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transistor de efecto de campo

Vista en sección transversal de un transistor de efecto de campo tipo MOSFET, que muestra los terminales de fuente , puerta y drenaje , y la capa de óxido aislante. El transisto...

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Vista en sección transversal de un transistor de efecto de campo tipo MOSFET, que muestra los terminales de fuente , puerta y drenaje , y la capa de óxido aislante.

El transistor de efecto de campo ( FET ) es un tipo de transistor que utiliza un campo eléctrico para controlar la corriente que circula por un semiconductor . Existen dos tipos: el transistor de efecto de campo de unión (JFET) y el transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor (MOSFET). Los FET tienen tres terminales: fuente , puerta y drenador . Controlan la corriente aplicando un voltaje a la puerta, lo que a su vez modifica la conductividad entre el drenador y la fuente.

Los FET también se conocen como transistores unipolares, ya que operan con un solo portador de carga. Es decir, los FET utilizan electrones (canal n) o huecos (canal p) como portadores de carga , pero no ambos. Existen muchos tipos diferentes de transistores de efecto de campo. Generalmente, los transistores de efecto de campo presentan una impedancia de entrada muy alta a bajas frecuencias. El transistor de efecto de campo más utilizado es el MOSFET .

Historia

Julius Edgar Lilienfeld , quien propuso el concepto de transistor de efecto de campo en 1925.

El concepto de transistor de efecto de campo (FET) fue patentado por primera vez por el físico austrohúngaro Julius Edgar Lilienfeld en 1925 [ 1 ] [ 2 ] y por Oskar Heil en 1934, pero no lograron construir un dispositivo semiconductor práctico y funcional basado en dicho concepto. El efecto transistor fue observado y explicado posteriormente por John Bardeen y Walter Houser Brattain mientras trabajaban con William Shockley en los Laboratorios Bell en 1947, poco después de que expirara la patente de Lilienfeld, que tenía una vigencia de 17 años . Shockley intentó inicialmente construir un FET funcional modulando la conductividad de un semiconductor , pero no tuvo éxito, principalmente debido a problemas con los estados superficiales , el enlace colgante y los materiales compuestos de germanio y cobre . En el transcurso de intentar comprender las misteriosas razones detrás de su fracaso en construir un FET funcional, Bardeen y Brattain inventaron en cambio el transistor de contacto puntual en 1947, al que siguió el transistor de unión bipolar de Shockley en 1948. [ 3 ] [ 4 ]

El primer dispositivo FET que se construyó con éxito fue el transistor de efecto de campo de unión (JFET). [ 3 ] Un JFET fue patentado por primera vez por Heinrich Welker en 1945. [ 5 ] El transistor de inducción estática (SIT), un tipo de JFET con un canal corto, fue inventado por los ingenieros japoneses Jun-ichi Nishizawa y Y. Watanabe en 1950. Tras el tratamiento teórico de Shockley sobre el JFET en 1952, George C. Dacey e Ian M. Ross construyeron un JFET práctico y funcional en 1953. [ 6 ] Sin embargo, el JFET aún presentaba problemas que afectaban a los transistores de unión en general. [ 7 ] Los transistores de unión eran dispositivos relativamente voluminosos que eran difíciles de fabricar en serie , lo que los limitaba a una serie de aplicaciones especializadas. El transistor de efecto de campo de puerta aislada (IGFET) se teorizó como una alternativa potencial a los transistores de unión, pero los investigadores no lograron construir IGFET funcionales, debido principalmente a la problemática barrera de estado superficial que impedía que el campo eléctrico externo penetrara en el material. [ 7 ] A mediados de la década de 1950, los investigadores habían abandonado en gran medida el concepto de FET y, en su lugar, se centraron en la tecnología de transistores de unión bipolar (BJT). [ 8 ]

