Estructura MOS

La estructura NMOS está formada por un sustrato de silicio dopado con huecos. Al aplicar un potencial de compuerta positivo, los electrones presentes en el sustrato (portadores minoritarios) son atraídos hacia la capa de óxido de compuerta. Al mismo tiempo, los huecos son repelidos de la capa de óxido de compuerta debido a que el potencial positivo los aleja. Esto ocasiona una acumulación de electrones en la cercanía del óxido, en donde el silicio presenta un exceso de electrones y por lo tanto es de tipo n. La inversión del dopado en el silicio (que antes era de tipo p) es lo que le da origen al nombre de esta región. También se produce una región de agotamiento de portadores en las cercanías del óxido, debido a que los huecos del sustrato se recombinan con los electrones atraídos.

De manera análoga, una estructura PMOS está formada por un sustrato de silicio dopado con electrones. Al aplicar un potencial de compuerta negativo, los huecos presentes en el sustrato (portadores minoritarios) son atraídos hacia la capa de óxido de compuerta. Los electrones son repelidos del óxido de compuerta debido a que el potencial negativo los aleja. Los huecos se acumulan en la cercanía del óxido, en donde el silicio acumula un exceso de huecos y por lo tanto se comporta como un material de tipo p. La recombinación de huecos y electrones produce una región de agotamiento.

La tensión positiva aplicada en la compuerta de una estructura PMOS se distribuye a través de las capas de materiales de acuerdo con la siguiente ecuación[1]

${\displaystyle V_{G}=V_{FB}+V_{ox}+\psi _{s}}$

En donde

${\displaystyle V_{G}}$ es la tensión de compuerta,

${\displaystyle qV_{FB}}$ es la diferencia de las funciones de trabajo entre el metal y el semiconductor: ${\displaystyle qV_{FB}=\phi _{MS}=\phi _{M}-\phi _{S}}$,

${\displaystyle V_{ox}}$ es la caída de tensión en el óxido,

${\displaystyle \psi _{s}}$ es la caída de tensión en el semiconductor

Capacitancia normalizada de la estructura MOS en función de la tensión de compuerta.[2]

En ambos tipos de estructuras se acumulan cargas eléctricas en el óxido y en el semiconductor, de modo que el dispositivo se comporta como un condensador eléctrico. Se distinguen tres regiones de funcionamiento, dependiendo del nivel de tensión que se aplica en la terminal de la compuerta.

En un condensador de capacidad C, aparece una carga Q, dada por la expresión: Q=C·V, donde V es la tensión entre armaduras. En el condensador MOS, la tensión entre la compuerta y el sustrato hace que adquiera la carga Q, que aparece a ambos lados del óxido. Pero en el caso del semiconductor esto significa que la concentración de portadores bajo la compuerta varía en función de la tensión aplicada a esta.

Imaginemos que tenemos el sustrato de silicio tipo p, es decir, conteniendo un exceso de huecos. Lo conectamos a 0 V, y tenemos la compuerta también conectada a 0 V. En estas condiciones, no existe una variación en la concentración de huecos. Cuando vamos aumentando la tensión de compuerta, el condensador se va cargando, con carga positiva en la parte de la compuerta y negativa en el sustrato que, en nuestro caso de semiconductor p, significa que el número de huecos va disminuyendo hasta alcanzar la carga correspondiente a la tensión de compuerta. Este modo de funcionamiento se llama deplexión, vaciamiento o empobrecimiento. Podemos continuar aumentando la tensión de compuerta hasta que ya no queden huecos en la banda de conducción y el sustrato bajo la compuerta se vuelve aislante.

Pero, si continuamos aumentando todavía más la tensión, el condensador MOS necesita más carga, que los huecos ya no pueden proporcionarle, por lo que aparecen electrones en la banda de conducción, a pesar de ser el sustrato tipo p. Este fenómeno se llama inversión y permite formar canales tipo n dentro de semiconductores p. Cuanto más aumentamos la tensión, mayor carga introducimos y más avanza la capa de inversión dentro del sustrato, con lo que la zona bajo la compuerta se va haciendo cada vez más conductora.

Volvamos a poner la compuerta a 0 V y vayamos polarizándola con valores negativos. Ahora la carga en el sustrato es positiva y el número de huecos aumenta, con lo que la conductividad, también. Este modo de funcionamiento se llama de acumulación o enriquecimiento, pues se aumenta el número de portadores.

La estructura MOS es de gran importancia dentro de los dispositivos de estado sólido pues forma los transistores MOSFET, base de la electrónica digital actual. Pero, además, es el pilar fundamental de los dispositivos de carga acoplada, CCD, tan comunes en fotografía. Así mismo, funcionando como condensador es responsable de almacenar la carga correspondiente a los bits de las memorias dinámicas.

También se utilizan como condensadores de precisión en electrónica analógica y microondas.

• Transistor MOSFET
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