MOSFET

Introducción:

MOSFET (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.

Prácticamente la totalidad de los microprocesadores comerciales están basados en transistores MOSFET.

Uno de los motivos que impulsó su desarrollo es que los transistores bipolares presentan limitaciones, el MOSFET es un dispositivo controlado por tensión, que permite manipular la corriente de salida de acuerdo a la variación en la tensión.

Historia del MOFET:

Fue ideado teóricamente por el austrohúngaro Julius von Edgar Lilienfeld en 1930, aunque debido a problemas de carácter tecnológico y el desconocimiento acerca de cómo se comportan los electrones sobre la superficie del semiconductor no se pudieron fabricar hasta décadas más tarde, pero los fundamentos teóricos estaban contenidos en la patente original. Veinticinco años después, cuando la Bell Telephone Company intentó patentar el transistor de unión, encontraron que Lilienfeld tenía registrada a su nombre una patente que estaba escrita de una forma que incluía todos los tipos de transistores posibles. Los Laboratorios Bell lograron llegar a un acuerdo con Lilienfeld, quien todavía vivía en esa época. Fue en ese momento cuando los Laboratorios Bell crearon el transistor de unión bipolar, y el diseño de Lilienfeld's fue conservado con el nombre de transistor de efecto de campo.

Marco teórico:

El transistor MOSFET fue creado al colocar una capa aislante en la superficie de un semiconductor y luego colocando un electrodo metálico de compuerta sobre el aislante. Se utiliza silicio cristalino para el semiconductor base, y una capa de dióxido de silicio creada a través de oxidación térmica, que se utiliza 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 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. Por estos tres factores, los transistores MOSFET se han convertido en el dispositivo utilizado más ampliamente en la construcción de circuitos integrados.

Dependiendo del dopado del sustrato, hay dos tipos de MOSFET, el nMOS y el pMOS; en la figura1 se muestra la estructura física del MOSFET de canal n del tipo de enriquecimiento. El transistor está fabricado en un sustrato tipo p, que es una oblea de un solo cristal de silicio que proporciona apoyo físico para el dispositivo. Dos regiones tipo n fuertemente contaminada: la fuente y el drenaje, se crean en el sustrato. Una delgada capa (0.02 a 0.1 micrómetros) de dióxido de silicio (SiO2), que es un excelente aislador eléctrico, crecen en la superficie del sustrato, cubriendo el área entre las regiones de la fuente y el dren. Se deposita metal en la parte superior de la capa de óxido para formar el electrodo de compuerta del dispositivo. También se hacen contactos metálicos para la región de la fuente, la región del dren y el sustrato, también conocido como cuerpo. De esta forma, aparecen cuatro terminales: el terminal de la compuerta (G), el terminal de la fuente (S), el terminal del dren (D) y el terminal del sustrato o cuerpo (B).

Figura 1. Estructura física del tipo N.

Imagen tomada de www.clearoom.byu.edu.

Observe que el sustrato forma uniones pn con las regiones de la fuente y el dren. En operación normal, estas uniones pn se mantienen polarizadas inversamente en todo momento. Como el dren estará a un voltaje positivo con respecto a la fuente, las dos uniones pn pueden en efecto ser cortadas con solo conectar el terminal del sustrato al terminal de la fuente. El MOSFET

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