MOSFET

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MOSFET
MOSFET Structure.png
MOSFET, que muestra los terminales de puerta (G), cuerpo (B), fuente (S) y drenaje (D). La puerta está separada del cuerpo por una capa aislante (rosa).
Principio de funcionamientoSemiconductor
inventado1959
Primera producción1960
Configuración de pinescompuerta (G), cuerpo (B), fuente (S) y drenaje (D)
símbolo electrónico
IGFET P-Ch Dep Labelled.svg IGFET N-Ch Enh Labelled.svg IGFET N-Ch Dep Labelled.svg IGFET P-Ch Enh Labelled.svg
Transistores MOSFET en varios tipos de embalaje

El transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido de metal ( MOSFET , MOS-FET o MOS FET ), también conocido como transistor de silicio de óxido de metal ( transistor MOS o MOS ), [1] es un tipo de puerta aislada Transistor de efecto de campo que se fabrica mediante la oxidación controlada de un semiconductor , generalmente silicio . El voltaje del terminal de puerta determina la conductividad eléctrica del dispositivo; esta capacidad de cambiar la conductividad con la cantidad de voltaje aplicado se puede utilizar paraamplificación o conmutación de señales electrónicas .

El MOSFET fue inventado por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959 y presentado por primera vez en 1960. Es el componente básico de la electrónica moderna y el dispositivo fabricado con mayor frecuencia en la historia, con un total estimado de 13  sextillones . (1,3 × 10 22 ) MOSFET fabricados entre 1960 y 2018. [2] Es el dispositivo semiconductor dominante en los circuitos integrados (IC) digitales y analógicos , [3] y el dispositivo de alimentación más común . [4] Es un transistor compacto que ha sido miniaturizado y producido en masa para una amplia gama de aplicaciones , revolucionando la industria electrónica y la economía mundial, y siendo fundamental para la revolución digital , la era del silicio y la era de la información.. El escalado y miniaturización de MOSFET ha estado impulsando el rápido crecimiento exponencial de la tecnología de semiconductores electrónicos desde la década de 1960 y permite circuitos integrados de alta densidad , como chips de memoria y microprocesadores .

Una ventaja clave de un MOSFET es que casi no requiere corriente de entrada para controlar la corriente de carga, en comparación con los transistores de unión bipolar (BJT). En un MOSFET de modo mejorado, el voltaje aplicado a la terminal de puerta puede aumentar la conductividad desde el estado "normalmente apagado". En un MOSFET de modo de agotamiento , el voltaje aplicado en la puerta puede reducir la conductividad del estado "normalmente encendido". [5] Los MOSFET también son capaces de una alta escalabilidad, con una miniaturización creciente , y se pueden reducir fácilmente a dimensiones más pequeñas. También tienen una velocidad de conmutación más rápida (ideal para señales digitales), un tamaño mucho más pequeño, consumen significativamente menos energía y permiten una densidad mucho mayor (ideal para la integración a gran escala ), en comparación con los BJT. Los MOSFET también son más baratos y tienen pasos de procesamiento relativamente simples, lo que da como resultado un alto rendimiento de fabricación .

Los MOSFET pueden fabricarse como parte de chips de circuitos integrados MOS o como dispositivos MOSFET discretos (como un MOSFET de potencia ), y pueden adoptar la forma de transistores de puerta única o de puerta múltiple . Dado que los MOSFET se pueden fabricar con semiconductores de tipo p o tipo n ( lógica PMOS o NMOS , respectivamente), se pueden usar pares complementarios de MOSFET para hacer circuitos de conmutación con un consumo de energía muy bajo : lógica CMOS (MOS Complementario).

El nombre "semiconductor de óxido de metal" (MOS) generalmente se refiere a una puerta de metal , aislamiento de óxido y semiconductor (generalmente silicio). [1] Sin embargo, el "metal" en el nombre MOSFET a veces es un nombre inapropiado, porque el material de la puerta también puede ser una capa de polisilicio (silicio policristalino). Junto con el óxido , también se pueden utilizar diferentes materiales dieléctricos con el objetivo de obtener canales fuertes con voltajes aplicados más pequeños. El capacitor MOS también es parte de la estructura MOSFET.

Una sección transversal a través de un nMOSFET cuando el voltaje de puerta VGS está por debajo del umbral para hacer un canal conductor; hay poca o ninguna conducción entre los terminales de drenaje y fuente; el interruptor está apagado. Cuando la puerta es más positiva, atrae electrones, induciendo un canal conductor de tipo n en el sustrato debajo del óxido, que permite que los electrones fluyan entre los terminales dopados con n ; el interruptor está encendido.
Simulación de formación de canal de inversión (densidad de electrones) y logro de voltaje umbral (IV) en un MOSFET de nanocables. Nota: el voltaje de umbral para este dispositivo se encuentra alrededor de 0,45 V

Historia temprana

Antecedentes

El principio básico del transistor de efecto de campo (FET) fue propuesto por primera vez por el físico austriaco Julius Edgar Lilienfeld en 1926, cuando presentó la primera patente para un transistor de efecto de campo de puerta aislada. [6] En el transcurso de los siguientes dos años, describió varias estructuras FET. En su configuración, el aluminio formaba el metal y el óxido de aluminio el óxido, mientras que el sulfuro de cobre se utilizaba como semiconductor . Sin embargo, no pudo construir un dispositivo de trabajo práctico. [7] El concepto FET también fue teorizado más tarde por el ingeniero alemán Oskar Heil en la década de 1930 y el físico estadounidense William Shockley en la década de 1940.[8] No había ningún FET práctico que funcionara construido en ese momento, y ninguna de estas primeras propuestas de FET involucrabasilicio oxidado térmicamente . [7]

Las empresas de semiconductores se centraron inicialmente en los transistores de unión bipolar (BJT) en los primeros años de la industria de los semiconductores . Sin embargo, el transistor de unión era un dispositivo relativamente voluminoso que era difícil de fabricar en serie , lo que lo limitaba a una serie de aplicaciones especializadas. Los FET se teorizaron como posibles alternativas a los transistores de unión, pero los investigadores no pudieron construir FET prácticos, en gran parte debido a la problemática barrera del estado de la superficie que impedía que el campo eléctrico externo penetrara en el material. [9] En la década de 1950, los investigadores abandonaron en gran medida el concepto FET y, en cambio, se centraron en la tecnología BJT. [10]

En 1955, Carl Frosch y Lincoln Derrick cubrieron accidentalmente la superficie de una oblea de silicio con una capa de dióxido de silicio . En su posterior caracterización experimental de esta capa de óxido, encontraron que bloqueaba la entrada de dopantes particulares a la oblea de silicio (a pesar de permitir otros) y, por lo tanto, descubrieron el efecto pasivante de una oxidación superficial .capa sobre este semiconductor. Su trabajo posterior demostró el grabado de pequeñas aberturas en la capa de óxido para difundir dopantes en áreas controladas con precisión de una oblea de silicio. En 1957, publicaron un artículo de investigación y patentaron su técnica que resume su trabajo. La técnica que desarrollaron se conoce como enmascaramiento por difusión de óxido, que luego se usaría en la fabricación de dispositivos MOSFET. En Bell Labs, la importancia de la técnica de Frosch se dio cuenta de inmediato, ya que los óxidos de silicio son mucho más estables que los óxidos de germanio, tienen mejores propiedades dieléctricas y, al mismo tiempo, podrían usarse como una máscara de difusión. Los resultados de su trabajo circularon por Bell Labs en forma de memorandos BTL antes de ser publicados en 1957. En Shockley Semiconductor, Shockley había hecho circular la versión preliminar de su artículo en diciembre de 1956 a todo su personal superior, incluido Jean Hoerni . [9] [11] [12]

invención

Mohamed M. Atalla (izquierda) y Dawon Kahng (derecha) inventaron el MOSFET en 1959.

Mohamed M. Atalla en Bell Labs estaba lidiando con el problema de los estados superficiales a fines de la década de 1950. Retomó el trabajo de Frosch sobre la oxidación, intentando pasivar la superficie del silicio mediante la formación de una capa de óxido sobre ella. Pensó que hacer crecer un SiO 2 muy delgado y de alta calidad desarrollado térmicamente sobre una oblea de silicio limpia neutralizaría los estados de la superficie lo suficiente como para hacer un transistor de efecto de campo de trabajo práctico. Escribió sus hallazgos en sus memorandos BTL en 1957, antes de presentar su trabajo en una reunión de la Sociedad Electroquímica en 1958. [13] [14] [15] [16] [8]Este fue un desarrollo importante que permitió la tecnología MOS y los chips de circuito integrado (IC) de silicio. [17] Al año siguiente, John L. Moll describió el capacitor MOS en la Universidad de Stanford . [18] Los compañeros de trabajo de Atalla, JR Ligenza y WG Spitzer, que estudiaron el mecanismo de los óxidos de crecimiento térmico, lograron fabricar una pila de Si/ SiO 2 de alta calidad, [7] con Atalla y Kahng haciendo uso de sus hallazgos. [19] [20]

El MOSFET se inventó cuando Mohamed Atalla y Dawon Kahng [14] [13] fabricaron con éxito el primer dispositivo MOSFET en funcionamiento en noviembre de 1959. [21] El dispositivo está cubierto por dos patentes, cada una presentada por separado por Atalla y Kahng en marzo de 1960. [ 22] [23] [24] [25] Publicaron sus resultados en junio de 1960, [26] en la Conferencia de dispositivos de estado sólido celebrada en la Universidad Carnegie Mellon . [27] El mismo año, Atalla propuso el uso de MOSFET para construir chips de circuito integrado MOS (MOS IC), destacando la facilidad de fabricación de MOSFET. [9]

Comercialización

La ventaja del MOSFET era que era relativamente compacto y fácil de producir en masa en comparación con el transistor de unión plana de la competencia, [28] pero el MOSFET representaba una tecnología radicalmente nueva, cuya adopción habría requerido rechazar el progreso que Bell había logrado. hecho con el transistor de unión bipolar (BJT). El MOSFET también fue inicialmente más lento y menos confiable que el BJT. [29]

A principios de la década de 1960, los programas de investigación de tecnología MOS fueron establecidos por Fairchild Semiconductor , RCA Laboratories , General Microelectronics (dirigido por el ex ingeniero de Fairchild Frank Wanlass ) e IBM . [30] En 1962, Steve R. Hofstein y Fred P. Heiman de RCA construyeron el primer chip de circuito integrado MOS . Al año siguiente, recopilaron todos los trabajos anteriores sobre FET y dieron una teoría de funcionamiento del MOSFET. [31] CMOS fue desarrollado por Chih-Tang Sah y Frank Wanlass en Fairchild en 1963. [32] El primer circuito integrado CMOS fue construido posteriormente en 1968 porAlberto Medwin . [33]

El primer anuncio público formal de la existencia de MOSFET como tecnología potencial se realizó en 1963. Luego, General Microelectronics lo comercializó por primera vez en mayo de 1964, seguido de Fairchild en octubre de 1964. El primer contrato de MOS de GMe fue con la NASA , que utilizó MOSFET para naves espaciales y satélites en el programa Interplanetary Monitoring Platform (IMP) y el programa Explorers . [30] Los primeros MOSFET comercializados por General Microelectronics y Fairchild eran dispositivos de canal p ( PMOS ) para aplicaciones lógicas y de conmutación. [8] A mediados de la década de 1960, RCAusaban MOSFET en sus productos de consumo, incluidos radio FM , televisión y amplificadores . [34] En 1967, los investigadores de Bell Labs, Robert Kerwin, Donald Klein y John Sarace, desarrollaron el transistor MOS de puerta autoalineada (puerta de silicio), que los investigadores de Fairchild, Federico Faggin y Tom Klein, adaptaron para circuitos integrados en 1968. [35]

revolución MOS

El desarrollo del MOSFET condujo a una revolución en la tecnología electrónica , denominada revolución MOS [36] o revolución MOSFET, [37] que impulsó el crecimiento tecnológico y económico de la industria de los semiconductores inicial .

