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Prefacio

En este artículo investigaremos las bases del transistor MOSFET, el dispositivo electrónico que sin duda ha permitido revolucionar la computación tal y como la conocemos.

En este episodio tocaremos tanto una breve introducción histórica como una aproximación a los principios de funcionamiento del transistor MOSFET

Historia

A principios del siglo XX, apareció un problema que necesitaba rápida solución: las llamadas telefónicas a largas distancias tenían pérdidas de calidad increíbles. Así, la compañía AT&T (antes Bell Telephone Company, de Graham Bell) encontró en su nicho de investigación la solución con Lee De Forest: el triodo en tubo de vacío (Fig. 1)

Incorporando tubos de vacío a lo largo de la línea telefónica, podía amplificarse la señal eléctrica (que codificaba la señal sonora), de forma que las pérdidas eran mucho menores, y la calidad de la telefonía y la radio ascendió considerablemente. Acababa de nacer la Electrónica.

Fig. 1: Lee De Forest, inventor del triodo de tubos de vacío

En 1926, la compañía fundó un centro de investigación (los Bell Labs), con el fin de buscar soluciones a los problemas de disipación de calor y sustitución reiterada que los tubos de vacío implicaban. Como anécdota, aquí también se desarrolló el lenguaje de programación C, el OS Unix…

El grupo formado por William Shockley, Walter Brattain y John Bardeen (Fig. 3) dieron con la solución en 1947, cuando descubrieron el transistor: un dispositivo basado en semiconductores, mucho más integrable y barato (Fig. 2)

Fig. 2: El primer transistor de punto de contacto

Como anécdota final, decir que hubo gran choque de egos, ya que Shockley (más veterano y supervisor del equipo) quería atribuirse todo el logro y llegó a patentar el transistor a su nombre.

Aunque finalmente el Nobel en 1953 lo recibieron los tres (y tras la famosa frase “¡Demonios, Shockley, en esto hay suficiente gloria para todos!” de Brattain”), el resto del equipo junto, con su enfado, decidieron continuar caminos divergentes de ahí en adelante.

Fig. 3: Bardeen (izq.), Brattain (medio) y Shockley (dcha.),
inventores del transistor de contacto puntual

Transistor MOSFET

Tras esta breve introducción histórica de los transistores, nos centraremos en una tecnología específica, y que actualmente domina el mercado de la electrónica moderna: el Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET).

El nombre es cuanto menos sugerente, y para comprobarlo, nos basaremos en la Figura 4 e intentaremos comprender el mecanismo de funcionamiento del MOSFET a nivel físico.

Fig. 4: Sección esquemática del MOSFET

Debemos entender que existen dos tipos de MOSFET: de enriquecimiento (o nMOS) o de empobrecimiento (o pMOS). El apodo se refiere al tipo de portadores que tengan, siendo pues enriquecido a electrones, o empobrecido (con lo que son los huecos los que priman).

De esta forma, distinguimos diferentes partes en un MOSFET: la puerta (Gate), el cuerpo o sustrato (Bulk/Body), la fuente (Source) y el drenador (Drenator).

nMOS: MOSFET tipo n

Los terminales fuente y el drenador, en un nMOS, se encuentran enriquecidos. La forma de lograr esto es añadir impurezas (donantes) al ser su número de valencia superior al del silicio de los terminales. Veamos esto microscópicamente.

Por ejemplo, el Fósforo se utiliza con gran frecuencia, al tener valencia 5 frente a los 4 que tiene el Silicio. Sobra un electrón por cada átomo de fósforo, de forma que la zona del terminal se enriquece a electrones, y podrán circular con mayor libertad.

Fig. 5: Silicio con impurezas de Fósforo (dopado)

Por otra parte, el sustrato se encuentra predominantemente ocupado por huecos (de electrones), con lo cual aparecen dos partes físicamente diferenciadas: los terminales (D y S) y el sustrato (B).

Un apunte importante: entre los terminales no existe una unión física real, con lo que técnicamente, esos electrones dopados no tendrán oportunidad de empezar a circular. Hasta ahora, el elemento sigue siendo no conductor.

Macroscópicamente, para poder conducir una corriente eléctrica, deben satisfacerse ciertas condiciones (por ejemplo, con temperatura elevada) que le aporte la energía necesaria a los electrones para moverse con mayor libertad, al alcanzar su nivel de Fermi (una especie de umbral de conducción a nivel cuántico).

Y es aquí donde entra en juego el papel de la puerta (G). Dado que esta se encuentra separada del sustrato (B) por un óxido aislante, se forma entre esas tres partes un condensador tipo MOS, (Metal-Óxido-Semiconductor).

Fig. 6: Condensador MOS formado en el transistor
nMOS

Aplicando una diferencia de potencial positiva entre puerta-sustrato, permite la construcción de un canal de electrones que conecta los dos terminales, al ser estos atraídos por el punto de mayor potencial (cargas de distinto signo se atraen).

