcionamiento.

¿Cómo surgió el MOSFET?

La idea de un transistor de efecto de campo, que es el tipo al que pertenece el MOSFET, es bastante antigua. Un físico llamado Julius Edgar Lilienfeld solicitó una patente en 1925 para un dispositivo que controlaba corrientes eléctricas. Sin embargo, en esa época no existían los materiales semiconductores de buena calidad, así que sus ideas no se pudieron aplicar en la práctica.

Más tarde, en 1948, se inventó el primer transistor de contacto de punto. Fue creado por los científicos estadounidenses Walter Houser Brattain y John Bardeen.

El primer transistor MOSFET fue construido por los ingenieros Dawon Kahng y Martin Atalla en los Laboratorios Bell en 1960. Este invento fue muy importante porque abrió la puerta a la creación de circuitos electrónicos mucho más pequeños y eficientes.

¿Cómo está hecho un MOSFET?

Estructura del MOSFET donde se muestran los terminales de puerta (G), sustrato (B), fuente (S) y drenador (D). La puerta está separada del cuerpo por medio de una capa de aislante (blanco).

Un MOSFET funciona de manera diferente a otros transistores. Se construye colocando una capa aislante sobre un material semiconductor (generalmente silicio cristalino) y luego poniendo un electrodo de metal (la puerta) encima del aislante. La capa aislante suele ser de dióxido de silicio.

Lo especial del MOSFET de silicio es que no atrapa electrones en la unión entre el silicio y el óxido. Esto hizo que funcionara mucho mejor que los transistores anteriores.

Gracias a avances en la fabricación, como las salas limpias (lugares sin polvo) y la fotolitografía (una técnica para dibujar circuitos muy pequeños), el sistema de silicio y dióxido de silicio se volvió muy importante. Además, la forma de combinar dos tipos de MOSFET (llamada CMOS) permitió crear circuitos digitales que gastan muy poca energía. Por estas razones, los MOSFETs son los componentes más usados para construir circuitos integrados.

Símbolos de los transistores MOSFET

Fotomicrografía de dos MOSFETs con puerta de metal en un arreglo de prueba. Los pads para las dos puertas (G) y los tres nodos de fuente (S) y drenador (D) están indicados.

Para representar un transistor MOSFET en un diagrama electrónico, se usan diferentes símbolos. El diseño básico tiene una línea recta que representa el "canal" por donde fluye la corriente. De esta línea salen otras que representan la fuente y el drenador. Otra línea paralela al canal representa la puerta.

A veces, se usa una línea segmentada para un tipo de MOSFET y una línea sólida para otro. La conexión del sustrato, si se muestra, tiene una flecha que indica si el transistor es de tipo PMOS o NMOS. La flecha siempre apunta de P a N.

	Símbolos de los transistores FET y MOSFET
	FET de unión JFET	MOSFET de Enriquecimiento (MOSFET-E)	MOSFET de Enriquecimiento (sin sustrato)		MOSFET de Empobrecimiento o Deplexión (MOSFET-D)
Canal P
Canal N

En los circuitos integrados, muchos MOSFETs comparten una conexión común para el sustrato.

¿Cómo funciona un MOSFET?

Existen dos tipos principales de MOSFETs, ambos basados en una estructura llamada MOS:

• MOSFET de enriquecimiento: Estos transistores están "apagados" normalmente. Para que conduzcan electricidad, se aplica un voltaje a la puerta. Esto crea un "canal" entre el drenador y la fuente, permitiendo que la corriente fluya. El término "enriquecimiento" se refiere a que se aumenta la cantidad de partículas que transportan la carga (electrones o huecos) en el canal.
• MOSFET de empobrecimiento: Estos transistores están "encendidos" (conducen) en su estado normal. Para "apagarlos" o reducir su conducción, se aplica un voltaje a la puerta que hace que el canal conductor desaparezca.

La estructura MOS

Estructura Metal-óxido-semiconductor construida con un sustrato de silicio tipo p

Una estructura MOS básica se crea haciendo crecer una capa de dióxido de silicio (un aislante) sobre un material de silicio. Luego se deposita una capa de metal o silicio policristalino encima. Esta estructura funciona como un condensador eléctrico.

Cuando se aplica un voltaje a la puerta, se cambia la forma en que las cargas eléctricas se distribuyen en el semiconductor. Si el voltaje es lo suficientemente alto, se forma una "región de inversión" o "canal" cerca de la superficie, que permite que la corriente fluya.

Formación del canal en un MOSFET

Formación del canal en un MOSFET NMOS: Superior: Una tensión de puerta dobla las bandas de energía, y se agotan los huecos de la superficie cercana a la puerta (izquierda). La carga que induce el doblamiento de bandas se equilibra con una capa de cargas negativas de iones aceptores (derecha). Inferior: Una tensión todavía mayor aplicada en la puerta agota los huecos, y la banda de conducción disminuye de forma que se logra la conducción a través del canal.

Un MOSFET controla el flujo de corriente usando un "condensador MOS" entre la puerta y el sustrato. La puerta está aislada de otras partes del dispositivo por una capa de material dieléctrico (como el óxido).

Además de la puerta y el sustrato, el MOSFET tiene dos terminales más: la fuente y el drenador. Estos están conectados a regiones del semiconductor que tienen un tipo de "dopado" (se les han añadido impurezas para cambiar sus propiedades eléctricas) opuesto al del sustrato.

• Si es un MOSFET de canal N (NMOS), la fuente y el drenador son regiones "n+" y el sustrato es de tipo "p".
• Si es un MOSFET de canal P (PMOS), la fuente y el drenador son regiones "p+" y el sustrato es de tipo "n".