El impacto del MOSFET se hizo comercialmente significativo desde finales de la década de 1960 en adelante. [38] Esto condujo a una revolución en la industria electrónica , que desde entonces ha impactado la vida diaria en casi todos los sentidos. [39] La invención del MOSFET ha sido citada como el nacimiento de la electrónica moderna [40] y fue fundamental para la revolución de las microcomputadoras. [41]

importancia

El MOSFET forma la base de la electrónica moderna, [42] y es el elemento básico en la mayoría de los equipos electrónicos modernos . [43] Es el transistor más común en electrónica, [13] y el dispositivo semiconductor más utilizado en el mundo. [44] Ha sido descrito como el "caballo de batalla de la industria electrónica" [45] y "la tecnología base" de finales del siglo XX y principios del XXI. [10] El escalado y la miniaturización de MOSFET (consulte la Lista de ejemplos de escala de semiconductores ) han sido los factores principales detrás del rápido crecimiento exponencial de los semiconductores electrónicos.tecnología desde la década de 1960, [46] ya que la rápida miniaturización de los MOSFET ha sido en gran parte responsable del aumento de la densidad de transistores , el aumento del rendimiento y la disminución del consumo de energía de los chips de circuitos integrados y dispositivos electrónicos desde la década de 1960. [47]

Los MOSFET son capaces de una alta escalabilidad ( ley de Moore y escala de Dennard ), [48] con una miniaturización creciente , [49] y se pueden reducir fácilmente a dimensiones más pequeñas. [50] Consumen significativamente menos energía y permiten una densidad mucho mayor que los transistores bipolares. [51] Los MOSFET pueden ser mucho más pequeños que los BJT, [52] aproximadamente una vigésima parte del tamaño a principios de la década de 1990. [52] Los MOSFET también tienen una velocidad de conmutación más rápida, [4] con una rápida conmutación electrónica de encendido y apagado que los hace ideales para generar trenes de pulsos ,[53] la base de las señales digitales. [54] [55] A diferencia de los BJT, que generan más lentamente señales analógicas que se asemejan a ondas sinusoidales , [53] los MOSFET también son más baratos [56] y tienen pasos de procesamiento relativamente simples, lo que resulta en un mayor rendimiento de fabricación . [50] Por lo tanto, los MOSFET permiten la integración a gran escala (LSI) y son ideales para circuitos digitales , [57] así como para circuitos analógicos lineales . [53]

El MOSFET ha sido descrito de diversas formas como el transistor más importante , [3] el dispositivo más importante en la industria electrónica, [58] posiblemente el dispositivo más importante en la industria informática , [59] uno de los desarrollos más importantes en tecnología de semiconductores , [60] y posiblemente el invento más importante en electrónica. [61] El MOSFET ha sido el componente fundamental de la electrónica digital moderna , [10] durante la revolución digital , [62] revolución de la información, era de la información ,[63] y la edad del silicio . [64] [65] Los MOSFET han sido la fuerza impulsora detrás de la revolución informática y las tecnologías habilitadas por ella. [66] [67] [68] El rápido progreso de la industria electrónica durante finales del siglo XX y principios del XXI se logró mediante el escalado rápido de MOSFET ( escala de Dennard y ley de Moore ), hasta el nivel de la nanoelectrónica a principios del siglo XXI. [69] El MOSFET revolucionó el mundo durante la era de la información, con su alta densidad habilitando una computadoraexistir en unos pocos chips IC pequeños en lugar de llenar una habitación, [70] y luego hacer posible la tecnología de comunicaciones digitales como los teléfonos inteligentes . [66]

El MOSFET es el dispositivo más fabricado de la historia. [71] [72] El MOSFET genera ventas anuales de $ 295 mil millones a partir de 2015. [73] Entre 1960 y 2018, se fabricó un total estimado de 13 sextillones de transistores MOS, lo que representa al menos el 99,9% de todos los transistores. [71] Los circuitos integrados digitales, como los microprocesadores y los dispositivos de memoria, contienen miles o miles de millones de MOSFET integrados en cada dispositivo, lo que proporciona las funciones de conmutación básicas necesarias para implementar puertas lógicas. y almacenamiento de datos. También hay dispositivos de memoria que contienen al menos un billón de transistores MOS, como una tarjeta de memoria microSD de 256 GB , más grande que la cantidad de estrellas en la galaxia de la Vía Láctea . [45] A partir de 2010, los principios operativos de los MOSFET modernos se han mantenido en gran medida iguales a los del MOSFET original demostrado por primera vez por Mohamed Atalla y Dawon Kahng en 1960. [74] [75] 

La Oficina de Patentes y Marcas de EE . UU . llama al MOSFET un "invento innovador que transformó la vida y la cultura en todo el mundo" [66] y el Museo de Historia de la Computación lo atribuye a "cambiar irrevocablemente la experiencia humana". [10] El MOSFET también fue la base de los avances que ganaron el Premio Nobel , como el efecto Hall cuántico [76] y el dispositivo de carga acoplada (CCD), [77] aunque nunca se otorgó ningún Premio Nobel al MOSFET en sí. [78] En una nota de 2018 sobre el Premio Nobel de Física de Jack Kilbypor su parte en la invención del circuito integrado, la Real Academia Sueca de Ciencias mencionó específicamente al MOSFET y al microprocesador como otros inventos importantes en la evolución de la microelectrónica . [79] El MOSFET también está incluido en la lista de hitos de IEEE en electrónica, [80] y sus inventores Mohamed Atalla y Dawon Kahng ingresaron al Salón de la Fama de Inventores Nacionales en 2009. [13] [14]

Composición

Fotomicrografía de dos MOSFET de puerta metálica en un patrón de prueba. Las almohadillas de sonda para dos puertas y tres nodos de fuente/drenaje están etiquetadas.

Por lo general, el semiconductor elegido es el silicio . Recientemente, algunos fabricantes de chips, sobre todo IBM e Intel , comenzaron a utilizar un compuesto químico 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. La investigación continúa [ ¿cuándo? ] 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 usa 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 [81] ).

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. En un MOSFET tipo n, el voltaje aplicado aleja los agujeros de la superficie, haciendo que la región sea menos tipo p hasta que se forma una capa de portadores negativos libres. Esto se conoce como inversión. 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 metal-óxido-semiconductor sobre silicio tipo p

Estructura metal-óxido-semiconductor

La estructura tradicional de metal-óxido-semiconductor (MOS) se obtiene haciendo crecer una capa de dióxido de silicio ( SiO
2
) 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 tipo p (conla densidad de aceptores , p la densidad de huecos; p = N A en masa neutra), un voltaje positivo,, de la puerta al cuerpo (ver figura) crea una capa de agotamiento al forzar los orificios 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) ) . Sies 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 de volumen de los electrones en la capa de inversión es la misma que la densidad de volumen de los agujeros en el cuerpo se denomina voltaje de 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 condensador 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 voltaje de umbral, 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.

Estructura y formación de canales

Formación de canales en MOSFET nMOS que se muestra como diagrama de bandas : Paneles superiores: un voltaje de compuerta aplicado dobla las bandas, agotando los agujeros de la superficie (izquierda). La carga que induce la flexión se equilibra con una capa de carga de iones aceptores negativos (derecha). Panel inferior: un mayor voltaje aplicado agota aún más los agujeros, pero la banda de conducción reduce su energía lo suficiente como para poblar un canal conductor
Perfil C–V para un MOSFET a granel con diferentes espesores de óxido. La parte más a la izquierda de la curva corresponde a la acumulación. El valle en el medio corresponde al agotamiento. La curva de la derecha corresponde a la inversión

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 negativo entre la fuente y la puerta, se crea un canal p en la superficie de la región n, similar al caso del canal n, pero con polaridades opuestas de cargas y voltajes. Cuando se aplica un voltaje menos negativo que el valor del 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 aislador de siliconadispositivo 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, se denominan regiones elevadas de fuente/drenaje.

Comparación de MOSFET de tipo n y tipo p [82]
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 funcionamiento

Fuente vinculada al cuerpo para garantizar que no haya sesgo del cuerpo: subumbral (arriba a la izquierda), modo óhmico (arriba a la derecha), modo activo al inicio del pinch-off (abajo a la izquierda) y modo activo en el pinch-off (abajo a la derecha). La modulación de la longitud del canal es evidente.
Ejemplo de aplicación de un MOSFET de canal n. Cuando se presiona el interruptor, el LED se enciende. [83]

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. [84] Las características de los MOSFET modernos son más complejas que el modelo algebraico presentado aquí. [85]

Para un MOSFET de canal n en modo mejorado , los tres modos operativos son:

Modo de corte, subumbral e inversión débil (MOSFET de canal n)

Cuando VGS < Vth : _ _

dóndees el sesgo de puerta a fuente yes el voltaje 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 la inversión débil donde la fuente está ligada a la masa [ aclaración necesaria ] , la corriente varía exponencialmente condado aproximadamente por: [86] [87]

dónde= corriente en, la tensión térmicay el factor de pendiente n viene dado por:

con= capacitancia de la capa de agotamiento y= 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 [88] [89]

donde eles el canal divisor que viene dado por:

con= capacitancia de la capa de agotamiento y= capacitancia de la capa de óxido. En un dispositivo de canal largo, no hay dependencia del voltaje de drenaje de la corriente una vez, pero a medida que se reduce la longitud del canal, la reducción de la barrera inducida por 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. [90] [91] [92] Al trabajar en la región de inversión débil, los MOSFET en estos circuitos ofrecen la relación transconductancia a corriente más alta posible, a saber:, casi la de un transistor bipolar. [93]

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. [94] [95]

Corriente de drenaje MOSFET frente a voltaje de drenaje a fuente para varios valores de; el límite entre los modos lineal ( óhmico ) y de saturación ( activo ) se indica mediante la parábola curva hacia arriba
Sección transversal de un MOSFET que opera en la región lineal (óhmica); fuerte región de inversión presente incluso cerca del drenaje
Sección transversal de un MOSFET que opera en la región de saturación (activa); el canal exhibe pinzamiento del canal cerca del desagüe
Modo triodo o región lineal, también conocido como modo óhmico [96] [97] (MOSFET de canal n)

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:

dóndees la movilidad efectiva del portador de carga,es el ancho de la puerta,es la longitud de la puerta yes la capacitancia de óxido de 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 [98] [99] (MOSFET de canal n)

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 alejándose de 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 puerta-fuente, y se modela aproximadamente como:

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 a la modulación de la longitud del canal , de manera similar al efecto temprano observado en los dispositivos bipolares. De acuerdo con esta ecuación, un parámetro de diseño clave, la transconductancia MOSFET es:

donde la combinación V ov = V GS  − V th se denomina voltaje de sobremarcha , [100] y donde V DSsat = V GS  − V th representa una pequeña discontinuidad enque de otro modo aparecerían en la transición entre el triodo y las regiones de saturación.

Otro parámetro de diseño clave es la resistencia de salida MOSFETdada por:

.

r out es el inverso de g DS donde. I D es la expresión en la región de saturación.

