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).

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).

El transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor o MOSFET (en inglés metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) es un transistor utilizado para amplificar o conmutar señales electrónicas. Es el transistor más utilizado en la industria microelectrónica, ya sea en circuitos analógicos o digitales, aunque el transistor de unión bipolar fue mucho más popular en otro tiempo. Prácticamente la totalidad de los microprocesadores comerciales están basados en transistores MOSFET.

El MOSFET es un dispositivo de cuatro terminales llamados fuente (S), drenador (D), puerta (G) y sustrato (B). Sin embargo, el sustrato generalmente está conectado internamente al terminal de fuente y por este motivo se pueden encontrar dispositivos MOSFET de tres terminales.

El término 'metal' en el nombre MOSFET es actualmente incorrecto ya que el aluminio que fue el material de la puerta hasta mediados de 1970 fue sustituido por el silicio policristalino debido a su capacidad de formar puertas auto-alineadas. Las puertas metálicas están volviendo a ganar popularidad, dada la dificultad de incrementar la velocidad de operación de los transistores sin utilizar componentes metálicos en la puerta. De manera similar, el 'óxido' utilizado como aislante en la puerta también se ha reemplazado por otros materiales con el propósito de obtener canales fuertes con la aplicación de tensiones más pequeñas.

Un transistor de efecto de campo de puerta aislada o IGFET (insulated-gate field-effect transistor) es un término relacionado que es equivalente a un MOSFET. El término IGFET es más inclusivo, ya que muchos transistores MOSFET utilizan una puerta que no es metálica, y un aislante de puerta que no es un óxido. Otro dispositivo relacionado es el MISFET, que es un transistor de efecto de campo metal-aislante-semiconductor (metal-insulator-semiconductor field-effect transistor).

Historia

El físico austro-húngaro Julius Edgar Lilienfeld solicitó en Canadá en el año 1925 una patente para "un método y un aparato para controlar corrientes eléctricas" y que se considera el antecesor de los actuales transistores de efecto campo. Lilienfeld también solicitó patentes en los Estados Unidos en los años 1926 y 1928 pero no publicó artículo alguno de investigación sobre sus dispositivos, ni sus patentes citan algún ejemplo específico de un prototipo de trabajo. Debido a que la producción de materiales semiconductores de alta calidad aún no estaba disponible por entonces, las ideas de Lilienfeld sobre amplificadores de estado sólido no encontraron un uso práctico en los años 1920 y 1930.

En 1948, fue patentado el primer transistor de contacto de punto por el equipo de los estadounidenses Walter Houser Brattain y John Bardeen y de manera independiente, por los alemanes Herbert Mataré y Heinrich Welker, mientras trabajaban en la Compagnie des Freins et Signaux, una subsidiaria francesa de la estadounidense Westinghouse, pero al darse cuenta estos últimos de que los científicos de Laboratorios Bell ya habían inventado el transistor antes que ellos, la empresa se apresuró a poner en producción su dispositivo llamado "transistron" para su uso en la red telefónica de Francia.

En 1951, Wiliam Shockley solicitó la primera patente de un transistor de efecto de campo, tal como se declaró en ese documento, en el que se mencionó la estructura que ahora posee. Al año siguiente, George Clement Dacey e Ian Ross, de los Laboratorios Bell, tuvieron éxito al fabricar este dispositivo, cuya nueva patente fue solicitada el día 31 de octubre de 1952 El primer transistor MOSFET fue construido por el coreano-estadounidense Dawon Kahng y el egipcio Martin Atalla, ambos ingenieros de los Laboratorios Bell, en 1960.

Estructura

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.

Con una operación y estructura completamente distintas al transistor bipolar de unión, el transistor MOSFET fue creado al colocar una capa aislante en la superficie de un semiconductor y luego colocando un electrodo metálico de puerta sobre el aislante. Se utilizó silicio cristalino para el semiconductor base, y una capa de dióxido de silicio creada a través de oxidación térmica, como aislante. El MOSFET de silicio no generaba trampas de electrones localizados entre la interfaz, entre el silicio y la capa de óxido nativo, y por este motivo se veía libre de la dispersión y el bloqueo de portadores que limitaba el desempeño de los transistores de efecto de campo anteriores.

Después del desarrollo de cuartos limpios para reducir los niveles de contaminación, y del desarrollo de la fotolitografía así como del proceso planar que permite construir circuitos en muy pocos pasos, el sistema Si-SiO₂ (silicio-dióxido de silicio) obtuvo gran importancia debido a su bajo costo de producción por cada circuito, y la facilidad de integración. Adicionalmente, el método de acoplar dos MOSFET complementarios (de canal N y canal P) en un interruptor de estado alto/bajo, conocido como CMOS, implicó que los circuitos digitales disiparan una cantidad muy baja de potencia, excepto cuando son conmutados. Por estos tres factores, los transistores MOSFET se han convertido en el dispositivo utilizado más ampliamente en la construcción de circuitos integrados.

Símbolos de transistores MOSFET

Existen distintos símbolos que se utilizan para representar al transistor MOSFET. El diseño básico consiste en una línea recta para dibujar el canal, con líneas que salen del canal en ángulo recto y luego hacia afuera del dibujo de forma paralela al canal, para indicar la fuente y el drenaje. En algunos casos, se utiliza una línea segmentada en tres partes para el canal del MOSFET de enriquecimiento, y una línea sólida para el canal del MOSFET de empobrecimiento. Otra línea es dibujada en forma paralela al canal para destacar la puerta.

