Transistor

Tecno-Tapa: El transistor MOSFET

¡Una Tercera!

Procesador PowerPC

En nuestra tercera tecno-tapa, describiremos el funcionamiento de los transistores MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Efect Transistor) base de la tecnología CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) con la que se fabrican la mayoría de los micro-procesadores actuales.

Igual que hemos descrito en el transistor BJT la conducción se produce entre dos zonas dopadas tipo N separadas por una zona tipo P.

Como en los BJT también existe el transistor complementario, es decir dos zonas tipo P separadas por una tipo N y en el que la conducción se producirá igual, pero cambiando las polaridad de las tensiones.

La estructura de un transistor MOSFET se muestra en la siguiente figura:

Estructura transistor MOSFET. Fuente Wikipedia

En la anterior figura se observan las dos zonas grises (etiquetadas como D y S) que serán de tipo N o P, y la zona marrón (etiquetada como B) que será del semiconductor complementario, se observa también una zona blanca que será aislante con lo que se forma un condensador entre el terminal etiquetado como G y el sustrato (B).

Las etiquetas responden a los nombres de Drenador (D, o lo que en el transistor bipolar sería el colector), Surtidor (S, o lo que en el transistor bipolar sería el emisor), G (Gate, puerta, o lo que en el transistor bipolar hacia las veces de base), B (Bulk, o sustrato, que será conectado normalmente a masa, para evitar polarizaciones parásitas).

En los MOSFET la conducción, o la inversión de población en la zona de carga espacial (que se describió en la tecno-tapa correspodiente de la unión P-N), se produce mediante la tensión aplicada al condensador que se forma en la zona de la puerta. Así, aplicando tensión en el terminal de puerta tendremos que se va eliminando la zona de carga espacial, permitiendose la conducción entre el Drenador y el Surtidor.

Al estar controlado por tensión la primera ventaja de estos transistores es que, durante la conducción, no hay consumo por el terminal de control, es decir, la puerta solo consume energía en las conmutaciones, la necesaria para cargar y descargar el condensador de puerta, al contrario que en el BJT que había una pequeña corriente de base siempre activa.

Otra de las ventajas es la facilidad en la fabricación y la capacidad de integración que se consigue con esta tecnología.

En la tecnología CMOS, se fabrican sobre la misma oblea los dos tipos de MOSFET necesarios para fabricar y poder construir las puertas lógicas necesarias en la fabricación de los integrados, como el Inversor que se muestra en la siguiente figura:

Esquema del Inversor. Fuente Wikipedia

El circuito anterior funciona de la siguiente manera:

Supongamos que tenemos una tensión positiva aplicada en Vdd con respecto a Vss que estará conectada a masa (0V), si aplicamos una tensión positiva en A, tendremos que el transistor MOSFET de canal N (que es el representado abajo en la figura) estará en modo conducción, mientras que el canal P (que es el representado arriba en la figura, con un circulito en la puerta) estará en corte, con lo que Q, verá que está conectado a la tensión Vss a través del transistor inferior, reflejando una tensión de oV a la salida, si aplicamos oV en el terminal A, tendremos a los transistores de manera contraria, es decir, conducirá el de arriba, mientras que el de abajo estará en corte, con lo que Q estará conectado a la tensión positiva de Vdd. Así tendremos en Q la tensión contraria a la aplicada en A, como corresponde a un buen INVERSOR ;-).

A continuación me gustaría explicar un poco los distintos procesos que se utilizan para fabricar dicho inversor en una oblea de silicio, no sin antes invitaros a visitar la siguiente entrada en Naukas, escrita por @jeibros, que explica los procesos de fabricación de un circuito integrado, aquí lo haré de una manera más esquemática.

Proceso de fabricación de un inversor. Fuente Wikipedia

1º paso: Se hace crecer una capa de óxido que será el que forme el aislante para el condensador de la puerta, sobre un sustrato de tipo P. (por defecto todos los transistores serán de canal N)

2º paso: Se ataca el óxido para dejar una zona libre donde se realizará un pozo tipo N sobre el sustrato P, donde se construirán los MOSFET de canal P.

3º paso: Se dopa el silicio con impurezas tipo N para tener preparado una zona para los transistores de canal P.

4º paso: Se ataca el óxido para dejar acceso a las zonas donde se construiran los terminales de Drenador y Surtidor.

5º paso: se hace crecer una capa fina de óxido que formará el condensador de puerta.

6º paso: Se deposita una capa de polisilicio, material que es muy conductor que nos servirá de punto de acceso al condensador de puerta.

7º paso: Se ataca el polisilicio y el óxido para dejar acceso a las zonas de drenador y surtidor.

8º paso: Se dopa el silicio con impurezas tipo N en la zona del sustrato general, para formar los MOSFET de canal N, e impurezas de tipo P en el pozo de tipo N para formar los MOSFET de canal P.

9º paso: se hace crecer una capa de aislante en toda la oblea, que nos servirá para definir después la conexiones metálicas.

10º paso: Se ataca el aislante para dejar acceso a los puntos donde se quieren hacer conexiones metálicas.

11º paso: Se deposita una capa metálica que formará las conexiones a los terminales.