La fuente es el punto de donde vienen las cargas (electrones o huecos) que fluyen por el canal, y el drenador es donde salen. Al aplicar un voltaje adecuado a la puerta, se crea un canal conductor entre el drenador y la fuente, permitiendo que la corriente pase. Si aumentas el voltaje en la puerta, más cargas fluyen y la corriente aumenta.

Si el voltaje en la puerta es muy bajo, no se forma el canal y solo una pequeña corriente puede fluir.

Modos de funcionamiento

Corriente de drenador vs. tensión drenador-surtidor para distintos valores de ; el límite entre la región lineal (óhhmica) y la región de saturación (activa) se indica por la parábola en rojo.

Un MOSFET puede funcionar en tres modos principales, dependiendo de los voltajes que se le apliquen:

Modo de corte (apagado)

NMOS en modo de corte. La región blanca indica que no existen portadores libres en esta zona, debido a que los electrones son repelidos del canal.

En este modo, el transistor está "apagado". No hay corriente significativa entre la fuente y el drenador. El MOSFET actúa como un interruptor abierto.

Región lineal u óhmica (encendido, como resistencia)

NMOS en la región lineal. Se forma un canal de tipo n al lograr la inversión del sustrato, y la corriente fluye de drenador a fuente.

Cuando se aplica suficiente voltaje a la puerta, se crea un canal conductor. El transistor se "enciende" y permite que la corriente fluya. En este modo, el MOSFET se comporta como una resistencia que puedes controlar con el voltaje de la puerta.

Región de saturación o activa (encendido, corriente constante)

NMOS en la región de saturación. Al aplicar una tensión de drenador más alta, los electrones son atraídos con más fuerza hacia el drenador y el canal se deforma.

Si el voltaje entre el drenador y la fuente es muy alto, el canal conductor se "estrecha" cerca del drenador. La corriente sigue fluyendo, pero ya no depende tanto del voltaje entre el drenador y la fuente. En este modo, el MOSFET actúa como una fuente de corriente constante.

¿Para qué se usan los MOSFETs?

Los MOSFETs se usan mucho en circuitos llamados CMOS, que combinan transistores PMOS y NMOS. Algunas de sus aplicaciones más comunes son:

• Como resistencias que se controlan con voltaje.
• En circuitos para encender y apagar grandes cantidades de energía.
• Para mezclar frecuencias en radios y otros dispositivos.
• Para amplificar señales de alta frecuencia.
• En la fabricación de circuitos integrados digitales y analógicos, porque permiten hacer chips muy pequeños y que gastan poca energía.

Ventajas de los MOSFETs

Los MOSFETs tienen varias ventajas sobre otros tipos de transistores, como los bipolares:

• Bajo consumo de energía: Gastan muy poca energía cuando están en reposo.
• Tamaño pequeño: Son muy, muy pequeños, lo que permite poner muchísimos en un solo chip.
• Alta integración: Gracias a su tamaño, se pueden integrar muchos en un circuito integrado.
• Control por voltaje: Se controlan con voltaje, lo que significa que casi no necesitan corriente para funcionar.
• Sin resistencias: Los circuitos digitales hechos con MOSFETs no necesitan resistencias adicionales, lo que ahorra espacio.
• Alta velocidad: Pueden encenderse y apagarse muy rápido, en nanosegundos.
• Se usan cada vez más en convertidores de alta frecuencia y baja potencia.

Reduciendo el tamaño del MOSFET

Las dimensiones características de un transistor MOSFET son la longitud de canal (L) y el ancho de la puerta (W).

Las medidas más importantes de un MOSFET son la longitud del canal (L) y el ancho de la puerta (W). Los fabricantes pueden ajustar estas medidas para cambiar cómo funciona el transistor. La longitud del canal (L) también se usa para describir la "tecnología" con la que se hizo un componente. Por ejemplo, un transistor de 45 nm tiene un canal de 45 nanómetros de largo.

Los MOSFETs se han hecho cada vez más pequeños por varias razones. La principal es que, al ser más pequeños, se pueden poner más transistores en el mismo espacio. Esto aumenta la capacidad de cálculo de los microprocesadores. Los primeros transistores medían varios micrómetros, mientras que los modernos miden solo decenas de nanómetros. ¡Un microprocesador moderno puede tener más de mil millones de transistores!

La idea de hacer los transistores más pequeños fue clave para el avance de la tecnología. Esto ha permitido que se cumpla la ley de Moore, que dice que la cantidad de transistores en un chip se duplica cada dos años.

¿Por qué hacer los MOSFETs más pequeños?

Los MOSFETs pequeños son muy útiles. La razón principal es que permiten meter más componentes en el mismo espacio de un circuito integrado. Esto significa que podemos tener dispositivos más pequeños con las mismas funciones, o dispositivos del mismo tamaño con muchas más funciones. Como el costo de fabricar un chip es bastante fijo, al poner más transistores en cada chip, el costo por transistor disminuye.

Además, se espera que los transistores más pequeños funcionen más rápido. Al reducir todas sus dimensiones, la velocidad de encendido y apagado mejora.

Desafíos al reducir el tamaño del MOSFET

Hacer los MOSFETs cada vez más pequeños no es fácil. Hay muchos desafíos en la fabricación de estos dispositivos. Cuando los MOSFETs se hacen extremadamente pequeños (más allá de unas pocas decenas de nanómetros), surgen nuevos problemas, como:

• Aumento de la corriente que se "escapa" cuando el transistor está apagado.
• Mayor fuga de corriente a través de la puerta.
• Problemas con la disipación del calor que generan.
• Dificultades para controlar las variaciones en el proceso de fabricación.

A pesar de estos desafíos, los ingenieros y científicos siguen trabajando para hacer los transistores aún más pequeños y eficientes, impulsando el avance de la tecnología.