Si λ se toma como cero, la resistencia de salida infinita resultante puede simplificar el análisis del circuito; sin embargo, esto puede conducir 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 en VGS . En longitudes aún más cortas, los portaaviones transportan con una dispersión cercana a cero, lo que se conoce como transporte cuasibalístico . 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 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

Diagrama de bandas que muestra el efecto del cuerpo. V SB divide los niveles de Fermi F n para electrones y F p para huecos, lo que requiere un V GB más grande para poblar la banda de conducción en un MOSFET nMOS

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 de fuente a sustrato de la unión pn fuente-cuerpo introduce una división entre los niveles de Fermi para electrones y huecos, lo que mueve el nivel de Fermi para el canal más lejos del borde de la banda, lo que 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:

VTB=VT0 si VSB=0, es decir, el voltaje de umbral para los terminales de la puerta y la carrocería se cortocircuita.

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,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 la puerta es suficiente para asegurar que hay un canal presente. [101] 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". [102]

Símbolos de circuito

Símbolos de circuito MOSFET y JFET
canal P JFET P-Channel Labelled.svg IGFET P-Ch Enh Labelled.svg IGFET P-Ch Enh Labelled simplified.svg Mosfet P-Ch Sedra.svg IGFET P-Ch Dep Labelled.svg
canal N JFET N-Channel Labelled.svg IGFET N-Ch Enh Labelled.svg IGFET N-Ch Enh Labelled simplified.svg Mosfet N-Ch Sedra.svg IGFET N-Ch Dep Labelled.svg
JFET Modo de
mejora MOSFET

Modo de mejora MOSFET
(sin volumen)
Modo de
agotamiento MOSFET

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 sólida para el modo de agotamiento (ver modos de agotamiento y mejora ). Se dibuja otra línea paralela al canal de la puerta. [ cita requerida ]

Terminales

La conexión a granel o cuerpo (conexión a un sustrato - oblea), 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). [ cita requerida ]

Modo de mejora y agotamiento

En la tabla de esta sección se encuentra disponible una comparación de los símbolos MOSFET en modo mejorado y en modo empobrecido, junto con los 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 esquemática que los voltajes menos positivos, lo que implica que la corriente fluye "hacia abajo" de la página. [103] [104] [105]

Punta de flecha

En esquemas donde G, S y 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 a la punta de flecha. 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 la punta de flecha en la que se debe confiar para indicar el terminal de origen. [ cita requerida ]

Para los símbolos en los que se muestra el terminal a granel o cuerpo, aquí se muestra conectado internamente a la fuente (es decir, la punta de flecha negra en los diagramas de 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. [ cita requerida ]

Tipos de MOSFET

Lógica PMOS y NMOS

La lógica MOS de canal P (PMOS) utiliza MOSFET de canal p para implementar puertas lógicas y otros circuitos digitales . La lógica MOS de canal N (NMOS) utiliza MOSFET de canal n para implementar puertas lógicas y otros circuitos digitales.

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, a diferencia de la lógica CMOS (que ignora la corriente de fuga ), la lógica NMOS consume energía incluso cuando no se produce ninguna conmutación.

Mohamed Atalla y Dawon Kahng demostraron originalmente dispositivos pMOS y nMOS con longitudes de puerta de 20 µm y luego de 10 µm en 1960. [15] [106] Sus dispositivos MOSFET originales también tenían un grosor de óxido de puerta de 100 nm . [107] Sin embargo, los dispositivos nMOS no eran prácticos, y solo el tipo pMOS eran dispositivos de trabajo prácticos. [15] Varios años después se desarrolló un proceso NMOS más práctico. NMOS fue inicialmente más rápido que CMOS , por lo que NMOS se usó más ampliamente para computadoras en la década de 1970. [108]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.

MOS complementario (CMOS)

El MOSFET se utiliza en la lógica digital complementaria de metal-óxido-semiconductor ( CMOS ), [109] 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 las entradas a las puertas lógicasestán siendo cambiados. 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.

CMOS fue desarrollado por Chih-Tang Sah y Frank Wanlass en Fairchild Semiconductor en 1963. [32] CMOS tenía un consumo de energía más bajo, pero inicialmente era más lento que NMOS, que se usaba más ampliamente para computadoras en la década de 1970. En 1978, Hitachi introdujo el proceso CMOS de dos pozos, que permitió que CMOS igualara el rendimiento de NMOS con un menor consumo de energía. El proceso CMOS de pozo doble finalmente superó a NMOS como el proceso de fabricación de semiconductores más común para computadoras en la década de 1980. [108] En las décadas de 1970 y 1980, la lógica CMOS consumía más de 7  veces menos energía que la lógica NMOS, [108]y unas 100.000 veces menos potencia que la lógica transistor-transistor bipolar (TTL). [110]

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). [111]

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 las interfaces 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)

Metal-aislante-semiconductor transistor de efecto de campo, [112] [113] [114] 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:

MOSFET de puerta flotante (FGMOS)

El MOSFET de puerta flotante (FGMOS) es un tipo de MOSFET en el que la puerta está eléctricamente aislada, lo que crea un nodo flotante en CC y varias puertas secundarias o entradas se depositan sobre la puerta flotante (FG) y están eléctricamente aisladas de ella. El primer informe de un MOSFET de puerta flotante (FGMOS) fue realizado por Dawon Kahng (co-inventor del MOSFET original) y Simon Min Sze en 1967. [116]

El FGMOS se usa comúnmente como una celda de memoria de puerta flotante , el elemento de almacenamiento digital en EPROM , EEPROM y memorias flash . Otros usos del FGMOS incluyen un elemento computacional neuronal en redes neuronales , un elemento de almacenamiento analógico, potenciómetros digitales y DAC de un solo transistor .

MOSFET de potencia

Dos MOSFET de potencia en paquetes de montaje en superficie D2PAK . Operando como interruptores, cada uno de estos componentes puede soportar un voltaje de bloqueo de 120 V en estado apagado y puede conducir una corriente continua de 30  A en estado encendido , disipando hasta aproximadamente 100  W y controlando una carga de más de 2000 W. Se muestra una cerilla a escala. 
Sección transversal de un MOSFET de potencia , con celdas cuadradas. Un transistor típico está constituido por varios miles de celdas.

Los MOSFET de potencia tienen una estructura diferente. [117] 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 grosor 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). [ vago ]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, y el grosor del componente (en realidad, el grosor de la capa N-epitaxial) es proporcional al voltaje de ruptura. [118]

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. [119]

El MOSFET de potencia, que se usa comúnmente en la electrónica de potencia , se desarrolló a principios de la década de 1970. [120] El MOSFET de potencia permite una potencia de accionamiento de compuerta baja, velocidad de conmutación rápida y capacidad de conexión en paralelo avanzada. [4]

Semiconductor de óxido de metal de doble difusión (DMOS)

Hay VDMOS (semiconductor de óxido metálico de doble difusión vertical) y LDMOS (semiconductor de óxido metálico de doble difusión lateral). La mayoría de los MOSFET de potencia se fabrican con esta tecnología.

Condensador MOS

El capacitor MOS es parte de la estructura MOSFET, donde el capacitor MOS está flanqueado por dos uniones p-n . [121] El capacitor MOS se usa ampliamente como capacitor de almacenamiento en chips de memoria y como componente básico del dispositivo de carga acoplada (CCD) en la tecnología de sensores de imagen . [122] En DRAM (memoria dinámica de acceso aleatorio ), cada celda de memoria generalmente consta de un MOSFET y un condensador MOS. [123]

Transistor de película delgada (TFT)

El transistor de película delgada (TFT) es un tipo de MOSFET distinto del MOSFET a granel estándar. [124] El primer TFT fue inventado por Paul K. Weimer en RCA en 1962, basándose en el trabajo anterior de Atalla y Kahng sobre MOSFET. [125]

La idea de una pantalla de cristal líquido (LCD) basada en TFT fue concebida por Bernard Lechner de RCA Laboratories en 1968. [126] Lechner, FJ Marlowe, EO Nester y J. Tults demostraron el concepto en 1968 con una matriz de dispersión dinámica de 18x2 LCD que usaba MOSFET discretos estándar, ya que el rendimiento de TFT no era adecuado en ese momento. [127]

Transistores bipolares-MOS

BiCMOS es un circuito integrado que combina transistores BJT y CMOS en un solo chip. [128]

El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) es un transistor de potencia con características tanto de un MOSFET como de un transistor de unión bipolar (BJT). [129]

Sensores MOS

Se han desarrollado varios sensores MOSFET para medir parámetros físicos , químicos , biológicos y ambientales . [130] Los primeros sensores MOSFET incluyen el FET de puerta abierta (OGFET) introducido por Johannessen en 1970, [130] el transistor de efecto de campo sensible a iones (ISFET) inventado por Piet Bergveld en 1970, [131] el FET de adsorción ( ADFET) patentado por PF Cox en 1974, y un MOSFET sensible al hidrógeno demostrado por I. Lundstrom, MS Shivaraman, CS Svenson y L. Lundkvist en 1975.[130] El ISFET es un tipo especial de MOSFET con una puerta a cierta distancia, [130] y donde la puerta de metal se reemplaza por una membrana sensible a los iones ,solución de electrolito y un electrodo de referencia . [132]

A mediados de la década de 1980, se habían desarrollado muchos otros sensores MOSFET, incluido el sensor de gas FET (GASFET), el FET accesible desde la superficie (SAFET), el transistor de flujo de carga (CFT), el sensor de presión FET (PRESSFET), el transistor de efecto de campo químico ( ChemFET), ISFET de referencia (REFET), FET de biosensor (BioFET), FET modificado con enzimas (ENFET) y FET inmunológicamente modificado (IMFET). [130] A principios de la década de 2000, se habían desarrollado tipos de BioFET como el transistor de efecto de campo de ADN (DNAFET), el FET modificado genéticamente (GenFET) y el BioFET de potencial celular (CPFET). [132]

Los dos tipos principales de sensores de imagen utilizados en la tecnología de imagen digital son el dispositivo de carga acoplada (CCD) y el sensor de píxeles activos (sensor CMOS). Tanto los sensores CCD como CMOS se basan en la tecnología MOS, con el CCD basado en condensadores MOS y el sensor CMOS basado en transistores MOS. [77]

Transistor de efecto de campo de puerta múltiple (MuGFET)

Un FinFET (transistor de efecto de campo de aleta), un tipo de MOSFET de puerta múltiple .

El MOSFET de doble puerta (DGMOS) 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). La descripción del tetrodo , aunque precisa, no reproduce el tetrodo del 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. [133] [134]

Un transistor MOSFET de puerta doble fue demostrado por primera vez en 1984 por los investigadores del Laboratorio Electrotécnico Toshihiro Sekigawa y Yutaka Hayashi. [135] [136] Un GAAFET (MOSFET de puerta completa), un tipo de transistor 3D no plano de puerta múltiple , fue demostrado por primera vez en 1988 por un equipo de investigación de Toshiba que incluía a Fujio Masuoka , H. Takato y K. Sunouchi. . [137] [138] El FinFET (transistor de efecto de campo de aleta), un tipo de MOSFET de doble puerta no plano 3D, se originó a partir de la investigación de Digh Hisamoto y su equipo en el Laboratorio Central de Investigación de Hitachi.en 1989. [139] [140] Desde entonces, el desarrollo de MOSFET multipuerta de nanocables se ha vuelto fundamental para la nanoelectrónica . [141]

Transistor de efecto de campo cuántico (QFET)

Un transistor de efecto de campo cuántico (QFET) o transistor de efecto de campo de pozo cuántico (QWFET) es un tipo de MOSFET [142] [143] [144] que aprovecha la tunelización cuántica para aumentar considerablemente la velocidad de funcionamiento del transistor. [145]

Diseño endurecido por radiación (RHBD)

Los circuitos electrónicos de semiconductores submicrométricos y nanométricos 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 hacer una radiación endurecida por diseño(RHBD) es un 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 impactos 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 se produce 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 deconfiabilidad 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 considerablemente. Los circuitos microelectrónicos de baja potencia que incluyen computadoras, dispositivos de comunicación y sistemas de monitoreo en el transbordador espacial y los satélites son muy diferentes a los que se usan en la Tierra. Requieren 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 gammaetc.) circuitos tolerantes. Estos componentes electrónicos especiales están diseñados mediante la aplicación de diferentes técnicas utilizando MOSFET RHBD para garantizar viajes y paseos espaciales más seguros para los astronautas.