Los fundamentos de la tecnología MOSFET fueron establecidos por el trabajo de William Shockley , John Bardeen y Walter Brattain . Shockley concibió de forma independiente el concepto FET en 1945, pero no logró construir un dispositivo funcional. Al año siguiente, Bardeen explicó su fracaso en términos de estados superficiales . Bardeen aplicó la teoría de estados superficiales a semiconductores (Shockley había realizado trabajos previos sobre estados superficiales en 1939 e Igor Tamm en 1932) y se percató de que el campo externo se bloqueaba en la superficie debido a electrones adicionales atraídos hacia ella. Estos electrones quedan atrapados en dichos estados localizados, formando una capa de inversión. La hipótesis de Bardeen marcó el inicio de la física de superficies . Posteriormente, Bardeen decidió utilizar una capa de inversión en lugar de la capa ultrafina de semiconductor que Shockley había previsto en sus diseños FET. Basándose en su teoría, en 1948 Bardeen patentó el precursor del MOSFET, un transistor de efecto de campo de puerta aislada (IGFET) con una capa de inversión. Esta capa confina el flujo de portadores minoritarios, aumentando la modulación y la conductividad, si bien el transporte de electrones depende del aislante de la puerta o de la calidad del óxido, si se utiliza como aislante, depositado sobre la capa de inversión. La patente de Bardeen, así como el concepto de capa de inversión, constituyen la base de la tecnología CMOS actual. En 1976, Shockley describió la hipótesis del estado superficial de Bardeen como «una de las ideas de investigación más significativas en el campo de los semiconductores». [ 9 ]

Tras la teoría de los estados superficiales de Bardeen, el trío intentó superar el efecto de dichos estados. A finales de 1947, Robert Gibney y Brattain sugirieron el uso de un electrolito colocado entre el metal y el semiconductor para contrarrestar los efectos de los estados superficiales. Su dispositivo FET funcionó, pero la amplificación fue deficiente. Bardeen fue más allá y sugirió centrarse en la conductividad de la capa de inversión. Experimentos posteriores los llevaron a reemplazar el electrolito por una capa de óxido sólido con la esperanza de obtener mejores resultados. Su objetivo era penetrar la capa de óxido y llegar a la capa de inversión. Sin embargo, Bardeen sugirió cambiar de silicio a germanio y, en el proceso, su óxido se desprendió inadvertidamente. Se toparon con un transistor completamente diferente: el transistor de contacto puntual . Lillian Hoddeson argumenta que "si Brattain y Bardeen hubieran trabajado con silicio en lugar de germanio, se habrían topado con un transistor de efecto de campo exitoso". [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]

A finales de la primera mitad de la década de 1950, tras los trabajos teóricos y experimentales de Bardeen, Brattain, Kingston, Morrison y otros, se hizo más evidente la existencia de dos tipos de estados superficiales. Se descubrió que los estados superficiales rápidos estaban asociados al volumen del material y a la interfaz semiconductor/óxido. Los estados superficiales lentos se asociaban a la capa de óxido debido a la adsorción de átomos, moléculas e iones del ambiente por parte del óxido. Se observó que estos últimos eran mucho más numerosos y presentaban tiempos de relajación mucho más largos . En ese momento, Philo Farnsworth y otros desarrollaron diversos métodos para producir superficies semiconductoras atómicamente limpias.

En 1955, Carl Frosch y Lincoln Derrick cubrieron accidentalmente la superficie de una oblea de silicio con una capa de dióxido de silicio . [ 14 ] Demostraron que la capa de óxido impedía la entrada de ciertos dopantes a la oblea de silicio, mientras que permitía la de otros, descubriendo así el efecto pasivante de la oxidación en la superficie del semiconductor. Su trabajo posterior demostró cómo grabar pequeñas aberturas en la capa de óxido para difundir dopantes en áreas seleccionadas de la oblea de silicio. En 1957, publicaron un artículo de investigación y patentaron su técnica, resumiendo su trabajo. La técnica que desarrollaron se conoce como enmascaramiento por difusión de óxido, que más tarde se utilizaría en la fabricación de dispositivos MOSFET. [ 15 ] En Bell Labs, la importancia de la técnica de Frosch se reconoció de inmediato. Los resultados de su trabajo circularon por Bell Labs en forma de memorandos de BTL antes de ser publicados en 1957. En Shockley Semiconductor , Shockley había distribuido la versión preliminar de su artículo en diciembre de 1956 a todo su personal directivo, incluyendo a Jean Hoerni . [ 7 ] [ 16 ] [ 17 ]

