pMOSFET

Un pMOSFET es un transistor de efecto de campo construido sobre un canal semiconductor de tipo p (positivo), típicamente asentado sobre un sustrato de tipo n. Cuando se aplica un voltaje negativo a su puerta en relación con su fuente, el dispositivo se enciende y permite que la corriente fluya de la fuente al drenaje. Es el complemento del nMOSFET, y juntos forman la base de la lógica CMOS, la tecnología estándar en microprocesadores, memoria y circuitos digitales durante las últimas cuatro décadas.

El nombre proviene de su canal dopado: un canal de tipo p se crea dopando con impurezas aceptoras como el boro en un sustrato de silicio. Cuando el voltaje de la puerta cae lo suficientemente por debajo del voltaje de la fuente, los huecos se acumulan en la interfaz del óxido, formando una trayectoria conductora. El voltaje umbral (Vt) para un pMOSFET es típicamente negativo, oscilando entre aproximadamente -0.3 V y -0.7 V, dependiendo de la tecnología de proceso y el diseño del dispositivo.

Por qué los pMOSFET son importantes en CMOS

Los circuitos CMOS utilizan pMOSFET como red de subida (pull-up) y nMOSFET como red de bajada (pull-down). Este diseño de transistor dual consume casi ninguna potencia estática, porque un dispositivo siempre está apagado. Un pMOSFET eleva la salida cuando es necesario; un nMOSFET la baja. Esta disposición complementaria es la razón por la que la escalada del voltaje de suministro y la eficiencia energética han impulsado la tecnología de semiconductores durante décadas.

Las compensaciones prácticas surgen de la física: los pMOSFET tienen una menor movilidad de portadores (la movilidad de los huecos en el silicio es aproximadamente la mitad de la movilidad de los electrones) que los nMOSFET, por lo que conducen menos corriente para la misma longitud de puerta y espesor de óxido. Para mantener una velocidad de conmutación equilibrada en una puerta CMOS, los pMOSFET suelen hacerse de 2 a 3 veces más anchos que sus pares nMOSFET, consumiendo área de chip y capacitancia adicionales.

En los nodos de proceso modernos (por debajo de 28 nm), los pMOSFET enfrentan desafíos adicionales: la ingeniería de deformación, que aumenta la velocidad de los nMOSFET, ofrece menores ganancias para los pMOSFET; la corriente de fuga se vuelve más difícil de controlar; y el espesor del óxido de la puerta debe reducirse para mantener la controlabilidad, empujando los dispositivos más cerca de los límites del túnel cuántico. Los diseñadores compensan mediante múltiples variantes de Vt, ajuste del voltaje umbral y, a veces, diferentes orientaciones de canal o estructuras de aletas en diseños FinFET y GAA.