nMOS

Un transistor nMOS es un transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico (MOSFET) en el que el canal conductor entre la fuente y el drenador se forma a partir de material semiconductor de tipo n, lo que significa que está dopado con impurezas donadoras (típicamente fósforo o arsénico en silicio) que proporcionan un excedente de electrones libres. Cuando se aplica un voltaje positivo al terminal de la compuerta, este atrae electrones al canal, encendiendo el dispositivo y permitiendo que la corriente fluya del drenador a la fuente. La movilidad de los electrones en el silicio de tipo n es aproximadamente el doble que la de los huecos en el material de tipo p, razón por la cual los dispositivos nMOS conmutan más rápido y conducen más corriente para un área de chip determinada que sus contrapartes pMOS.

El nombre refleja la estructura física: el electrodo de la compuerta se asienta sobre un delgado aislante de dióxido de silicio (el óxido), que se encuentra sobre el canal semiconductor. En el nMOS de modo de mejora, la variante más común en los circuitos integrados, el canal no existe en su estado apagado; la aplicación de voltaje a la compuerta lo crea. En el nMOS de modo de agotamiento, un canal existe por defecto y el voltaje de la compuerta lo cierra, pero esta variante es ahora rara fuera de los circuitos especializados de RF y analógicos. Los transistores nMOS modernos en lógica y memoria se construyen típicamente con longitudes de compuerta entre 3 nanómetros y varios cientos de nanómetros, con anchos de canal variados para lograr la resistencia de encendido y la velocidad de conmutación deseadas.

Donde domina el nMOS

La lógica NMOS formó la base de los primeros microprocesadores y sigue siendo el componente más rápido y eficiente en energía en los circuitos CMOS (MOS complementario), donde los transistores nMOS y pMOS trabajan en pares push-pull. En un inversor o compuerta CMOS, el nMOS lleva la salida a tierra (lógica 0) mientras que el pMOS la lleva al riel de suministro (lógica 1). Esta disposición minimiza la disipación de potencia estática porque un transistor siempre está apagado. Por esta razón, toda la lógica digital de alto volumen, los microcontroladores y los procesadores desde la década de 1980 se han construido en CMOS, no en nMOS puro. La lógica nMOS pura consume una corriente significativa incluso en reposo y genera calor, lo que la hacía poco práctica para chips grandes.

En la memoria, los transistores nMOS sirven como compuertas de acceso en las celdas DRAM y como componentes programables en el almacenamiento flash. Un transistor nMOS de compuerta flotante en la memoria flash puede cargarse o descargarse aplicando altos voltajes durante los ciclos de programación y borrado, y la presencia o ausencia de carga en esa compuerta determina si la celda se lee como 0 o 1. El voltaje umbral de dicho transistor determina su estado; los umbrales de voltaje en una celda flash moderna se pueden controlar con una precisión de decenas de milivoltios.

La degradación física de los dispositivos nMOS ocurre a través de la inyección de portadores calientes (portadores energéticos que golpean el óxido de la compuerta y quedan atrapados), la electromigración en las interconexiones metálicas y la inestabilidad de temperatura de polarización negativa (NBTI), que afecta el voltaje umbral con el tiempo. Los diseñadores deben tener en cuenta estos mecanismos al establecer los márgenes de voltaje y térmicos. El dispositivo nMOS sigue siendo el elemento de conmutación dominante en la fabricación de semiconductores debido a su velocidad, pequeño tamaño y compatibilidad con procesos escalados hasta los tamaños de característica más pequeños utilizados en la producción actual.