En 1955, Ian Munro Ross solicitó una patente para un FeFET o MFSFET. Su estructura era similar a la de un MOSFET de canal de inversión moderno, pero se utilizaba material ferroeléctrico como dieléctrico/aislante en lugar de óxido. Lo concibió como una forma de memoria, años antes del MOSFET de puerta flotante . En febrero de 1957, John Wallmark solicitó una patente para un FET en el que se utilizaba monóxido de germanio como dieléctrico de puerta, pero no continuó con la idea. En otra patente que solicitó ese mismo año, describió un FET de doble puerta . En marzo de 1957, en su cuaderno de laboratorio, Ernesto Labate, científico investigador de Bell Labs , concibió un dispositivo similar al MOSFET propuesto posteriormente, aunque el dispositivo de Labate no utilizaba explícitamente dióxido de silicio como aislante. [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]

En 1955, Carl Frosch y Lincoln Derrick cultivaron accidentalmente una capa de dióxido de silicio sobre la oblea de silicio, para la cual observaron efectos de pasivación de superficie . [ 22 ] [ 14 ] Para 1957, Frosch y Derrick, utilizando enmascaramiento y predeposición, pudieron fabricar transistores de dióxido de silicio y demostraron que el dióxido de silicio aislaba, protegía las obleas de silicio e impedía que los dopantes se difundieran en la oblea. [ 22 ] [ 15 ] JR Ligenza y WG Spitzer estudiaron el mecanismo de los óxidos cultivados térmicamente y fabricaron una pila Si/ SiO 2 de alta calidad en 1960. [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]

Transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor (MOSFET)

Tras esta investigación, Mohamed Atalla y Dawon Kahng propusieron un transistor MOS de silicio en 1959 [ 26 ] y demostraron con éxito un dispositivo MOS funcional con su equipo de Bell Labs en 1960. [ 27 ] [ 28 ] Su equipo incluía a EE LaBate y EI Povilonis, quienes fabricaron el dispositivo; MO Thurston, LA D'Asaro y JR Ligenza, quienes desarrollaron los procesos de difusión; y HK Gummel y R. Lindner, quienes caracterizaron el dispositivo. [ 29 ] [ 30 ]

Con su alta escalabilidad , [ 31 ] y un consumo de energía mucho menor y mayor densidad que los transistores de unión bipolar, [ 32 ] el MOSFET hizo posible la construcción de circuitos integrados de alta densidad . [ 33 ] El MOSFET también es capaz de manejar mayor potencia que el JFET. [ 34 ] El MOSFET fue el primer transistor verdaderamente compacto que pudo ser miniaturizado y producido en masa para una amplia gama de usos. [ 7 ] El MOSFET se convirtió así en el tipo de transistor más común en computadoras, electrónica, [ 35 ] y tecnología de comunicaciones (como los teléfonos inteligentes ). [ 36 ] La Oficina de Patentes y Marcas de los Estados Unidos lo llama un "invento revolucionario que transformó la vida y la cultura en todo el mundo". [ 36 ]

En 1948, Bardeen y Brattain patentaron el precursor del MOSFET, un transistor de efecto de campo de puerta aislada (IGFET) con una capa de inversión. Su patente y el concepto de capa de inversión constituyen la base de la tecnología CMOS actual. [ 37 ] CMOS (MOS complementario), un proceso de fabricación de dispositivos semiconductores para MOSFET, fue desarrollado por Chih-Tang Sah y Frank Wanlass en Fairchild Semiconductor en 1963. [ 38 ] [ 39 ] El primer informe de un MOSFET de puerta flotante fue realizado por Dawon Kahng y Simon Sze en 1967. [ 40 ] El concepto de un transistor de película delgada (TFT) de doble puerta fue propuesto por HR Farrah ( Bendix Corporation ) y RF Steinberg en 1967. [ 41 ] Un MOSFET de doble puerta fue demostrado por primera vez en 1984 por los investigadores del Laboratorio Electrotécnico Toshihiro Sekigawa y Yutaka Hayashi. [ 42 ] [ 43 ] El FinFET (transistor de efecto de campo de aleta), un tipo de MOSFET multigates no planar 3D , se originó a partir de la investigación de Digh Hisamoto y su equipo en el Laboratorio Central de Investigación de Hitachi en 1989. [ 44 ] [ 45 ]

Información básica

Los FET pueden ser dispositivos de portadores de carga mayoritarios, en los que la corriente es transportada predominantemente por portadores mayoritarios, o dispositivos de portadores de carga minoritarios, en los que la corriente se debe principalmente al flujo de portadores minoritarios. [ 46 ] El dispositivo consta de un canal activo a través del cual los portadores de carga, electrones o huecos , fluyen desde la fuente hasta el drenador. Los conductores de los terminales de fuente y drenador están conectados al semiconductor mediante contactos óhmicos . La conductividad del canal es función del potencial aplicado a través de los terminales de puerta y fuente.