Aplicaciones

El MOSFET generalmente forma la base de la electrónica moderna , [42] como el transistor dominante en los circuitos digitales , así como en los circuitos integrados analógicos . [3] Es la base de numerosas tecnologías modernas, [146] y se utiliza comúnmente para una amplia gama de aplicaciones. [47] Según Jean-Pierre Colinge, numerosas tecnologías modernas no existirían sin el MOSFET, como la industria informática moderna , los sistemas de telecomunicaciones digitales , los videojuegos , las calculadoras de bolsillo y los relojes de pulsera digitales , por ejemplo. [146]

Los dispositivos MOSFET discretos se utilizan ampliamente en aplicaciones como fuentes de alimentación conmutadas , unidades de frecuencia variable 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. [ cita requerida ]

Los MOSFET en los circuitos integrados son los elementos principales de los procesadores de computadora , la memoria de semiconductores , los sensores de imagen y la mayoría de los demás tipos de circuitos integrados.

Circuito integrado MOS (MOS IC)

El MOSFET es el tipo de transistor más utilizado y el componente de dispositivo más crítico en los chips de circuitos integrados (IC). [147] El chip de circuito integrado monolítico fue habilitado por el proceso de pasivación de la superficie , que estabilizó eléctricamente las superficies de silicio a través de la oxidación térmica , lo que hizo posible fabricar chips de circuito integrado monolítico utilizando silicio. El proceso de pasivación de superficies fue desarrollado por Mohamed M. Atalla en Bell Labs en 1957. Esta fue la base para el proceso planar , desarrollado por Jean Hoerni enFairchild Semiconductor a principios de 1959, que fue fundamental para la invención del chip de circuito integrado monolítico por Robert Noyce más adelante en 1959. [148] [149] [17] El mismo año, [8] Atalla usó su proceso de pasivación de superficie para inventar el MOSFET con Dawon Kahng en Bell Labs. [14] [13] A esto le siguió el desarrollo de salas limpias para reducir la contaminación a niveles nunca antes considerados necesarios, y coincidió con el desarrollo de la fotolitografía [150] que, junto con la pasivación superficial y el proceso planar, permitió que los circuitos fueran hecho en pocos pasos.

Mohamed Atalla propuso por primera vez el concepto del chip de circuito integrado MOS (MOS IC) en 1960, y señaló que la facilidad de fabricación del MOSFET lo hacía útil para los circuitos integrados. [9] A diferencia de los transistores bipolares que requerían una serie de pasos para el aislamiento de la unión p-n de los transistores en un chip, los MOSFET no requerían tales pasos, pero podían aislarse fácilmente entre sí. [29] Su ventaja para los circuitos integrados fue reiterada por Dawon Kahng en 1961. [21] El SiSiO 2El sistema poseía los atractivos técnicos de bajo costo de producción (por circuito) y facilidad de integración. Estos dos factores, junto con su miniaturización de escala rápida y bajo consumo de energía , llevaron a que el MOSFET se convirtiera en el tipo de transistor más utilizado en chips IC.

El primer IC MOS experimental que se demostró fue un chip de 16 transistores construido por Fred Heiman y Steven Hofstein en RCA en 1962. [56] General Microelectronics introdujo más tarde los primeros circuitos integrados MOS comerciales en 1964, que constaban de 120 transistores de canal p . [151] Era un registro de desplazamiento de 20 bits , desarrollado por Robert Norman [56] y Frank Wanlass . [152] En 1968, los investigadores de Fairchild Semiconductor Federico Faggin y Tom Klein desarrollaron el primer MOS IC de puerta de silicio . [35]

Integración a gran escala de MOS (MOS LSI)

Con su alta escalabilidad , [48] y un consumo de energía mucho menor y una mayor densidad que los transistores de unión bipolar, [51] el MOSFET hizo posible construir chips IC de alta densidad . [1] Para 1964, los chips MOS habían alcanzado una mayor densidad de transistores y menores costos de fabricación que los chips bipolares . Los chips MOS aumentaron aún más en complejidad a un ritmo predicho por la ley de Moore , lo que llevó a la integración a gran escala (LSI) con cientos de MOSFET en un chip a fines de la década de 1960. [153] La tecnología MOS permitió la integración de más de 10 000 transistores en un solo chip LSI a principios de la década de 1970,[154] antes de permitir más tarde la integración a muy gran escala (VLSI). [50] [155]

Microprocesadores

El MOSFET fue el responsable de la invención del microprocesador. [156] Los orígenes tanto del microprocesador como del microcontrolador se remontan a la invención y desarrollo de la tecnología MOS. La aplicación de chips MOS LSI a la informática fue la base de los primeros microprocesadores, ya que los ingenieros comenzaron a reconocer que un procesador de computadora completo podía estar contenido en un solo chip MOS LSI. [153]

Los primeros microprocesadores eran todos chips MOS, construidos con circuitos MOS LSI. Los primeros microprocesadores multichip, el Four-Phase Systems AL1 en 1969 y el Garrett AiResearch MP944 en 1970, se desarrollaron con múltiples chips MOS LSI. El primer microprocesador comercial de un solo chip, el Intel 4004 , fue desarrollado por Federico Faggin , utilizando su tecnología MOS IC de puerta de silicio, con los ingenieros de Intel Marcian Hoff y Stan Mazor , y el ingeniero de Busicom Masatoshi Shima . [157] Con la llegada de CMOSmicroprocesadores En 1975, el término "microprocesadores MOS" comenzó a referirse a chips fabricados completamente con lógica PMOS o fabricados completamente con lógica NMOS , en contraste con "microprocesadores CMOS" y "procesadores bipolares de segmento de bits ". [158]

Circuitos CMOS

digitales

El crecimiento de las tecnologías digitales como el microprocesador ha proporcionado la motivación para hacer avanzar la tecnología MOSFET más rápido que cualquier otro tipo de transistor basado en silicio. [159] 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 sola salida controle una cantidad mucho mayor de entradas (la capacidad de distribución ) que la lógica basada en BJT (como TTL). Este aislamiento también ayuda a los diseñadores a ignorar los efectos de carga entre las etapas lógicas, que dependen en cierta medida de la frecuencia de funcionamiento: a medida que aumentan las frecuencias, disminuye la impedancia de entrada de los MOSFET.

Analógico

Las ventajas del MOSFET en los 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 transconductanciay 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, incluso rompiendo levemente la base del emisor). [ vago ] Las características y el rendimiento de muchos circuitos analógicos se pueden escalar hacia arriba o hacia abajo cambiando los tamaños (largo y ancho) de los MOSFET utilizados. En comparación, en los transistores bipolares, el tamaño del dispositivo no afecta significativamente su rendimiento. [ cita requerida ] 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 queCircuitos analógicos de condensadores conmutados 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. [ dudoso ] Además, los MOSFET se pueden configurar para funcionar como condensadores y circuitos giratoriosque permiten que los amplificadores operacionales hechos a partir de ellos aparezcan como inductores, lo que permite que todos los dispositivos analógicos normales en un chip (excepto los diodos, que de todos modos se pueden hacer más pequeños que un MOSFET) se construyan completamente con MOSFET. 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.

A fines de la década de 1980, Asad Abidi fue pionero en la tecnología RF CMOS , que utiliza circuitos MOS VLSI , mientras trabajaba en la UCLA . Esto cambió la forma en que se diseñaron los circuitos de RF , alejándose de los transistores bipolares discretos y acercándose a los circuitos integrados CMOS. A partir de 2008, los transceptores de radio de todos los dispositivos de redes inalámbricas y los teléfonos móviles modernos se fabrican en masa como dispositivos RF CMOS. RF CMOS también se utiliza en casi todos los dispositivos Bluetooth y LAN inalámbricos (WLAN) modernos. [160]

memoria MOS

El advenimiento del MOSFET permitió el uso práctico de los transistores MOS como elementos de almacenamiento de celdas de memoria, una función que antes cumplían los núcleos magnéticos en la memoria de la computadora . [161] La primera memoria de computadora moderna se introdujo en 1965, cuando John Schmidt en Fairchild Semiconductor diseñó la primera memoria de semiconductores MOS , una SRAM MOS de 64 bits (memoria estática de acceso aleatorio ). [162] SRAM se convirtió en una alternativa a la memoria de núcleo magnético , pero requería seis transistores MOS para cada bit de datos. [163]

La tecnología MOS es la base de DRAM (memoria dinámica de acceso aleatorio ). En 1966, el Dr. Robert H. Dennard del Centro de Investigación Thomas J. Watson de IBM estaba trabajando en la memoria MOS . Mientras examinaba las características de la tecnología MOS, descubrió que era capaz de construir capacitores, y que almacenar una carga o no cargar en el capacitor MOS podía representar el 1 y el 0 de un bit, mientras que el transistor MOS podía controlar la escritura de la carga en el capacitor. condensador. Esto lo llevó al desarrollo de una celda de memoria DRAM de un solo transistor. [163] En 1967, Dennard presentó una patente ante IBM para una celda de memoria DRAM (memoria dinámica de acceso aleatorio) de un solo transistor, basada en la tecnología MOS. [164]La memoria MOS permitía un mayor rendimiento, era más barata y consumía menos energía que la memoria de núcleo magnético , lo que llevó a la memoria MOS a superar a la memoria de núcleo magnético como la tecnología de memoria informática dominante a principios de la década de 1970. [165]

Frank Wanlass , mientras estudiaba las estructuras MOSFET en 1963, notó el movimiento de la carga a través del óxido hacia una puerta . Si bien no la persiguió, esta idea se convertiría más tarde en la base de la tecnología EPROM (memoria programable borrable de solo lectura ). [166] En 1967, Dawon Kahng y Simon Min Sze propusieron que las celdas de memoria de puerta flotante , que consisten en MOSFET de puerta flotante (FGMOS), podrían usarse para producir ROM reprogramable ( memoria de solo lectura ). [167] Las celdas de memoria de puerta flotante más tarde se convirtieron en la base paratecnologías de memoria no volátil (NVM) que incluyen EPROM, EEPROM (ROM programable borrable eléctricamente) y memoria flash . [168]

Electrónica de consumo

Los MOSFET se utilizan ampliamente en la electrónica de consumo . Uno de los primeros productos electrónicos de consumo influyentes habilitados por los circuitos MOS LSI fue la calculadora electrónica de bolsillo , [154] ya que la tecnología MOS LSI permitió grandes cantidades de capacidad computacional en paquetes pequeños. [169] En 1965, la calculadora de escritorio Victor 3900 fue la primera calculadora MOS , con 29 chips MOS. [170] En 1967, Texas Instruments Cal-Tech fue el primer prototipo de calculadora portátil electrónica , con tres chips MOS LSI, y más tarde se lanzó como CanonPocketronic en 1970. [171] La calculadora de escritorio Sharp QT-8D fue la primera calculadora LSI MOS producida en masa en 1969, [172] y la Sharp EL-8, que usaba cuatro chips MOS LSI, fue la primera calculadora portátil electrónica comercial en 1970 [ 171] La primera calculadora electrónica de bolsillo verdadera fue la Busicom LE-120A HANDY LE, que usaba una sola calculadora MOS LSI en un chip de Mostek , y fue lanzada en 1971. [171] En 1972, los circuitos MOS LSI fueron comercializados para muchas otras aplicaciones. [173]

