miniatura|MOSFET mostrant els seus terminals; porta (gate), cos (body), font (source) i drenador (drain) terminals. La porta està separada del cos per una capa d'aïllant elèctric (òxid). miniatura|Transistor MOSFET d'empobriment canal N.Electronic Circuit SymbolsIEEE Std 315-1975 — Graphic Symbols for Electrical and Electronics Diagrams (Including Reference Designation Letters)Microelectronic Circuit Design, Jaeger, Blalock - Figure 4.15 IEEE Standard MOS transistor circuit symbols. miniatura|Transistor MOSFET d'empobriment canal P. MOSFET és l'acrònim de l'anglès metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (transistor d'efecte de camp metall-semiconductor). Consisteix en un transistor d'efecte de camp basat en l'estructura MOS. És el transistor més utilitzat en la indústria microelectrònica. Pràcticament la totalitat dels circuits integrats d'ús comercial són basats en transistors MOSFET.
Història Va ser ideat teòricament per l'austrohongarès Julius von Edgar Lilienfeld el 1930, encara que a causa de problemes de caràcter tecnològic i el desconeixement sobre com es comporten els electrons sobre la superfície del semiconductor no es van poder fabricar fins a dècades més tard. En concret, perquè aquest tipus de dispositius pugui funcionar correctament, la intercara entre el substrat dopat i l'aïllant ha de ser perfectament llisa i el més lliure de defectes possible. Això és una cosa que només es va poder aconseguir més tard, amb el desenvolupament de la tecnologia del silici.
El 1926 J. Lilienfeld patentà l'esquema d'un «dispositiu per controlar el flux d'un corrent elèctric entre dos terminals d'un sòlid elèctricament conductor, mitjançant l'establiment d'un tercer potencial entre els anteriors terminals».
El mateix Lilienfeld va anar millorant la seva estructura i li va afegir una capa d'aïllant entre el contacte modulador i el material conductor. Amb aquesta modificació nasqué el que posteriorment s'anomenaria MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor), on a partir de la utilització d'una estructura capacitiva es pot modular la concentració de portadors majoritaris d'un material semiconductor, que és l'anomenat efecte de camp. Ara bé, les dificultats tècniques que suposava la fabricació d'aquest dispositiu el posaven fora de l'abast dels coneixements de l'època. En aquells moments, degut a la càrrega atrapada als estats superficials de l'aïllant el camp elèctric s'apantallava impedint que penetrés en l'interior del semiconductor i no pogués ser observat l'efecte de camp. En els posteriors anys es desenvolupà paral·lelament una altra tecnologia, la BJT(Bipolar Junction Transistor) que adquiriria una gran predominança en les següents dècades. No va ser fins que el 1959 Atalla descobrí que en els dispositius basats en l'estructura MOS amb la presència d'una capa d'òxid com a aïllant s'aconseguia reduir la densitat d'estats superficials en el dielèctric a un nivell tal que l'efecte de camp a l'interior del semiconductor podia ésser observat. Més tard (1960) el mateix Atalla proposà l'estructura MOSFET, i juntament amb D. Khang el fabricà per primer cop amb el SiO₂ com a dielèctric. La figura mostra l'esquema bàsic d'un transistor MOS, on es millorava l'estat de càrrega a l'interior de la capa de SiO₂ i a la interfície Si/SiO₂. D'aquesta manera es va poder aconseguir que mitjançant l'aplicació d'una tensió a la porta es moduli el pas de corrent entre drenador i font.
A finals dels anys 1960 l'electrònica era basada en la tecnologia BJT. Ara bé, gràcies als avenços realitzats en la tecnologia MOS la tendència va anar variant, fins que aquesta es va acabar imposant i avui dia és la referència en el món microelectrònic. La principal raó per aquest canvi és que la tecnologia MOS aconsegueix un gran nombre d'avantatges enfront de la tecnologia BJT:
Funcionament miniatura|Corbes característica i de sortida d'un transistor MOSFET d'acumulació canal n. miniatura|Corbes característica i de sortida d'un transistor MOSFET d'deplexión canal n. Un transistor MOSFET consisteix en un substrat de material semiconductor dopat en el qual, mitjançant tècniques de difusió de dopants, es creen dues illes de tipus oposat separades per una àrea sobre la qual es fa créixer una capa de dielèctric culminada per una capa de conductor. Els transistors MOSFET es divideixen en dos tipus fonamentals depenent de com s'hagi realitzat el dopatge:
Tipus nMOS : Substrat de tipus p i difusions de tipus n .
Tipus pMOS : Substrat de tipus n i difusions de tipus p .
Les àrees de difusió es denominen font (source) i drenador (drain), i el conductor entre ells és la porta (gate).
El transistor MOSFET té tres estats de funcionament:
Estat de tall Quan la tensió de la porta és idèntica a la del substrat, el MOSFET està en estat de no conducció: cap corrent flueix entre font i drenador. També es diu mosfet als aïllats per juntura de dos components.
Conducció lineal En polaritzar la porta amb una tensió negativa (nMOS) o positiva (pMOS), es crea una regió de deplexión a la regió que separa la font i el drenador. Si aquesta tensió creix prou, apareixeran portadors minoritaris (electrons en pMOS, buits en nMOS) a la regió de deplexión que donaran lloc a un canal de conducció. El transistor passa llavors a estat de conducció, de manera que una diferència de potencial entre font i drenador donarà lloc a un corrent. El transistor es comporta com una resistència controlada per la tensió de porta.