Los tres terminales del FET son: [ 47 ]

  1. Fuente (S), a través de la cual los portadores ingresan al canal. Convencionalmente, la corriente que ingresa al canal en S se designa por I S .
  2. Drenaje (D), a través del cual los portadores abandonan el canal. Convencionalmente, la corriente que sale del canal en D se designa por I D . El voltaje de drenaje a fuente es V DS .
  3. La puerta (G) es el terminal que modula la conductividad del canal. Al aplicar voltaje a G, se puede controlar I D .

Más información sobre terminales

Sección transversal de un MOSFET de tipo n

Todos los FET tienen terminales de fuente , drenador y puerta que corresponden aproximadamente al emisor , colector y base de los BJT . La mayoría de los FET tienen un cuarto terminal llamado cuerpo , base , sustrato o sustrato . Este cuarto terminal sirve para polarizar el transistor para su funcionamiento; rara vez se hace un uso no trivial del terminal del cuerpo en los diseños de circuitos, pero su presencia es importante al configurar el diseño físico de un circuito integrado . El tamaño de la puerta, longitud L en el diagrama, es la distancia entre la fuente y el drenador. El ancho es la extensión del transistor, en la dirección perpendicular a la sección transversal en el diagrama (es decir, hacia dentro/hacia fuera de la pantalla). Normalmente, el ancho es mucho mayor que la longitud de la puerta. Una longitud de puerta de 1  μm limita la frecuencia superior a unos 5  GHz, y 0,2  μm a unos 30  GHz.

Los nombres de los terminales hacen referencia a sus funciones. El terminal de puerta controla la apertura y el cierre de una compuerta física. Esta compuerta permite el paso de electrones o lo bloquea, creando o eliminando un canal entre la fuente y el drenador. El flujo de electrones desde la fuente hacia el drenador se ve influenciado por la tensión aplicada. El cuerpo se refiere simplemente al núcleo del semiconductor donde se encuentran la puerta, la fuente y el drenador. Generalmente, el cuerpo se conecta a la tensión más alta o más baja del circuito, según el tipo de FET. En ocasiones, el cuerpo y la fuente se conectan entre sí, ya que la fuente suele estar conectada a la tensión más alta o más baja del circuito, aunque existen diversas aplicaciones de los FET que no requieren esta configuración, como las compuertas de transmisión y los circuitos en cascada .

A diferencia de los transistores bipolares (BJT), la gran mayoría de los transistores de efecto de campo (FET) son eléctricamente simétricos. Por lo tanto, los terminales de fuente y drenaje pueden intercambiarse en circuitos prácticos sin que cambien sus características de funcionamiento ni su función. Esto puede resultar confuso cuando los FET parecen estar conectados "al revés" en diagramas esquemáticos y circuitos, ya que su orientación física se decidió por otros motivos, como consideraciones de diseño de circuitos impresos.

Efecto del voltaje de puerta sobre la corriente

Características I-V y gráfica de salida de un transistor JFET de canal n.
Resultado de la simulación para el lado derecho: formación del canal de inversión (densidad electrónica) y lado izquierdo: curva de corriente-tensión de puerta (características de transferencia) en un MOSFET de nanocable de canal n . Nótese que la tensión umbral para este dispositivo se sitúa en torno a 0,45 V. 
Tipos de símbolos convencionales de FET

El transistor de efecto de campo (FET) controla el flujo de electrones (o huecos de electrones ) desde la fuente hasta el drenador, modificando el tamaño y la forma de un "canal conductor" creado e influenciado por la tensión (o la ausencia de tensión) aplicada entre los terminales de la puerta y la fuente. (Para simplificar, en esta explicación se asume que el sustrato y la fuente están conectados). Este canal conductor es el "flujo" por el que los electrones circulan desde la fuente hasta el drenador.