Los MOSFET son fundamentales para la tecnología de la información y las comunicaciones (TIC), [66] [79] incluidas las computadoras modernas , [174] [146] [155] la informática moderna , [175] las telecomunicaciones , la infraestructura de comunicaciones , [174] [176] la Internet , [174] [72] [177] telefonía digital , [178] telecomunicaciones inalámbricas , [179] [180] y redes móviles . [180]Según Colinge, la industria informática moderna y los sistemas de telecomunicaciones digitales no existirían sin el MOSFET. [146] Los avances en la tecnología MOS han sido el factor contribuyente más importante en el rápido aumento del ancho de banda de la red en las redes de telecomunicaciones , con el ancho de banda duplicándose cada 18 meses, de bits por segundo a terabits por segundo ( ley de Edholm ). [181]

Sensores MOS

Los sensores MOS , también conocidos como sensores MOSFET, son ampliamente utilizados para medir parámetros físicos , químicos , biológicos y ambientales . [130] El transistor de efecto de campo sensible a iones (ISFET), por ejemplo, se usa ampliamente en aplicaciones biomédicas . [132] También se ha demostrado ampliamente que los quimiorresistores MOS y los MOSFET tienen aplicaciones prometedoras en la detección de gases, ya sea como dispositivos de un solo sensor o como componentes en conjuntos de sensores químicos . [182]

Los MOSFET también se usan ampliamente en sistemas microelectromecánicos (MEMS), ya que los MOSFET de silicio pueden interactuar y comunicarse con el entorno y procesar cosas como productos químicos , movimientos y luz . [183] ​​Un ejemplo temprano de un dispositivo MEMS es el transistor de puerta resonante, una adaptación del MOSFET, desarrollado por Harvey C. Nathanson en 1965. [184]

La tecnología MOS es la base de los sensores de imagen modernos , incluido el dispositivo de acoplamiento de carga (CCD) y el sensor de píxeles activos CMOS (sensor CMOS), que se utilizan en imágenes digitales y cámaras digitales . [77] Willard Boyle y George E. Smith desarrollaron el CCD en 1969. Mientras investigaban el proceso MOS, se dieron cuenta de que una carga eléctrica era la analogía de la burbuja magnética y que podía almacenarse en un diminuto condensador MOS. Como era bastante sencillo fabricar una serie de capacitores MOS en una fila, les conectaron un voltaje adecuado para que la carga pudiera pasar de uno a otro. [77]El CCD es un circuito semiconductor que luego se usó en las primeras cámaras de video digitales para la transmisión de televisión . [185]

El sensor de píxeles activos (APS) MOS fue desarrollado por Tsutomu Nakamura en Olympus en 1985. [186] El sensor de píxeles activos CMOS fue desarrollado posteriormente por Eric Fossum y su equipo en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA a principios de la década de 1990. [187]

Los sensores de imagen MOS se utilizan ampliamente en la tecnología de ratones ópticos . El primer mouse óptico, inventado por Richard F. Lyon en Xerox en 1980, usaba un chip sensor NMOS de 5  µm . [188] [189] Desde el primer mouse óptico comercial, el IntelliMouse presentado en 1999, la mayoría de los dispositivos de mouse óptico utilizan sensores CMOS. [190]

MOSFET de potencia

El MOSFET de potencia es el dispositivo de potencia más utilizado en el mundo. [4] Las ventajas sobre los transistores de unión bipolar en la electrónica de potencia incluyen que los MOSFET no requieren un flujo continuo de corriente de accionamiento para permanecer en el estado ENCENDIDO, lo que ofrece velocidades de conmutación más altas, pérdidas de energía de conmutación más bajas, resistencias de encendido más bajas y susceptibilidad reducida a la fuga térmica. [191] El MOSFET de potencia tuvo un impacto en las fuentes de alimentación , permitiendo frecuencias operativas más altas, reducción de tamaño y peso, y mayor volumen de producción. [192]

Las fuentes de alimentación conmutadas son las aplicaciones más comunes para los MOSFET de potencia. [53] También se usan ampliamente para los amplificadores de potencia MOS RF , que permitieron la transición de las redes móviles de analógicas a digitales en la década de 1990. Esto condujo a la gran proliferación de redes móviles inalámbricas, que revolucionaron los sistemas de telecomunicaciones . [179] El LDMOS en particular es el amplificador de potencia más utilizado en redes móviles, como 2G , 3G , [179] 4G y 5G . [180] Más de 50 mil millones de MOSFET de potencia discreta se envían anualmente, a partir de 2018. Se utilizan ampliamente para sistemas automotrices , industriales y de comunicaciones en particular. [193] Los MOSFET de potencia se usan comúnmente en la electrónica automotriz , particularmente como dispositivos de conmutación en unidades de control electrónico , [194] y como convertidores de potencia en vehículos eléctricos modernos . [195] El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT), un transistor híbrido MOS-bipolar, también se utiliza para una amplia variedad de aplicaciones. [196]

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:

  1. 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 tensiones de umbral bajas(LVT) se convierte en un desafío significativo. Además, obtener dispositivos de bajo umbral en dispositivos PMOS y NMOS a veces requiere el uso de diferentes metales para cada tipo de dispositivo. Si bien los circuitos integrados bimetálicos (es decir, un tipo de metal para los electrodos de compuerta de NFETS y un segundo tipo de metal para los electrodos de compuerta de PFETS) no son comunes, se conocen en la literatura de patentes y brindan algún beneficio en términos de ajuste general de los circuitos eléctricos. rendimiento eléctrico.
  2. 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.
  3. 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. El proceso en el que se forma siliciuro tanto en el electrodo de puerta como en las regiones de fuente y drenaje a veces se denomina saliciuro , siliciuro autoalineado.
  • 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 observado aquí es el llamado poli empobrecimiento , donde se forma una capa de empobrecimiento en la capa de polisilicio de la puerta junto al dieléctrico de la puerta cuando el transistor está en la 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: [197]

  1. 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.
  2. Los dieléctricos de alto κ ahora están bien estudiados y se comprenden sus defectos.
  3. 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:

donde Q es la densidad de carga, κ es la constante dieléctrica, ε 0 es la permitividad del espacio vacío y E es el 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:

donde V G es el voltaje de la puerta, V ch es el voltaje en el lado del canal del aislador y t ins es el espesor del aislador. Esta ecuación muestra que el voltaje de la puerta no aumentará cuando aumente el espesor del aislador, siempre que κ aumente para mantener t ins / κ constante (ver dieléctricos de alto κ para obtener más detalles y también § fuga de óxido de puerta aumentada ).

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 cruces

MOSFET que muestra extensiones de unión poco profundas, fuente elevada y drenaje e implante de halo. Fuente elevada y drenaje separados de la compuerta por espaciadores de óxido

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 ( I-V ) 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 . [198]

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. [199]

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

Escalado

Tendencia de la longitud de la puerta del transistor de la CPU Intel
Versión MOSFET del espejo de corriente potenciado por ganancia ; M 1 y M 2 están en modo activo, mientras que M 3 y M 4 están en modo óhmico y actúan como resistencias. El amplificador operacional proporciona retroalimentación que mantiene una alta resistencia de salida.

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. La industria de los semiconductores mantiene una "hoja de ruta", el ITRS , [200]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 rendimiento 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). ). A partir de 2019, los MOSFET más pequeños en producción son nodos semiconductores FinFET de 5 nm , fabricados por Samsung Electronics y TSMC . [201] [202]

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 dada. 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, el número de MOSFET en un microprocesador fabricado con una tecnología de 45 nm bien puede ser el doble que en unmicroprocesador de 65 nanómetros . Esta duplicación de la densidad del transistor fue observada por primera vez por Gordon Moore en 1965 y se conoce comúnmente como la ley de Moore . [203] 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 retraso RCdel transistor se 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 la deposición de capas atómicas ( 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 superior
A 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. [204][205]
Mayor fuga de óxido de puerta
El 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. Dióxido de siliciose ha utilizado tradicionalmente como aislante de la 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). En igualdad de condiciones, un espesor dieléctrico más alto reduce la corriente de tunelización cuántica a través del dieléctrico entre la puerta y el canal. 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 , hafnio y circonioSe están utilizando silicatos y óxidos para reducir la fuga de la puerta desde el nodo de tecnología 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, lo que tiende a aumentar la corriente de efecto túnel, anulando un poco la ventaja de una constante dieléctrica más alta. El voltaje máximo entre la fuente y la compuerta está determinado por la fuerza del campo eléctrico capaz de ser sostenido por el dieléctrico de la compuerta 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 unión
Para hacer los dispositivos más pequeños, el diseño de las uniones se ha vuelto más complejo, lo que lleva a niveles más altos de dopaje , uniones menos profundas, dopaje de " halo ", etc. ). 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 [208], 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 off
Debido al efecto de canal corto , la puerta 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 salida
Para la operación analógica, una buena ganancia requiere una alta impedancia de salida del MOSFET, lo que significa que la corriente del 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 transconductancia
La 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 interconexión
Tradicionalmente, 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. [209] [210] Las señales tienen que viajar a través de la interconexión, lo que conduce a un mayor retraso y un menor rendimiento.
Producción de calor
La 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 proceso
Con 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 convierten en un porcentaje mayor 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. Ver variación del proceso, diseño para fabricación , ingeniería de confiabilidad y control estadístico de procesos . [211]
Desafíos de modelado
Los 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".

Una regla de escala relacionada es la ley de Edholm . En 2004, Phil Edholm observó que el ancho de banda de las redes de telecomunicaciones (incluida Internet ) se duplica cada 18 meses. [212] En el transcurso de varias décadas, los anchos de banda de las redes de comunicación han aumentado de bits por segundo a terabits por segundo . El rápido aumento del ancho de banda de las telecomunicaciones se debe en gran medida al mismo escalado de MOSFET que permite la ley de Moore, ya que las redes de telecomunicaciones se construyen a partir de MOSFET. [181]

Cronología

PMOS y NMOS

Demostraciones MOSFET ( PMOS y NMOS )
Fecha Longitud del canal Espesor de óxido [213] Lógica MOSFET Investigador(es) Organización Árbitro
junio de 1960 20.000 nm 100nm SGP Mohamed M. Atalla , Dawon Kahng Laboratorios telefónicos Bell [214] [215]
NMOS
10.000 nm 100nm _ SGP Mohamed M. Atalla , Dawon Kahng Laboratorios telefónicos Bell [216]
NMOS
mayo de 1965 8.000nm 150nm NMOS Chih-Tang Sah , Otto Leistiko, AS Grove Semiconductor Fairchild [217]
5000nm 170nm SGP
diciembre de 1972 1000nm ? SGP Robert H. Dennard , Fritz H. Gaensslen, Hwa-Nien Yu Centro de investigación IBM TJ Watson [218] [219] [220]
1973 7500nm ? NMOS suzuki sohichi Comité ejecutivo nacional [221] [222]
6000nm ? SGP ? Toshiba [223] [224]
octubre de 1974 1000nm 35nm NMOS Robert H. Dennard , Fritz H. Gaensslen, Hwa-Nien Yu Centro de investigación IBM TJ Watson [225]
500nm
septiembre de 1975 1.500nm 20nm NMOS Ryoichi Hori, Hiroo Masuda, Osamu Minato Hitachi [219] [226]
marzo de 1976 3000nm ? NMOS ? Intel [227]
abril de 1979 1000nm 25nm NMOS William R. Hunter, LM Efrath, Alice Cramer Centro de investigación IBM TJ Watson [228]
diciembre de 1984 100nm 5nm NMOS Toshio Kobayashi, Seiji Horiguchi, K. Kiuchi Telégrafo y teléfono de Nippon [229]
diciembre de 1985 150nm 2,5nm NMOS Toshio Kobayashi, Seiji Horiguchi, M. Miyake, M. Oda Telégrafo y teléfono de Nippon [230]
75nm ? NMOS Stephen Y. Chou, Henry I. Smith, Dimitri A. Antoniadis MIT [231]
enero de 1986 60nm ? NMOS Stephen Y. Chou, Henry I. Smith, Dimitri A. Antoniadis MIT [232]
junio de 1987 200nm 3,5nm SGP Toshio Kobayashi, M. Miyake, K. Deguchi Telégrafo y teléfono de Nippon [233]
diciembre de 1993 40nm ? NMOS Mizuki Ono, Masanobu Saito, Takashi Yoshitomi Toshiba [234]
septiembre de 1996 16nm ? SGP Hisao Kawaura, Toshitsugu Sakamoto, Toshio Baba Comité ejecutivo nacional [235]
junio de 1998 50nm 1,3nm NMOS Khaled Z. Ahmed, Effiong E. Ibok, Miryeong Song Microdispositivos avanzados (AMD) [236] [237]
diciembre de 2002 6nm ? SGP Bruce Doris, Omer Dokumaci, Meikei Ieong IBM [238] [239] [240]
diciembre de 2003 3 nm ? SGP Hitoshi Wakabayashi, Shigeharu Yamagami Comité ejecutivo nacional [241] [239]
? NMOS