La conexión del sustrato, en los casos donde se muestra, se coloca en la parte central del canal con una flecha que indica si el transistor es PMOS o NMOS. La flecha siempre apunta en la dirección P hacia N, de forma que un NMOS (Canal N en un sustrato P) tiene la flecha apuntando hacia adentro (desde el sustrato hacia el canal). Si el sustrato está conectado internamente a la fuente (como generalmente ocurre en dispositivos discretos) se conecta con una línea en el dibujo entre el sustrato y la fuente. Si el sustrato no se muestra en el dibujo (como generalmente ocurre en el caso de los diseños de circuitos integrados, debido a que se utiliza un sustrato común) se utiliza un símbolo de inversión para identificar los transistores PMOS, y de forma alternativa se puede utilizar una flecha en la fuente de forma similar a como se usa en los transistores bipolares (la flecha hacia afuera para un NMOS y hacia adentro para un PMOS).

En la tabla que seguidamente se muestra se tiene una comparación entre los símbolos de los MOSFET de enriquecimiento y de empobrecimiento, junto con los símbolos para los JFET dibujados con la fuente y el drenaje ordenados de modo que las tensiones más elevadas aparecen en la parte superior del símbolo y la corriente fluye hacia abajo.

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

Para aquellos símbolos en los que el terminal del sustrato se muestra, aquí se representa conectado internamente al terminal de fuente. Esta es la configuración típica, pero no significa que sea 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 común entre el sustrato, que no está necesariamente conectada a los terminales de la fuente de todos los transistores.

Funcionamiento

Existen dos tipos de transistores MOSFET, ambos basados en la estructura MOS. Los primeros son los MOSFET de enriquecimiento los cuales se basan en la creación de un canal entre el drenador y la fuente, al aplicar una tensión en la puerta. La tensión de la puerta atrae portadores minoritarios hacia el canal, de manera que se forma una región de inversión, es decir, una región con dopado opuesto al que tenía el sustrato originalmente. El término enriquecimiento hace referencia al incremento de la conductividad eléctrica debido a un aumento de la cantidad de portadores de carga en la región correspondiente al canal. El canal puede formarse con un incremento en la concentración de electrones (en un nMOSFET o NMOS), o huecos (en un pMOSFET o PMOS). De este modo un transistor NMOS se construye con un sustrato tipo p y tiene un canal de tipo n, mientras que un transistor PMOS se construye con un sustrato tipo n y tiene un canal de tipo p.

Los MOSFET de empobrecimiento o deplexión tienen un canal conductor en su estado de reposo, que se debe hacer desaparecer mediante la aplicación de la tensión eléctrica en la puerta, lo cual ocasiona una disminución de la cantidad de portadores de carga y una disminución respectiva de la conductividad.

Efectos de segundo orden

Estas ecuaciones son un modelo sencillo de funcionamiento de los transistores MOSFET, pero no tienen en cuenta un buen número de efectos de segundo orden, como por ejemplo:

• Saturación de velocidad: La relación entre la tensión de puerta y la corriente de drenador no crece cuadráticamente en transistores de canal corto.
• Efecto cuerpo o efecto sustrato: La tensión entre fuente y sustrato modifica la tensión umbral que da lugar al canal de conducción.
• Modulación de longitud de canal.

Aplicaciones

La forma más habitual de emplear transistores MOSFET es en circuitos de tipo CMOS, consistentes en el uso de transistores PMOS y NMOS complementarios. Las aplicaciones de MOSFET discretos más comunes son:

• Resistencia controlada por tensión.
• Circuitos de conmutación de potencia (HEXFET, FREDFET, etc).
• Mezcladores de frecuencia, con MOSFET de doble puerta.

Ventajas con respecto a transistores bipolares

La principal aplicación de los MOSFET está en los circuitos integrados PMOS, NMOS y CMOS, debido a las siguientes ventajas de los transistores de efecto de campo con respecto a los transistores bipolares:

• Consumo en modo estático muy bajo.
• Tamaño muy inferior al transistor bipolar (actualmente del orden de media micra).
• Gran capacidad de integración debido a su reducido tamaño.
• Funcionamiento por tensión, son controlados por voltaje por lo que tienen una impedancia de entrada muy alta. La intensidad que circula por la puerta se expresa en nanoamperios.
• Los circuitos digitales realizados con MOSFET no necesitan resistencias, lo que conlleva a un ahorro de superficie.
• La velocidad de conmutación es muy alta, siendo expresada en nanosegundos.
• Cada vez se encuentran más en aplicaciones en los convertidores de alta frecuencias y baja potencia.

Dificultades en la reducción de tamaño del MOSFET

Históricamente, las dificultades de reducir el tamaño del MOSFET se han asociado con el proceso de fabricación de los dispositivos semiconductores, la necesidad de utilizar tensiones cada vez más bajas, y con bajo desempeño eléctrico, requiriendo el rediseño de los circuitos y la innovación (los MOSFETs pequeños presentan mayor corriente de fuga, e impedancia de salida más baja). Producir MOSFETs con longitudes de canal mucho más pequeñas que un micrómetro es todo un reto, y las dificultades de la fabricación de semiconductores son siempre un factor que limita el avance de la tecnología de circuitos integrados. En los años recientes, el tamaño reducido del MOSFET, más allá de las decenas de nanómetros, ha creado diversos problemas operacionales.

Algunos de los factores que limitan el escalamiento del MOSFET son las siguientes:

• Aumento de la corriente de subumbral
• Aumento en las fugas puerta-óxido
• Aumento en las fugas de las uniones fuente-sustrato y drenador-sustrato
• Reducción de la resistencia de salida
• Reducción de la transconductancia
• Capacitancia de interconexión
• Producción y disipación de calor
• Variaciones en el proceso de fabricación
• Retos en el modelado matemático

Véase también

En inglés: MOSFET Facts for Kids