Saturació Quan la tensió entre drenador i font supera cert límit, el canal de conducció sota la porta pateix un estrangulament a la rodalia del drenador i desapareix. El corrent entre font i drenador no s'interromp, ja que és a causa del camp elèctric entre ambdós, però es fa independent de la diferència de potencial entre els dos terminals. 090507 brunningsoftware.co.uk
Models matemàtics Per a un MOSFET de canal induït tipus n en la seva regió lineal:
on on b és l'ample del canal, la mobilitat dels electrons, és la permitivitat elèctrica de la capa d'òxid, L la longitud del canal i W el gruix de capa d'òxid.
Quan el transistor opera a la regió de saturació, la fórmula passa a ser la següent:
Aquestes fórmules són un model senzill de funcionament dels transistors MOSFET, però no tenen en compte un bon nombre d'efectes de segon ordre, com per exemple: Saturació de velocitat: La relació entre la tensió de porta i el corrent de drenador no creix cuadráticamente en transistors de canal curt. Efecte cos o efecte substrat: La tensió entre font i substrat modifica la tensió llindar que dona lloc al canal de conducció Modulació de longitud de canal.
Característiques Una alta impedància d'entrada (107 - 1012Ω) fent que sigui millor per a les etapes d'entrada d'amplificadors multietapa. Aquesta elevada impedància d'entrada permet treballar als circuits fabricats amb aquesta tecnologia com a elements d'emmagatzematge. Els transistors MOS són poc sensibles a la radiació com els BJT. Els MOSFETs estan autoaïllats. Algunes configuracions, com la CMOS (Complementary MOS), redueixen molt el consum d'energia i milloren els resultats. És una tecnologia fàcil de fabricar. Es poden realitzar més dispositius en un sol xip, degut a l'increment de la densitat d'empaquetament. Ocupen un menor espai, afavorint així una major producció. Aquest fet, sobretot per les aplicacions de tipus digital, és molt important i per això degut a la preponderància avui en dia del món digital ha fet que aquesta tecnologia s'hagi acabat imposant.
Avantatges vs. transistors bipolars Diversos avantatges sobre els transistors bipolars fan que la principal aplicació dels MOSFET estigui en els circuits integrats, p-rem, n hem de i c-rem, a causa de : Consum en mode estàtic molt baix. Grandària molt inferior al transistor bipolar (actualment de l'ordre de mitja micra). Gran capacitat d'integració per la seva reduïda grandària. Funcionament per tensió, són controlats per voltatge pel que tenen una impedencia d'entrada molt alta. La intensitat que circula per la porta és de l'ordre dels nanoampers. Els circuits digitals realitzats amb MOSFET no necessiten resistències, amb l'estalvi de superfície que comporta. La velocitat de commutació és molt alta, sent de l'ordre dels nanosegons. Cada vegada es troben més en aplicacions en els convertidors d'alta freqüències i baixa potència.
Aplicacions La forma més habitual d'utilitzar transistors MOSFET és en circuits de tipus CMOS, consistents en l'ús de transistors pMOS i nMOS complementaris. Vegeu Tecnologia CMOS
Les aplicacions de MOSFET discrets més comuns són: Resistència controlada per tensió. Circuits de commutació de potència (HEXFET, FREDFET, etc.). Mescladors de freqüència, amb MOSFET de doble porta.
Escalat del dispositiu MOS L'avanç de la indústria microelectrònica ha comportat la fabricació de dispositius i circuits cada cop més ràpids, amb un menor consum de potència i on les dimensions han anat reduint-se progressivament. D'aquesta manera, s'ha intentat integrar cada cop més transistors en una menor àrea. El 1965 Gordon Moore, director de la "Fairchild semiconductor" va fer la següent predicció: "la complexitat dels circuits integrats es doblarà cada any i mig" que es coneix com la llei de Moore. La indústria microelectrònica ha intentat seguir aquesta tendència. Així, ha anat augmentant progressivament el nombre de transistors que formen part dels microprocessadors i com es preveu que seguirà augmentant en el futur.
Ara bé, per poder continuar la reducció de les dimensions pronosticada per Moore, va ser important la teoria de l'escalat proposada per R.H. Dennard (1974), qui va establir unes regles, que es mostren a la taula, a partir de les quals es disminueixen les dimensions d'un transistor MOS optimitzat, sense que es degradin les seves característiques.
Paràmetres transistor Camp elèctric constant Velocitat portadors no saturada* Velocitat portadors saturada* Dimensions lineals 1/α 1/α 1/α Potencials 1/α ε/α ε/α Concentració impureses α εα εα Intensitat camp elèctric 1 ε ε Capacitats 1/α 1/α 1/α Corrent drenador 1/α ε²/α ε/α Potència 1/α² ε³/α² ε²/α² Densitat de potència 1 ε³ ε³ Retard de porta 1/α² 1/αε 1/α Producte potència x retard 1/α³ ε²/α³ ε²/α³ Resistència interconnexió α α α Densitat de corrent α αε² αε Constant de temps per unitat de longitud 1 1 1
Segons la teoria de l'escalat de Dennard, per aconseguir dur a terme l'escalat sense malmetre el funcionament del dispositiu s'haurà d'aplicar el paràmetre alfa (α) que fa referència al factor de reducció de les dimensions físiques. El paràmetre èpsilon (ε) serà el que indica el factor de disminució de les tensions.
Una altra opció recent per la millora de les prestacions dels dispositius MOS és la tecnologia SOI (Silicon On Insulator), on hi ha un gran volum de línies d'investigació obertes. La principal característica d'aquesta tecnologia és que el transport de portadors té lloc en una capa de Silici de gruix molt reduït, que es troba aïllada del substrat mitjançant un òxid enterrat. En els últims anys, les millores obtingudes en la fabricació d'oblies de tipus SOI han permès que els transistors MOSFET fabricats en elles assoleixin elevades prestacions (tant en el món digital com en l'analògic) pel que fa a velocitat de commutació.