CMOS (puerta única)

Demostraciones complementarias de MOSFET ( CMOS ) ( puerta única )
Fecha Longitud del canal Espesor de óxido [213] Investigador(es) Organización Árbitro
febrero de 1963 ? ? Chih-Tang Sah , Frank Wanlass Semiconductor Fairchild [242] [243]
1968 20.000 nm 100nm ? Laboratorios RCA [244]
1970 10.000 nm 100nm ? Laboratorios RCA [244]
diciembre de 1976 2000nm ? A. Aitken, RG Poulsen, ATP MacArthur, JJ White Semiconductores Mitel [245]
febrero de 1978 3000nm ? Toshiaki Masuhara, Osamu Minato, Toshio Sasaki, Yoshio Sakai Laboratorio central de investigación de Hitachi [246] [247] [248]
febrero de 1983 1.200nm 25nm RJC Chwang, M. Choi, D. Creek, S. Stern, PH Pelley Intel [249] [250]
900nm 15nm Tsuneo Mano, J. Yamada, Junichi Inoue, S. Nakajima Telégrafo y teléfono nipones (NTT) [249] [251]
diciembre de 1983 1000nm 22,5nm GJ Hu, Yuan Taur, Robert H. Dennard , Chung-Yu Ting Centro de investigación IBM TJ Watson [252]
febrero de 1987 800nm 17 nm T. Sumi, Tsuneo Taniguchi, Mikio Kishimoto, Hiroshige Hirano Matsushita [249] [253]
700nm 12 nm Tsuneo Mano, J. Yamada, Junichi Inoue, S. Nakajima Telégrafo y teléfono nipones (NTT) [249] [254]
septiembre de 1987 500nm 12,5nm Hussein I. Hanafi, Robert H. Dennard , Yuan Taur, Nadim F. Haddad Centro de investigación IBM TJ Watson [255]
diciembre de 1987 250nm ? Naoki Kasai, Nobuhiro Endo, Hiroshi Kitajima Comité ejecutivo nacional [256]
febrero de 1988 400nm 10nm M. Inoue, H. Kotani, T. Yamada, Hiroyuki Yamauchi Matsushita [249] [257]
diciembre de 1990 100nm ? Ghavam G. Shahidi , Bijan Davari , Yuan Taur, James D. Warnock Centro de investigación IBM TJ Watson [258]
1993 350nm ? ? sony [259]
1996 150nm ? ? mitsubishi eléctrico
1998 180nm ? ? TSMC [260]
diciembre de 2003 5nm ? Hitoshi Wakabayashi, Shigeharu Yamagami, Nobuyuki Ikezawa Comité ejecutivo nacional [241] [261]

MOSFET multipuerta (MuGFET)

Demostraciones de MOSFET multipuerta ( MuGFET )
Fecha Longitud del canal Tipo MuGFET Investigador(es) Organización Árbitro
agosto de 1984 ? DGMOS Toshihiro Sekigawa, Yutaka Hayashi Laboratorio Electrotécnico (ETL) [262]
1987 2000nm DGMOS Toshihiro Sekigawa Laboratorio Electrotécnico (ETL) [263]
diciembre de 1988 250nm DGMOS Bijan Davari , Wen-Hsing Chang, Matthew R. Wordeman, CS Oh Centro de investigación IBM TJ Watson [264] [265]
180nm
? GAAFET Fujio Masuoka , Hiroshi Takato, Kazumasa Sunouchi, N. Okabe Toshiba [266] [267] [268]
diciembre de 1989 200nm FinFET Digh Hisamoto, Toru Kaga, Yoshifumi Kawamoto, Eiji Takeda Laboratorio central de investigación de Hitachi [269] [270] [271]
diciembre de 1998 17 nm FinFET Digh Hisamoto, Chenming Hu , Tsu-Jae King Liu , Jeffrey Bokor Universidad de California, Berkeley) [272] [273]
2001 15nm FinFET Chenming Hu , Yang‐Kyu Choi, Nick Lindert, Tsu-Jae King Liu Universidad de California, Berkeley) [272] [274]
diciembre de 2002 10nm FinFET Shably Ahmed, Scott Bell, Cyrus Tabery, Jeffrey Bokor Universidad de California, Berkeley) [272] [275]
junio de 2006 3 nm GAAFET Hyunjin Lee, Yang-kyu Choi, Lee-Eun Yu, Seong-Wan Ryu KAIST [276] [277]

Otros tipos de MOSFET

Demostraciones MOSFET ( otros tipos )
Fecha
Longitud del canal
(nm)

Espesor de óxido
(nm)
[213]
tipo MOSFET
Investigador(es) Organización Árbitro
octubre de 1962 ? ? TFT Paul K Weimer Laboratorios RCA [278] [279]
1965 ? ? GaAs H. Becke, R. Hall, J. White Laboratorios RCA [280]
octubre de 1966 100,000 100 TFT TP Brody, HE Kunig Westinghouse eléctrico [281] [282]
agosto de 1967 ? ? FGMOS Dawon Kahng y Simon Min Sze Laboratorios telefónicos Bell [283]
octubre de 1967 ? ? MNOS HA Richard Wegener, AJ Lincoln, HC Pao corporación sperry [284]
julio de 1968 ? ? BiMOS Hung-Chang Lin , Ramachandra R. Iyer Westinghouse eléctrico [285] [286]
octubre de 1968 ? ? BiCMOS Hung-Chang Lin , Ramachandra R. Iyer, CT Ho Westinghouse eléctrico [287] [286]
1969 ? ? VMOS ? Hitachi [288] [289]
septiembre de 1969 ? ? OGD Y. Tarui, Y. Hayashi, Toshihiro Sekigawa Laboratorio Electrotécnico (ETL) [290] [291]
octubre de 1970 ? ? ISFET piet bergveld Universidad de Twente [292] [293]
octubre de 1970 1000 ? OGD Y. Tarui, Y. Hayashi, Toshihiro Sekigawa Laboratorio Electrotécnico (ETL) [294]
1977 ? ? VDMOS Juan Luis Moll Laboratorios HP [288]
? ? LDMOS ? Hitachi [295]
julio de 1979 ? ? IGBT Bantval Jayant BaligaMargaret Lazeri Energia General [296]
diciembre de 1984 2000 ? BiCMOS H. Higuchi, Goro Kitsukawa, Takahide Ikeda, Y. Nishio Hitachi [297]
mayo de 1985 300 ? ? K. Deguchi, Kazuhiko Komatsu, M. Miyake, H. Namatsu Telégrafo y teléfono de Nippon [298]
febrero de 1985 1000 ? BiCMOS H. Momose, Hideki Shibata, S. Saitoh, Jun-ichi Miyamoto Toshiba [299]
noviembre de 1986 90 8.3 ? Han-Sheng Lee, LC Puzio Motores generales [300]
diciembre de 1986 60 ? ? Ghavam G. Shahidi , Dimitri A. Antoniadis, Henry I. Smith MIT [301] [232]
mayo de 1987 ? 10 ? Bijan Davari , Chung-Yu Ting, Kie Y. Ahn, S. Basavaiah Centro de investigación IBM TJ Watson [302]
diciembre de 1987 800 ? BiCMOS Robert H. Havemann, RE Eklund, Hiep V. Tran Instrumentos Texas [303]
junio de 1997 30 ? EJ-MOSFET Hisao Kawaura, Toshitsugu Sakamoto, Toshio Baba Comité ejecutivo nacional [304]
1998 32 ? ? ? Comité ejecutivo nacional [239]
1999 8 ? ? ?
abril de 2000 8 ? EJ-MOSFET Hisao Kawaura, Toshitsugu Sakamoto, Toshio Baba Comité ejecutivo nacional [305]