FET de canal n

En un dispositivo de canal n en modo de agotamiento, una tensión negativa entre la compuerta y la fuente provoca que la región de agotamiento se expanda y oculte el canal lateralmente, estrechándolo. Si la región activa se expande hasta cerrar completamente el canal, la resistencia entre la fuente y el drenador aumenta, y el FET se desactiva como un interruptor (véase la figura de la derecha, cuando la corriente es muy baja). Este fenómeno se denomina "estrangulamiento" y la tensión a la que se produce se llama "tensión de estrangulamiento". Por el contrario, una tensión positiva entre la compuerta y la fuente aumenta el tamaño del canal y permite que los electrones fluyan con facilidad (véase la figura de la derecha, cuando existe un canal de conducción y la corriente es alta).

En un dispositivo de "modo de enriquecimiento" de canal n, no existe un canal conductor de forma natural dentro del transistor, y se requiere un voltaje positivo entre la puerta y la fuente para crearlo. El voltaje positivo atrae los electrones libres dentro del cuerpo hacia la puerta, formando un canal conductor. Pero primero, se deben atraer suficientes electrones cerca de la puerta para contrarrestar los iones dopantes añadidos al cuerpo del FET; esto forma una región sin portadores móviles llamada región de agotamiento , y el voltaje al que esto ocurre se conoce como voltaje umbral del FET. Un mayor aumento del voltaje entre la puerta y la fuente atraerá aún más electrones hacia la puerta, los cuales pueden crear un canal activo desde la fuente hasta el drenador; este proceso se llama inversión .

FET de canal p

En un dispositivo de canal p en modo de agotamiento, un voltaje positivo entre la compuerta y el sustrato ensancha la capa de agotamiento al forzar a los electrones a la interfaz compuerta-aislante/semiconductor, dejando expuesta una región libre de portadores de iones aceptores inmóviles con carga positiva.

Por el contrario, en un dispositivo de "modo de mejora" de canal p, no existe una región conductora y se debe utilizar un voltaje negativo para generar un canal de conducción.

Efecto del voltaje drenador-fuente en el canal

Tanto para dispositivos de modo de enriquecimiento como de agotamiento, cuando la tensión entre drenador y fuente es mucho menor que la tensión entre puerta y fuente, al cambiar la tensión de puerta se modifica la resistencia del canal, y la corriente de drenador es proporcional a la tensión de drenador (referenciada a la tensión de fuente). En este modo, el FET funciona como una resistencia variable y se dice que opera en modo lineal u óhmico. [ 48 ] [ 49 ]

Si se incrementa la tensión entre drenador y fuente, se produce un cambio asimétrico significativo en la forma del canal debido a un gradiente de potencial de tensión desde la fuente hasta el drenador. La forma de la región de inversión se estrecha cerca del extremo del drenador del canal. Si se incrementa aún más la tensión entre drenador y fuente, el punto de estrangulamiento del canal comienza a desplazarse desde el drenador hacia la fuente. Se dice que el FET está en modo de saturación ; [ 50 ] aunque algunos autores lo denominan modo activo , para una mejor analogía con las regiones de operación de los transistores bipolares. [ 51 ] [ 52 ]El modo de saturación, o la región entre la óhmica y la saturación, se utiliza cuando se requiere amplificación. Esta región intermedia a veces se considera parte de la región óhmica o lineal, incluso cuando la corriente de drenaje no es aproximadamente lineal con respecto a la tensión de drenaje.

Aunque el canal conductor formado por la tensión puerta-fuente ya no conecta fuente-drenador durante el modo de saturación, los portadores no se ven bloqueados. Si consideramos nuevamente un dispositivo de canal n en modo de enriquecimiento, existe una región de agotamiento en el cuerpo de tipo p, que rodea el canal conductor y las regiones de drenaje y fuente. Los electrones que componen el canal pueden salir del canal a través de la región de agotamiento si son atraídos hacia el drenaje por la tensión drenaje-fuente. La región de agotamiento está libre de portadores y tiene una resistencia similar a la del silicio . Cualquier aumento de la tensión drenaje-fuente incrementará la distancia desde el drenaje hasta el punto de estrangulamiento, aumentando la resistencia de la región de agotamiento en proporción a la tensión drenaje-fuente aplicada. Este cambio proporcional hace que la corriente drenaje-fuente permanezca relativamente constante, independientemente de los cambios en la tensión drenaje-fuente, a diferencia de su comportamiento óhmico en el modo de operación lineal. De este modo, en modo de saturación, el FET se comporta como una fuente de corriente constante en lugar de como una resistencia, y puede utilizarse eficazmente como amplificador de voltaje. En este caso, el voltaje entre la puerta y la fuente determina el nivel de corriente constante que circula por el canal.