NOTA: dado que casi siempre sustrato y fuente están conectados, se habla normalmente de diferencia de tensión puerta-fuente.

Fig. 7: Canal formado entre terminales

La condición a satisfacer para que se establezca este puente, es que sea mayor que la tensión umbral (el mínimo impuesto por la condición microscópica del nivel de Fermi)

(1)   \begin{equation*}V_{GS} > V_{T}\end{equation*}

Resumiendo todo lo anterior, acabamos de conseguir por fin conectar los dos terminales dopados (D y S) a través de aplicar una diferencia de potencial suficiente entre G y B (de ahí FET, Field Effect Transistor: se consigue con un campo eléctrico, que desplaza a los electrones hasta formar el canal).

Regiones de Funcionamiento

En función de los valores de tensión, veremos cómo se comporta el transistor MOSFET.

Región de Corte

En el caso de que no se satisfaga la ecuación anterior, no habrá canal y el elemento se comportará como un aislante.

Fig. 8: Región de Corte: no fluye corriente.

Región de Conducción

Si se satisface la ecuación, en este punto tenemos un dispositivo preparado para conducir, y el paso de los electrones dependerá de la diferencia de potencial entre estos dos terminales (D y S).

Además, en un nMOS el potencial en Drenador es mayor que en Fuente, con lo cual la corriente sigue ese sentido. En este punto habrá dos casos:

1) Región de conducción Óhmica

Aquí la corriente que fluye de drenador a fuente será proporcional a la diferencia de potencial entre estos dos terminales, siempre que se satisfaga:

(2)   \begin{equation*}V_{DS}<(V_{GS} - V_{T})\end{equation*}

Fig. 9: Región Óhmica, comportamiento cual metal

De esta forma, se comportará como un simple metal a todos los efectos.

2) Región de conducción en Saturación

Si por el contrario, la diferencia de tensión supera ese límite:

(3)   \begin{equation*}V_{DS}>(V_{GS} - V_{T})\end{equation*}

Entonces se producirá un efecto de estrangulamiento en la zona del drenador, de forma que la corriente ya no podrá circular en mayor cantidad por mucho que se aumente la tensión D-S (ya no podrá pasar un mayor ratio de electrones).

NOTA: la región de saturación se evita, y aparece normalmente solo como modo de transición entre corte y conducción óhmica.

Fig. 10: Región de Saturación. Se produce el estrangulamiento

Así, visualizando en una gráfica estos tres casos, podemos comprender mejor el funcionamiento de las diferentes regiones de un MOSFET:

Fig. 11: Regiones de funcionamiento

El dispositivo dual: pMOS

Este es simplemente la contrapartida del nMOS, donde los portadores son huecos, de forma que los terminales están empobrecidos de electrones (con lo que hay más huecos) y el sustrato está predominantemente ocupado por electrones.

De esta forma, la tensión aplicada entre puerta y sustrato será negativa (para crear un canal de huecos) y ahora la corriente fluirá de la fuente (potencial mayor) al drenador (potencial menor), justo al revés que en los nMOS.

O sea, según el valor de la tensión G-B, se establecerá un nMOS ó un pMOS, pero físicamente son el mismo dispositivo, es solo una cuestión de referencia en términos de comportamientos eléctricos, que le aportará a cada uno ciertas ventajas, a tratar en artículos posteriores.

Resumen y visión

Llegado a este punto, podemos decir que hemos encontrado un dispositivo que permite circular la corriente (o no) de una forma controlada a través de una tensión aplicada en puerta.

Así, dado que este hecho de ON/OFF es un comportamiento dicotómico, permite ser una llave de oro para la computación, al únicamente trabajar con dos valores a nivel de arquitectura: 1 ó 0.

Esto sumado a que los MOSFET no precisan de circulación de corriente entre puerta y sustrato (recordar es un capacitor, con un aislante de por medio), permite consumir cantidades de energía mucho menores, además de ser un elemento verdaderamente microscópico.

Me atrevo a decir que el Transistor MOSFET es sin duda el invento del siglo XX, al haber permitido crear CI para computadores de tamaño portátil, favorecer al desarrollo de redes interconectadas (internet), la electrónica de potencia que se está desarrollando actualmente con los EV’s, etc.

Fig. 12: Aplicaciones del Transistor en Circuitos Integrados

Bibliografía

  • Electrónica de Alan R. Hambley (Prentice Hall)
  • Diapositivas de la asignatura Circuitos Integrados (4º GITI UMA),
  • La historia del transistor

AUTOR

Manuel Ferreira Lorenzo

Estudiante de Ingeniería en Tecnologías Industriales (4º ETRON),

Universidad de Málaga

Puntuación
Votos: 4 Promedio: 4.8
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