Véase también

Referencias

  1. ^ a b c "¿Quién inventó el transistor?" . Museo de Historia de la Computación . 4 de diciembre de 2013 . Consultado el 20 de julio de 2019 .
  2. ^ Leyes, David (2 de abril de 2018). "13 sextillones y contando: el largo y sinuoso camino hacia el artefacto humano fabricado con mayor frecuencia en la historia" . Museo de Historia de la Computación . Consultado el 5 de mayo de 2020 .
  3. ^ a b c Ashley, Kenneth L. (2002). Electrónica analógica con LabVIEW . Prentice Hall Profesional . pags. 10. ISBN 978-0130470652. Un libro de texto reciente sobre el tema de los circuitos integrados analógicos (Jorns y Martin, 1997) adopta el enfoque de que dichos circuitos ahora están totalmente dominados por MOSFET pero incluyen algunas aplicaciones BJT. (...) El MOSFET se ha convertido gradualmente en el transistor más importante, con mayor énfasis en los circuitos integrados y velocidades mejoradas.
  4. ^ a b c d "Conceptos básicos de MOSFET de potencia" (PDF) . Semiconductores Alfa y Omega . Consultado el 29 de julio de 2019 . Los MOSFET de potencia (Transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido de metal) son los dispositivos de potencia más utilizados debido a su potencia de accionamiento de compuerta baja, velocidad de conmutación rápida y capacidad de conexión en paralelo superior.
  5. ^ Bakshi, UA; Godse, AP (2007). "§8.2 El modo de agotamiento MOSFET" . Circuitos Electronicos . Publicaciones Técnicas. pags. 812. ISBN 978-81-8431-284-3.
  6. ^ Lilienfeld, Julius Edgar (1926-10-08) "Método y aparato para controlar corrientes eléctricas" Patente de EE. UU. 1745175A
  7. ^ a b c Trato, Bruce E. (1998). "Aspectos destacados de la tecnología de oxidación térmica de silicio" . Ciencia y tecnología de materiales de silicio . La Sociedad Electroquímica . pags. 183. ISBN 978-1566771931.
  8. ^ a b c d "1960: Demostración del transistor semiconductor de óxido de metal (MOS)" . El motor de silicio: una línea de tiempo de semiconductores en computadoras . Museo de Historia de la Computación . Consultado el 31 de agosto de 2019 .
  9. ^ a b c d Moskowitz, Sanford L. (2016). Innovación de materiales avanzados: gestión de la tecnología global en el siglo XXI . John Wiley & Sons. págs. 165–67. ISBN 978-0470508923.
  10. ^ a b c d "La base del mundo digital actual: el triunfo del transistor MOS" . Museo de Historia de la Computación . 13 de julio de 2010. Archivado desde el original el 29 de octubre de 2021 . Consultado el 21 de julio de 2019 .
  11. ^ Christophe Lécuyer; David C. Brook; Último Jay (2010). Fabricantes del microchip: una historia documental de Fairchild Semiconductor . pags. 62–63. ISBN 978-0262014243.{{cite book}}: CS1 maint: uses authors parameter (link)
  12. ^ Claeys, Cor L. (2003). ULSI Process Integration III: Actas del Simposio Internacional . La Sociedad Electroquímica . pags. 27–30. ISBN 978-1566773768.
  13. ^ a b c re " Dawon Kahng" . Salón de la Fama de los Inventores Nacionales . Consultado el 27 de junio de 2019 .
  14. ^ a b c d "Martin (John) M. Atalla" . Salón de la Fama de los Inventores Nacionales . 2009 . Consultado el 21 de junio de 2013 .
  15. ^ a b c Lojek, Bo (2007). Historia de la Ingeniería de Semiconductores . Springer Science & Business Media. págs. 321–23. ISBN 978-3540342588.
  16. ^ Huff, Howard (2005). Materiales de alta constante dieléctrica: aplicaciones VLSI MOSFET . Springer Science & Business Media. pags. 34. ISBN 978-3540210818.
  17. ^ a b Sah, Chih-Tang (octubre de 1988). "Evolución del transistor MOS, desde la concepción hasta VLSI" (PDF) . Actas del IEEE . 76 (10): 1280–1326 [1290]. Código Bib : 1988IEEEP..76.1280S . doi : 10.1109/5.16328 . ISSN 0018-9219 .  Aquellos de nosotros activos en la investigación de materiales y dispositivos de silicio durante 1956–1960 consideramos este exitoso esfuerzo del grupo Bell Labs dirigido por Atalla para estabilizar la superficie de silicio como el avance tecnológico más importante y significativo, que abrió el camino que condujo a la tecnología de circuitos integrados de silicio. desarrollos en la segunda fase y volumen de producción en la tercera fase.
  18. ^ Bassett, Ross Knox (2007). Hacia la era digital: laboratorios de investigación, empresas emergentes y el auge de la tecnología MOS . Prensa de la Universidad Johns Hopkins. pags. 110. ISBN 978-0801886393.
  19. ^ Lojek, Bo (2007). Historia de la Ingeniería de Semiconductores . Springer Science & Business Media. pags. 322. ISBN 978-3540342588.
  20. ^ Petirrojo Morris (1990). Una historia de la industria mundial de semiconductores . pags. 43. ISBN 9780863412271.
  21. ^ a b Bassett, Ross Knox (2007). Hacia la era digital: laboratorios de investigación, empresas emergentes y el auge de la tecnología MOS . Prensa de la Universidad Johns Hopkins. pags. 22. ISBN 978-0801886393.
  22. ^ Patente de EE. UU. 3.206.670 (1960)
  23. ^ Patente de EE. UU. 3.102.230 (1960)
  24. ^ "1948 - Concepción del transistor de unión" . El motor de silicio: una línea de tiempo de semiconductores en computadoras . Museo de Historia de la Computación. 2007. Archivado desde el original el 19 de abril de 2012 . Consultado el 2 de noviembre de 2007 .
  25. ^ Patente de EE. UU. 2.953.486
  26. ^ Atalla, M .; Kahng, D. (junio de 1960). "Dispositivos de superficie inducidos por campo de dióxido de silicio-silicio". Conferencia de investigación de dispositivos de estado sólido IRE-AIEE . Prensa de la Universidad Carnegie Mellon .
  27. ^ "Historia oral: Goldey, Hittinger y Tanenbaum" . Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos . 25 de septiembre de 2008 . Consultado el 22 de agosto de 2019 .
  28. ^ Moskowitz, Sanford L. (2016). Innovación de materiales avanzados: gestión de la tecnología global en el siglo XXI . John Wiley & Sons. pags. 165 y 181. ISBN 978-0470508923.A pesar de su éxito, el transistor de unión plana tenía sus propios problemas con los que lidiar. Lo que es más importante, era un dispositivo bastante voluminoso y difícil de fabricar en masa, lo que lo limitaba a una serie de aplicaciones especializadas. Los científicos e ingenieros creían que solo un transistor de efecto de campo (FET), del tipo que Shockley concibió por primera vez a fines de la década de 1940 pero que nunca pudo llegar a funcionar correctamente, ofrecía la esperanza de un transistor compacto, realmente producido en masa que podría ser miniaturizado para una amplia gama de usos. (...) Un gran paso en esta dirección fue la invención del proceso "MOS". (...) Pero Moore creía particularmente que el futuro de las memorias de semiconductores de alta capacidad, bajo costo y producción en masa estaba en los chips integrados MOS, es decir, los circuitos integrados compuestos por transistores MOS.
  29. ^ a b Bassett, Ross Knox (2002). Hacia la era digital: laboratorios de investigación, empresas emergentes y el auge de la tecnología MOS . Prensa de la Universidad Johns Hopkins . págs. 53–54. ISBN 978-0-8018-6809-2.
  30. ^ a b Butrica, Andrew J. (2015). "Capítulo 3: el papel de la NASA en la fabricación de circuitos integrados" (PDF) . En Dick, Steven J. (ed.). Estudios históricos en el impacto social de los vuelos espaciales . nasa _ págs. 149-250 (239-42). ISBN  978-1-62683-027-1.
  31. ^ David L. Morton; José Gabriel (2007). Electrónica: la historia de vida de una tecnología . pags. 84.{{cite book}}: CS1 maint: uses authors parameter (link)
  32. ^ a b "1963: se inventa la configuración del circuito MOS complementario" . Museo de Historia de la Computación . Consultado el 6 de julio de 2019 .
  33. ^ US 3390314 , Medwin, Albert H. , "Circuito de traducción de semiconductores", publicado el 25 de junio de 1968, emitido el 30 de octubre de 1964, asignado a RCA Corporation 
  34. ^ Harrison, Linden T. (2005). Fuentes de corriente y referencias de voltaje: una referencia de diseño para ingenieros electrónicos . Elsevier. pags. 185. ISBN 978-0-08-045555-6.
  35. ^ a b "1968: Tecnología Silicon Gate desarrollada para circuitos integrados" . Museo de Historia de la Computación . Consultado el 22 de julio de 2019 .
  36. ^ Bassett, Ross Knox (2007). Hacia la era digital: laboratorios de investigación, empresas emergentes y el auge de la tecnología MOS . Prensa de la Universidad Johns Hopkins . pags. 3. ISBN 978-0801886393.
  37. ^ Claeys, Cor L. (2003). ULSI Process Integration III: Actas del Simposio Internacional . La Sociedad Electroquímica . pags. 46. ​​ISBN 978-1566773768.
  38. ^ Arns, RG (octubre de 1998). "El otro transistor: historia temprana del transistor de efecto de campo semiconductor de óxido de metal". Revista de Ciencias de la Ingeniería y Educación . 7 (5): 233–40. doi : 10.1049/esej:19980509 .
  39. ^ Chan, Yi-Jen (1992). Estudios de FET's heteroestructurados InAIAs/InGaAs y GaInP/GaAs para aplicaciones de alta velocidad . Universidad de Míchigan . pags. 1. El MOSFET de Si ha revolucionado la industria electrónica y, como resultado, impacta nuestra vida diaria en casi todas las formas imaginables.
  40. ^ Kubozono, Yoshihiro; Él, Xuexia; Hamao, Shino; Uesugi, Eri; Shimo, Yuma; Mikami, Takahiro; Goto, Hidenori; Kambe, Takashi (2015). "Aplicación de Semiconductores Orgánicos hacia Transistores" . Nanodispositivos para Fotónica y Electrónica: Avances y Aplicaciones . CRC Pulse . pags. 355. ISBN 978-9814613750.
  41. ^ Malmstadt, Howard V.; Enke, Christie G.; Crouch, Stanley R. (1994). Haciendo las Conexiones Correctas: Microcomputadoras e Instrumentación Electrónica . Sociedad Química Americana . pags. 389. ISBN 978-0841228610. La relativa simplicidad y los requisitos de baja potencia de los MOSFET han fomentado la revolución de las microcomputadoras de hoy.
  42. ^ ab McCluskey , Matthew D.; Haller, Eugene E. (2012). Dopantes y Defectos en Semiconductores . CRC Pulse . pags. 3. ISBN 978-1439831533.
  43. ^ Daniels, Lee A. (28 de mayo de 1992). "Dr. Dawon Kahng, 61, inventor en el campo de la electrónica de estado sólido" . El New York Times . Consultado el 1 de abril de 2017 .
  44. ^ Golio, Mike; Golio, Janet (2018). Tecnologías Pasivas y Activas de RF y Microondas . Prensa CRC. págs. 18–12. ISBN 978-1420006728.
  45. ^ a b Colinge, Jean-Pierre; Greer, James C. (2016). Transistores de nanocables: física de dispositivos y materiales en una dimensión . Prensa de la Universidad de Cambridge . pags. 2. ISBN 978-1107052406.
  46. ^ Lamba, V.; Engles, D.; Malik, SS; Verma, M. (2009). "Transporte cuántico en MOSFET de doble puerta de silicio". 2009 2.º Taller internacional sobre dispositivos electrónicos y tecnología de semiconductores : 1–4. doi : 10.1109/EDST.2009.5166116 . ISBN 978-1-4244-3831-0. S2CID  10377971 .
  47. ^ a b Sridharan, K.; Pudi, Vikramkumar (2015). Diseño de Circuitos Aritméticos en Nanotecnología de Autómatas Celulares de Puntos Cuánticos . Saltador. pags. 1. ISBN 978-3319166889.
  48. ^ a b Motoyoshi, M. (2009). "A través de la vía de silicio (TSV)" (PDF) . Actas del IEEE . 97 (1): 43–48. doi : 10.1109/JPROC.2008.2007462 . ISSN 0018-9219 . S2CID 29105721 . Archivado desde el original (PDF) el 19 de julio de 2019.   