Composición

Los transistores de efecto de campo (FET) se pueden construir con diversos semiconductores, siendo el silicio el más común con diferencia. La mayoría de los FET se fabrican utilizando técnicas convencionales de procesamiento de semiconductores a granel , empleando una oblea de semiconductor monocristalino como región activa o canal.

Entre los materiales de cuerpo más inusuales se encuentran el silicio amorfo , el silicio policristalino u otros semiconductores amorfos en transistores de película delgada o transistores orgánicos de efecto de campo (OFET) basados ​​en semiconductores orgánicos ; a menudo, los aislantes de puerta y los electrodos de los OFET también están hechos de materiales orgánicos. Estos FET se fabrican utilizando una variedad de materiales como carburo de silicio (SiC), arseniuro de galio (GaAs), nitruro de galio (GaN) y arseniuro de indio y galio (InGaAs).

En junio de 2011, IBM anunció que había utilizado con éxito transistores FET basados ​​en grafeno en un circuito integrado . [ 53 ] [ 54 ] Estos transistores son capaces de alcanzar  una frecuencia de corte de aproximadamente 2,23 GHz, mucho mayor que la de los transistores FET de silicio estándar. [ 55 ]

Tipos

Transistores FET de tipo agotamiento bajo voltajes típicos: JFET, MOSFET de polisilicio, MOSFET de doble puerta, MOSFET de puerta metálica, MESFET.
  Agotamiento
  Electrones
  agujeros
  Metal
  Aislante
Arriba: fuente, abajo: drenador, izquierda: compuerta, derecha: sustrato. No se muestran los voltajes que dan lugar a la formación del canal.

El canal de un FET se dopa para producir un semiconductor de tipo n o de tipo p. El drenador y la fuente pueden doparse con un tipo opuesto al del canal, en el caso de los FET de modo de enriquecimiento, o con un tipo similar al del canal, como en los FET de modo de agotamiento. Los transistores de efecto de campo también se distinguen por el método de aislamiento entre el canal y la puerta. Los tipos de FET incluyen:

