Transistor MOS
El transistor MOS es un transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico. O llamado metal-aislante-semiconductor.
Los transistores bipolares amplifican pequeños cambios de corriente en el extremo de entrada y generan un gran cambio de corriente en el extremo de salida. La ganancia de un transistor bipolar se define como la relación entre la corriente de salida y la de entrada (beta). Otro tipo de transistor, llamado transistor de efecto de campo (FET), convierte los cambios en el voltaje de entrada en cambios en la corriente de salida. La ganancia de un FET es igual a su transconductancia, definida como la relación entre el cambio en la corriente de salida y el cambio en el voltaje de entrada.
El FET también recibe su nombre del hecho de que su entrada (llamada puerta) afecta la corriente que fluye a través del transistor proyectando un campo eléctrico sobre una capa aislante. De hecho, no fluye corriente a través de este aislador, por lo que la corriente GATE del tubo FET es muy pequeña. El FET más común utiliza una fina capa de dióxido de silicio como aislante debajo del GATE. Este tipo de transistor se llama transistor semiconductor de óxido metálico (MOS) o transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET). Debido a que los transistores MOS son más pequeños y más eficientes energéticamente, han reemplazado a los transistores bipolares en muchas aplicaciones.
Primero examine un dispositivo más simple, el condensador MOS, para comprender mejor los tubos MOS. El dispositivo cuenta con dos electrodos, uno metálico y otro de silicio extrínseco, separados por una fina capa de dióxido de silicio. El terminal metálico es la PUERTA y el terminal semiconductor es la puerta trasera o el cuerpo. La capa de óxido aislante entre ellos se llama dieléctrico de puerta. El dispositivo que se muestra tiene una puerta trasera hecha de silicio tipo P ligeramente dopado. Las características eléctricas de este condensador MOS se pueden ilustrar conectando la puerta trasera a tierra y la puerta a diferentes voltajes. El potencial GATE del condensador MOS es 0V. La diferencia en la FUNCIÓN DE TRABAJO entre la PUERTA metálica y la PUERTA TRASERA del semiconductor crea un pequeño campo eléctrico en el dieléctrico. En el dispositivo, este campo eléctrico hace que el polo metálico tenga un ligero potencial positivo y el silicio tipo P tenga un potencial negativo. Este campo eléctrico atrae electrones de la capa inferior de silicio a la superficie y, al mismo tiempo, repele los agujeros de la superficie. Este campo eléctrico es demasiado débil, por lo que el cambio en la concentración de portadores es muy pequeño y tiene muy poco impacto en las características generales del dispositivo.
¿Qué sucede cuando la PUERTA del condensador MOS está polarizada positivamente en relación con la PUERTA TRASERA? El campo eléctrico a través del DIELÉCTRICO DE LA PUERTA se fortalece y se extraen más electrones del sustrato. Al mismo tiempo, los agujeros son repelidos de la superficie. A medida que aumenta el voltaje de GATE, habrá más electrones que agujeros en la superficie. Debido al exceso de electrones, la superficie del silicio parece silicio de tipo N. La inversión de la polaridad del dopaje se llama inversión y la capa de silicio invertida se llama canal. A medida que el voltaje GATE continúa aumentando, se acumulan cada vez más electrones en la superficie y el canal se invierte fuertemente. El voltaje cuando se forma el canal se llama voltaje umbral Vt. Cuando la diferencia de voltaje entre GATE y BACKGATE es menor que el voltaje umbral, no se formará un canal. Cuando la diferencia de voltaje excede el voltaje umbral, aparece un canal.
Condensador MOS: (A) Insesgado (VBG=0V), (B) Invertido (VBG=3V), (C) Acumulado (VBG=-3V).
El medio es la situación en la que la PUERTA del condensador MOS tiene un voltaje negativo en relación con la puerta trasera. El campo eléctrico se invierte, atrayendo agujeros a la superficie y repeliendo electrones. La superficie de silicio parece estar más dopada y se dice que el dispositivo se encuentra en un estado de acumulación.
Las características de los condensadores MOS se pueden utilizar para formar tubos MOS. La puerta, el dieléctrico y la puerta trasera permanecen como están. A cada lado de GATE hay dos regiones adicionales dopadas selectivamente. Uno de ellos se llama fuente y el otro se llama drenaje.
Suponga que la fuente y la puerta trasera están conectadas a tierra y que el drenaje está conectado a un voltaje positivo. Mientras el voltaje entre GATE y BACKGATE sea aún menor que el voltaje umbral, no se formará un canal. La unión PN entre el drenaje y la puerta trasera tiene polarización inversa, por lo que solo fluye una pequeña corriente desde el drenaje a la puerta trasera. Si el voltaje GATE excede el voltaje umbral, aparece un canal debajo del dieléctrico GATE. Este canal es como una fina capa de silicio tipo N que pone en cortocircuito el drenaje y la fuente. La corriente eléctrica compuesta de electrones fluye desde la fuente a través del canal hasta el drenaje. En general, habrá corriente de drenaje solo cuando el voltaje de puerta a fuente V exceda el voltaje umbral Vt.
La fuente y el drenaje del tubo MOS se pueden intercambiar. Ambas son áreas tipo N formadas en la puerta trasera tipo P. En la mayoría de los casos, estas dos áreas son iguales, e incluso si se intercambian los dos extremos, no afectará el rendimiento del dispositivo. Estos dispositivos se consideran simétricos. En un tubo MOS simétrico, el etiquetado de ácido y drenaje es un poco arbitrario. Por definición, los portadores fluyen desde la fuente hacia el drenaje. Por lo tanto, las identidades de fuente y drenaje están determinadas por la polarización del dispositivo. A veces, el voltaje de polarización en el transistor es variable y los dos terminales conductores cambiarán sus funciones. En este caso, el diseñador del circuito debe especificar uno como drenaje y el otro como fuente.
La fuente y el drenaje están dopados con diferentes geometrías y son tubos MOS asimétricos. Hay muchas razones para fabricar transistores asimétricos, pero el resultado final es el mismo para todos. Un extremo del cable está optimizado como drenaje y el otro está optimizado como fuente. Si se intercambian el drenaje y la fuente, el dispositivo no funcionará correctamente.
El transistor tiene canal tipo N, por lo que se denomina tubo MOS de canal N, o NMOS. También existen tubos MOS de canal P (PMOS), que son tubos PMOS compuestos de BACKGATE tipo N ligeramente dopado y fuente y drenaje tipo P. Si la PUERTA de este transistor tiene polarización directa en relación con la PUERTA TRASERA, los electrones son atraídos hacia la superficie y los agujeros son repelidos desde la superficie. La superficie de silicio se acumula y no se forma ningún canal. Si GATE tiene polarización inversa en relación con BACKGATE, los agujeros son atraídos hacia la superficie y se forma un canal. Por tanto, el voltaje umbral del tubo PMOS es negativo. Dado que el voltaje umbral de los tubos NMOS es positivo y el voltaje umbral de los tubos PMOS es negativo, los ingenieros generalmente eliminan el signo delante del voltaje umbral. Un ingeniero puede decir: "PMOS Vt aumenta de 0,6 V a 0,7 V", pero en realidad el PMOS Vt cae de -0,6 V a -0,7 V.