  49. ^ Lécuyer, Christophe (2006). Creación de Silicon Valley: innovación y crecimiento de la alta tecnología, 1930-1970 . Fundación Patrimonio Químico . pags. 273. ISBN 9780262122818.
  50. ^ a b c Sze, Simon Min . "Transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido de metal" . Enciclopedia Britannica . Consultado el 21 de julio de 2019 .
  51. ^ a b "Los transistores mantienen viva la ley de Moore" . EETiempos . 12 diciembre 2018 . Consultado el 18 de julio de 2019 .
  52. ^ a b Bapat, YN (1992). Circuitos y Sistemas Electrónicos: Analógicos y Digitales,1e . Tata McGraw-Hill Educación . pags. 119. ISBN 978-0-07-460040-5.
  53. ^ a b c d "Aplicación de MOSFET a los diseños de conmutación de energía de hoy" . Diseño Electrónico . 23 de mayo de 2016 . Consultado el 10 de agosto de 2019 .
  54. ^ B. SOMANATHAN NAIR (2002). Electrónica digital y diseño lógico . PHI Aprendizaje Pvt. Ltd p. 289. ISBN 9788120319561. Las señales digitales son pulsos de ancho fijo, que ocupan solo uno de dos niveles de amplitud.
  55. ^ José Migga Kizza (2005). Seguridad de Redes Informáticas . Springer Science & Business Media. ISBN 978-0387204734.
  56. ^ a b c "Tortuga de transistores gana la carrera - Revolución CHM" . Museo de Historia de la Computación . Consultado el 22 de julio de 2019 .
  57. ^ 2000 Problemas resueltos en electrónica digital . Tata McGraw-Hill Educación . 2005. pág. 151. ISBN 978-0-07-058831-8.
  58. ^ Franco, DJ; Dennard, RH; Nowak, E.; Salomón, PM; Taur, Y. (2001). "Límites de escalado de dispositivos de MOSFET de Si y sus dependencias de aplicación". Actas del IEEE . 89 (3): 259–88. doi : 10.1109/5.915374 . ISSN 0018-9219 . 
  59. ^ Klimecky, Pete Iván (2002). Control de densidad de plasma para la reducción de la variación del grabado de iones reactivos en microelectrónica industrial . Universidad de Míchigan . pags. 2. ISBN 9780493885735. Sin embargo, posiblemente el avance de dispositivo más importante para la industria informática ocurrió en 1960 cuando Kahng y Atalla propusieron y fabricaron el primer transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido de metal, o MOSFET, utilizando una estructura de silicio oxidado térmicamente.
  60. ^ Trato, Bruce E. (1988). "La oxidación térmica del silicio y otros materiales semiconductores" (PDF) . Manual de materiales semiconductores y tecnología de procesos: para integración a muy gran escala (VLSI) e integración a ultra gran escala (ULSI) . Publicaciones Noyes. pags. 46. ​​ISBN  978-0815511502.
  61. ^ Thompson, SE; Chau, RS; Ghani, T.; Mistry, K.; Tyagi, S.; Bohr, MT (2005). "En busca de 'Para siempre', el transistor continuó escalando un nuevo material a la vez". Transacciones IEEE sobre fabricación de semiconductores . 18 (1): 26–36. doi : 10.1109/TSM.2004.841816 . ISSN 0894-6507 . S2CID 25283342 . En el campo de la electrónica, el transistor de efecto de campo semiconductor de óxido de metal de silicio plano (MOSFET) es quizás el invento más importante.  
  62. ^ Wong, Kit Po (2009). Ingeniería Eléctrica – Volumen II . Publicaciones EOLSS . pags. 7. ISBN 978-1905839780.
  63. ^ Raymer, Michael G. (2009). La web de silicio: física para la era de Internet . CRC Pulse . pags. 365. ISBN 978-1439803127.
  64. ^ Feldman, Leonard C. (2001). "Introducción" . Aspectos Fundamentales de la Oxidación del Silicio . Medios de comunicación de ciencia y negocios de Springer . págs. 1–11. ISBN 978-3540416821.
  65. ^ Dabrowski, Jarek; Müssig, Hans-Joachim (2000). "1.2. La era del silicio" . Superficies de silicio y formación de interfaces: ciencia básica en el mundo industrial . Científico Mundial . págs.  3–13 . ISBN 978-9810232863.
  66. ^ a b c d "Comentarios del director Iancu en la Conferencia Internacional de Propiedad Intelectual de 2019" . Oficina de Patentes y Marcas de los Estados Unidos . 10 de junio de 2019. Archivado desde el original el 17 de diciembre de 2019 . Consultado el 20 de julio de 2019 .
  67. ^ Fossum, Jerry G .; Trivedi, Vishal P. (2013). Fundamentos de los MOSFET y FinFET de cuerpo ultradelgado . Prensa de la Universidad de Cambridge. pags. vii. ISBN 978-1107434493.
  68. ^ Chen, Wai Kai (2004). El manual de ingeniería eléctrica . Elsevier . pags. 109. ISBN 978-0080477480.
  69. ^ Franco, Jacobo; Kaczer, Ben; Groeseneken, Guido (2013). Confiabilidad de los MOSFET de canal SiGe de alta movilidad para futuras aplicaciones CMOS . Springer Science & Business Media. págs. 1 y 2. ISBN 978-9400776630.
  70. ^ Cressler, John D.; Mantooth, H. Alan (2017). Electrónica para entornos extremos . CRC Pulse . pags. 959. ISBN 978-1-351-83280-9. Si bien el transistor de unión bipolar fue el primer dispositivo de transistor en afianzarse en el mundo de los circuitos integrados, no hay duda de que el advenimiento de los MOSFET, un acrónimo de transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido de metal, es lo que realmente revolucionó el mundo en el llamada era de la información. La densidad con la que se pueden fabricar estos dispositivos ha permitido que existan computadoras enteras en unos pocos chips pequeños en lugar de llenar una habitación.
  71. ^ a b "13 sextillones y contando: el camino largo y sinuoso hacia el artefacto humano fabricado con mayor frecuencia en la historia" . Museo de Historia de la Computación . 2 de abril de 2018 . Consultado el 28 de julio de 2019 .
  72. ^ a b Panadero, R. Jacob (2011). CMOS: diseño, diseño y simulación de circuitos . John Wiley & Sons. pags. 7. ISBN 978-1118038239.
  73. ^ Maloberti, Franco; Davies, Anthony C. (2016). "Historia de los dispositivos electrónicos" (PDF) . Una breve historia de circuitos y sistemas: desde redes ecológicas, móviles y generalizadas hasta computación de Big Data . Sociedad de Sistemas y Circuitos IEEE . págs. 59-70 (65-6). ISBN  978-8793609860.
  74. ^ Schwierz, Franco; Wong, Hei; Liou, Jun J. (2010). CMOS nanométrico . Pan Stanford Publishing. pags. 5. ISBN 978-9814241083.
  75. ^ Vosotros, Peide; Ernst, Tomás; Khare, Mukesh V. (30 de julio de 2019). "El transistor Nanosheet es el siguiente (y quizás el último) paso en la ley de Moore" . Espectro IEEE . doi : 10.1109/MSPEC.2019.8784120 . S2CID 199439071 . Consultado el 6 de noviembre de 2019 . 
  76. ^ Lindley, David (15 de mayo de 2015). "Enfoque: puntos de referencia: el descubrimiento accidental conduce al estándar de calibración". física _ 8 _ doi : 10.1103/Física.8.46 .
  77. ^ a b c d Williams, JB (2017). La revolución electrónica: inventando el futuro . Saltador. págs. 245, 249–50. ISBN 978-3319490885.
  78. ^ Woodall, Jerry M. (2010). Fundamentos de los MOSFET Semiconductores III-V . Springer Science & Business Media. pags. 2. ISBN 978-1441915474.
  79. ^ a b "Información avanzada sobre el Premio Nobel de Física 2000" (PDF) . premio nobel junio 2018 . Consultado el 17 de agosto de 2019 .
  80. ^ "Hitos: lista de hitos de IEEE" . Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos . Consultado el 25 de julio de 2019 .
  81. ^ "Tecnología Intel 45nm Hi-k Silicon" . Archivado desde el original el 6 de octubre de 2009.
  82. ^ "Libro de datos de componentes de memoria" (PDF) . Libro de datos de componentes de memoria . Intel. pags. 2–1. Archivado desde el original (PDF) el 4 de marzo de 2016 . Consultado el 30 de agosto de 2015 .
  83. ^ "Uso de un MOSFET como interruptor" .090507 brunningsoftware.es
  84. ^ Shichman, H. y Hodges, DA (1968). "Modelado y simulación de circuitos de conmutación de transistores de efecto de campo de puerta aislada". Revista IEEE de circuitos de estado sólido . SC-3 (3): 285–89. Código Bib : 1968IJSSC...3..285S . doi : 10.1109/JSSC.1968.1049902 .
  85. ^ Por ejemplo, véase Cheng, Yuhua; Hu, Chenming (1999). Guía del usuario de modelado MOSFET y BSIM3 . Saltador. ISBN 978-0-7923-8575-2.. La versión más reciente del modelo BSIM se describe en V., Sriramkumar; Paydavosi, Navid; Lu, Darsen; Lin, Chung-Hsun; Dunga, Mohan; Yao, Shijing; Morshed, Tanvir; Niknejad, Ali y Hu, Chenming (2012). "Modelo compacto MOSFET de puerta múltiple BSIM-CMG 106.1.0beta" (PDF) . Departamento de EE y CS, UC Berkeley. Archivado desde el original (PDF) el 27 de julio de 2014 . Consultado el 01-04-2012 .
  86. ^ Gris, relaciones públicas; Hurst, PJ; Lewis, SH y Meyer, RG (2001). Análisis y Diseño de Circuitos Integrados Analógicos (Cuarta ed.). Nueva York: Wiley. págs. 66–67. ISBN  978-0471321682.
  87. ^ van der Meer, Puerto Rico; van Staveren, A.; van Roermund, AHM (2004). Lógica CMOS submicrónica profunda de bajo consumo: reducción de corriente por debajo del umbral . Dordrecht: Springer. pags. 78. ISBN  978-1-4020-2848-9.
  88. ^ Degnan, Brian. "Wikipedia falla subvt" .
  89. ^ Aguamiel, Carver (1989). VLSI Analógico y Sistemas Neurales . Reading, MA: Addison-Wesley. pags. 370 . ISBN 9780201059922.
  90. ^ Smith, Leslie S.; Hamilton, Alister (1998). Sistemas Neuromórficos: Ingeniería de Silicio desde la Neurobiología . Científico Mundial. págs. 52–56. ISBN 978-981-02-3377-8.
  91. ^ Kumar, Satish (2004). Redes neuronales: un enfoque en el aula . Tata McGraw-Hill. pags. 688. ISBN 978-0-07-048292-0.
  92. ^ Glesner, Manfredo; Zipf, Peter; Renovell, Michel (2002). Lógica programable en campo y aplicaciones: 12ª Conferencia Internacional . Dordrecht: Springer. pags. 425. ISBN 978-3-540-44108-3.
  93. ^ Vittoz, Eric A. (1996). "Los fundamentos del diseño analógico de micropotencia" . En Toumazou, Chris; Battersby, Nicholas C.; Porta, Sonia (eds.). Tutoriales de circuitos y sistemas . John Wiley e hijos. págs. 365–72. ISBN 978-0-7803-1170-1.
  94. ^ Shukla, Sandeep K.; Bahar, R. Iris (2004). Computación Nano, Cuántica y Molecular . Saltador. pags. 10 y Fig. 1.4, pág. 11. ISBN 978-1-4020-8067-8.
  95. ^ Srivastava, Ashish; Silvestre, Dennis; Blaauw, David (2005). Análisis Estadístico y Optimización Para VLSI: Temporización y Potencia . Saltador. pags. 135. ISBN 978-0-387-25738-9.
  96. ^ Galup-Montoro, C. & MC, Schneider (2007). Modelado MOSFET para análisis y diseño de circuitos . Londres/Singapur: World Scientific. pags. 83. ISBN 978-981-256-810-6.
  97. ^ Malik, Norberto R. (1995). Circuitos electrónicos: análisis, simulación y diseño . Englewood Cliffs, Nueva Jersey: Prentice Hall. págs. 315–16. ISBN 978-0-02-374910-0.
  98. ^ Gris, relaciones públicas; Hurst, PJ; Lewis, SH; Meyer, RG (2001). §1.5.2 pág. 45 . ISBN 978-0-471-32168-2.
  99. ^ Sedra, AS y Smith, KC (2004). Circuitos microelectrónicos (Quinta ed.). Nueva York: Oxford. pags. 552. ISBN 978-0-19-514251-8.
  100. ^ Sedra, AS y Smith, KC (2004). pags. 250, ecuación. 4.14 . ISBN 978-0-19-514251-8.
  101. ^ Para un sustrato de tipo p dopado uniformemente con dopaje de aceptor a granel de N A por unidad de volumen,
    con ni la densidad intrínseca de operadores móviles por unidad de volumen a granel. Véase, por ejemplo, Arora, Narain (2007). "Ecuación 5.12" . Modelado de Mosfet para simulación VLSI: teoría y práctica . Científico Mundial. pags. 173. ISBN 978-981-256-862-5.
  102. ^ "Efecto corporal" . Equars.com. Archivado desde el original el 10 de noviembre de 2014 . Consultado el 2012-06-02 .
  103. ^ "Símbolos de circuitos electrónicos" .