  • El MOSFET (transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor) utiliza un aislante (normalmente SiO₂ ) entre la compuerta y el sustrato. Este es , con diferencia, el tipo de FET más común.
    • El DGMOSFET ( MOSFET de doble puerta ) o DGMOS, es un MOSFET con dos puertas aisladas.
    • El IGBT ( transistor bipolar de puerta aislada ) es un dispositivo para el control de potencia. Su estructura es similar a la de un MOSFET, con un canal de conducción principal bipolar. Se utilizan comúnmente para rangos de voltaje drenador-fuente de 200 a 3000 V. Los MOSFET de potencia siguen siendo la opción preferida para voltajes drenador-fuente de 1 a 200 V.
    • El JLNT ( transistor de nanocables sin unión ) es un tipo de transistor de efecto de campo (FET) cuyo canal está formado por uno o varios nanocables y no presenta ninguna unión.
    • El transistor MNOS ( metal-nitruro-óxido-semiconductor ) utiliza una capa aislante de nitruro-óxido entre la compuerta y el sustrato.
    • El ISFET (transistor de efecto de campo sensible a iones) se puede utilizar para medir concentraciones de iones en una solución; cuando la concentración de iones (como H + , véase el electrodo de pH ) cambia, la corriente que atraviesa el transistor cambiará en consecuencia.
    • El BioFET (transistor de efecto de campo sensible biológicamente) es una clase de sensores/biosensores basados ​​en la tecnología ISFET que se utilizan para detectar moléculas cargadas; cuando hay una molécula cargada presente, los cambios en el campo electrostático en la superficie del BioFET dan como resultado un cambio medible en la corriente que atraviesa el transistor. Estos incluyen FET modificados con enzimas (EnFET), FET modificados inmunológicamente (ImmunoFET), FET modificados genéticamente (GenFET), DNAFET , BioFET basados ​​en células (CPFET), FET de escarabajo/chip (BeetleFET) y FET basados ​​en canales iónicos/unión de proteínas. [ 56 ]
    • El DNAFET ( transistor de efecto de campo de ADN ) es un FET especializado que actúa como biosensor , utilizando una compuerta hecha de moléculas de ADN de cadena simple para detectar cadenas de ADN coincidentes.
    • FinFET , incluyendo GAAFET o FET de compuerta envolvente, utilizado en chips de procesador de alta densidad.
  • El JFET (transistor de efecto de campo de unión) utiliza una unión p-n polarizada inversamente para separar la compuerta del sustrato.
  • El DEPFET es un transistor de efecto de campo (FET) formado en un sustrato totalmente agotado y funciona simultáneamente como sensor, amplificador y nodo de memoria. Puede utilizarse como sensor de imagen (fotones).
  • El FREDFET (transistor de efecto de campo de diodo epitaxial de inversión rápida o de recuperación rápida) es un FET especializado diseñado para proporcionar una recuperación (apagado) muy rápida del diodo intrínseco, lo que lo hace conveniente para controlar cargas inductivas como motores eléctricos , especialmente motores de CC sin escobillas de potencia media .
  • El HIGFET (transistor de efecto de campo de puerta aislada de heteroestructura) se utiliza actualmente principalmente en investigación. [ 57 ]
  • El MODFET (transistor de efecto de campo dopado por modulación) es un transistor de alta movilidad electrónica que utiliza una estructura de pozo cuántico formada por el dopaje gradual de la región activa.
  • El TFET ( transistor de efecto de campo de túnel ) se basa en el efecto túnel de banda a banda. [ 58 ]
  • El TQFET (transistor de efecto de campo cuántico topológico) conmuta un material 2D de aislante topológico sin disipación (estado 'encendido') a aislante convencional (estado 'apagado') mediante la aplicación de un campo eléctrico. [ 59 ]
  • El HEMT ( transistor de alta movilidad electrónica ), también llamado HFET (transistor de efecto de campo de heteroestructura), se puede fabricar mediante ingeniería de banda prohibida en un semiconductor ternario como el AlGaAs . El material de banda prohibida ancha totalmente agotado forma el aislamiento entre la compuerta y el sustrato.
  • El MESFET (transistor de efecto de campo metal-semiconductor) sustituye la unión p-n del JFET por una barrera Schottky y se utiliza en GaAs y otros materiales semiconductores III-V .
  • El NOMFET es un transistor de efecto de campo de memoria orgánica de nanopartículas . [ 60 ]
  • El GNRFET (transistor de efecto de campo de nanocinta de grafeno) utiliza una nanocinta de grafeno para su canal. [ 61 ]
  • El VeSFET (transistor de efecto de campo de ranura vertical) es un FET sin unión de forma cuadrada con una ranura estrecha que conecta la fuente y el drenador en las esquinas opuestas. Dos compuertas ocupan las otras esquinas y controlan la corriente que pasa a través de la ranura. [ 62 ]
  • El CNTFET ( transistor de efecto de campo de nanotubos de carbono ).
  • El OFET ( transistor orgánico de efecto de campo ) utiliza un semiconductor orgánico en su canal.
  • El QFET ( transistor de efecto de campo cuántico ) aprovecha el efecto túnel cuántico para aumentar considerablemente la velocidad de funcionamiento del transistor, eliminando la zona de conducción de electrones del transistor tradicional.
  • El SB-FET (transistor de efecto de campo de barrera Schottky) es un transistor de efecto de campo con electrodos de contacto de fuente y drenaje metálicos, que crean barreras Schottky tanto en las interfaces fuente-canal como drenaje-canal. [ 63 ] [ 64 ]
  • El GFET es un transistor de efecto de campo basado en grafeno de alta sensibilidad que se utiliza como biosensor y sensor químico . Debido a la estructura bidimensional del grafeno, junto con sus propiedades físicas, los GFET ofrecen una mayor sensibilidad y reducen los casos de "falsos positivos" en aplicaciones de detección [ 65 ].
  • El Fe FET utiliza un material ferroeléctrico entre la compuerta, lo que permite que el transistor conserve su estado en ausencia de polarización; estos dispositivos pueden tener aplicaciones como memoria no volátil .
  • VTFET, o transistor de efecto de campo de transporte vertical , modificación de FinFET de IBM de 2021 para permitir una mayor densidad y menor potencia. [ 66 ]