12º paso: Se ataca la capa metálica para separar los distintos terminales, que después tendremos que conectar de la manera deseada. En el caso del inversor, solo quedará unir las dos puertas para formar el terminal A.

Me parece que como tapa ha quedado demasiado larga, así que dejaremos la descripción de uno de los problemas de esta tecnología para la siguiente tapa ;-).

Actualización 29 de Mayo de 2013:

Os dejo un vídeo donde explican el funcionamiento del transistor MOSFET y el límite que encuentra la ley de Moore debido al efecto túnel cuántico, espero que sea de vuestro interés:

 

Actualización 19 de Julio de 2013:

Os dejo un vídeo donde se explica de manera muy graciosa el funcionamiento del transitor MOSFET, con subtítulos en castellano:

Tecno-Tapa: El transistor bipolar

¡Una segunda!

Seguimos con las tapas, esta vez para hablar del transistor bipolar o BJT, solo recordaros que será interesante haber acabado la Tapa anterior, en la que se hablaba de la unión P-N o diodo. Además de donde yo vengo hay veces que si no te acabas la tapa no te traen otra ;P.

Un transistor es un dispositivo electrónico clave y omnipresente en la tecnología actual, si bien los procesadores actuales están basados en transistores CMOS, que se verán en una siguiente “tapa” es importante presentar la estructura y funcionamiento del transistor bipolar o BJT (Bipolar Junction Transistor).

Transistor Laboratorios Bell

Transistor Laboratorios Bell

Por el cacharro que se ve en la foto le dieron el premio Nobel a William B. Shockley, John Bardeen y Walter H. Brattain, aunque así visto parezca una “ñapa” salida de cualquier taller “geek”. Te lo creas o no, este dispositivo cambió nuestras vidas.

Aunque en la foto no termina de apreciarse muy bien, este es un dispositivo de tres terminales cuyo símbolo circuital es el siguiente:

Transistor PNP

Transistor PNP

Transistor NPN

Transistor NPN

Para los transistores bipolares tenemos dos símbolos ya que existen de dos tipos, que funcionan de manera complementaria.

Estos dispositivos están formados por dos uniones P-N, que gracias a está “Tecno-Tapa” ya sabemos cómo funcionan.

Ahora veremos qué es lo que descubrieron los tres físicos anteriormente citados.

Como se puede ver en la leyenda de los símbolos circuitales, los dos simbolos responden a transistor N-P-N y P-N-P, y efectivamente, un transistor no es más que dos uniones P-N enfrentadas o contiguas. Así la flechita que aparece podremos interpretarla como un diodo en el sentido de B (Base) a E (Emisor) en el transitor NPN, y de Emisor a Base en el PNP.

Si vemos el transistor como uniones P-N, podríamos tener el siguiente esquema:

Esquema de uniones del BJT

Esquema de uniones del BJT

Atendiendo a la explicación dada para la conducción del diodo, veremos que la corriente desde C (Colector) nunca podría llegar a E (Emisor). Como sabemos que el transitor es un interruptor donde la corriente que pasa entre Colector y Emisor es controlada por la corriente introducida en la Base, tendremos que dar una explicación a este fenómeno.

Lo que sucede es que la parte dopada como P en el transistor NPN es pequeña y estrecha, y además está dopada, pero muy ligeramente, con lo que al polarizar directamente la unión Base-Emisor se utilizan esos electrones para “cubrir” los huecos presentes en la unión, permitiendo el efecto transistor.  Podríamos imaginar que las dos partes dopadas como N, se unen. El transistor PNP tiene un funcionamiento similar, solo que cambiando el sentido de las polarizaciones y corrientes.

Esquema de Corrientes

Esquema de Corrientes

En la figura anterior tenemos un esquema de las corrientes involucradas en el dispositivo. Se intenta reflejar la forma en que una pequeña corriente en la Base controla el grueso de la corriente total del dispositivo, de esta forma hemos fabricado un interruptor controlado, ya que al polarizar negativamente la unión Base-Emisor volvería a aparecer la zona de carga espacial, cortando la conducción de todo el dispositivo.

Para que nos hagamos una idea, la corriente de Base necesaria para que conduzca el transistor es de 10 a 100 veces menor que la corriente del Colector, dependiendo de la tecnología de fabricación, o potencia que tenga que manejar el transistor.

Para terminar esta tapa me gustaría presentar un corte transversal de una oblea de Silicio donde estaría implementado un transistor BJT:

Layout de un Transistor

Layout de un Transistor

Como vemos en el esquema tenemos unos terminales etiquetados como E, B, y C, que serán nuestro acceso al Emisor, Base y Colector respectivamente. Las zonas señaladas como n+, con zonas más dopadas (con más impurezas) y n- menos dopadas (menos impurezas), esto nos permite controlar la capacidad de conducción de las distintas zonas, como vemos el Emisor es n+, ya que en esta configuración tiene una superficie muy pequeña y tendrá que poder manejar toda la corriente que provenga del Colector. En otra Tapa se intentará explicar algo de los distintos pasos de fabricación que se siguen.

Seguimos de “Tapas”, ¿Alguien sabe que hay de Tercera?