Ventajas

Los transistores de efecto de campo tienen una alta resistencia de corriente puerta-drenador, del orden de 100 MΩ o más, lo que proporciona un alto grado de aislamiento entre el control y el flujo. Debido a que el ruido de la corriente de base aumenta con el tiempo de conformación , [ 67 ] un FET generalmente produce menos ruido que un transistor de unión bipolar (BJT) y se encuentra en electrónica sensible al ruido, como sintonizadores y amplificadores de bajo ruido para receptores VHF y de satélite. No presenta voltaje de offset con corriente de drenaje cero y es un excelente modulador de señal. Generalmente tiene mejor estabilidad térmica que un BJT. [ 47 ]

Debido a que los FET se controlan mediante la carga de puerta, una vez que la puerta se cierra o se abre, no se produce un consumo de energía adicional, como ocurriría con un transistor de unión bipolar o con relés sin enclavamiento en ciertos estados. Esto permite una conmutación de muy baja potencia, lo que a su vez facilita una mayor miniaturización de los circuitos, ya que se reducen las necesidades de disipación de calor en comparación con otros tipos de interruptores.

Desventajas

Un transistor de efecto de campo tiene un producto ganancia-ancho de banda relativamente bajo en comparación con un transistor de unión bipolar. Los MOSFET son muy susceptibles a las sobrecargas de voltaje, por lo que requieren un manejo especial durante la instalación. [ 68 ] La frágil capa aislante del MOSFET entre la puerta y el canal lo hace vulnerable a descargas electrostáticas o cambios en el voltaje umbral durante su manipulación. Esto generalmente no representa un problema una vez que el dispositivo se ha instalado en un circuito diseñado correctamente.

Los FET suelen tener una resistencia de encendido muy baja y una resistencia de apagado alta. Sin embargo, las resistencias intermedias son significativas, por lo que los FET pueden disipar grandes cantidades de potencia durante la conmutación. Por lo tanto, la eficiencia puede priorizar la conmutación rápida, pero esto puede causar transitorios que excitan inductancias parásitas y generan voltajes significativos que se acoplan a la puerta y provocan una conmutación involuntaria. Por consiguiente, los circuitos FET requieren un diseño muy cuidadoso e implican un equilibrio entre la velocidad de conmutación y la disipación de potencia. También existe una relación de compromiso entre la tensión nominal y la resistencia de encendido, por lo que los FET de alta tensión tienen una resistencia de encendido relativamente alta y, por lo tanto, pérdidas por conducción. [ 69 ]

Modos de fallo

Los transistores de efecto de campo son relativamente robustos, especialmente cuando se operan dentro de las limitaciones de temperatura y eléctricas definidas por el fabricante ( reducción de potencia adecuada ). Sin embargo, los dispositivos FET modernos suelen incorporar un diodo intrínseco . Si no se tienen en cuenta las características de este diodo, el FET puede experimentar un comportamiento de diodo intrínseco lento, en el que un transistor parásito se activa y permite que circule una corriente elevada entre el drenador y la fuente cuando el FET está apagado. [ 70 ]

Transistor controlado por fuente

Los transistores controlados por fuente son más resistentes a los problemas de fabricación y ambientales en la electrónica de gran superficie, como las pantallas, pero su funcionamiento es más lento que el de los FET. [ 71 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Lilienfeld, JE "Método y aparato para controlar la corriente eléctrica" ​​Archivado el 9 de abril de 2022 en Wayback Machine Patente estadounidense n.º 1.745.175 (presentada: 8 de octubre de 1926; emitida: 28 de enero de 1930).
  2. ↑ CA 272437 "Mecanismo de control de corriente eléctrica", presentado por primera vez en Canadá el 22 de octubre de 1925. 
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