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1 / 8 Un transistor cortado por la mitad Este es un MOSFET de canal n, cortado por el centro y dibujado cientos de miles de veces más grande que en la realidad. Dos islas azules de silicio tipo n, la fuente y el drenador, están metidas en un sustrato tipo p. Con 0 V en la puerta y 2 V en el drenador, el amperímetro marca cero.
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01 Un transistor cortado por la mitad Este es un MOSFET de canal n, cortado por el centro y dibujado cientos de miles de veces más grande que en la realidad. Dos islas azules de silicio tipo n, la fuente y el drenador, están metidas en un sustrato tipo p. Con 0 V en la puerta y 2 V en el drenador, el amperímetro marca cero.
02 Silicio con unos pocos átomos ajenos El silicio puro conduce mal porque cada electrón exterior está sujeto en un enlace. Si metes un átomo de fósforo, su quinto electrón queda libre: eso es silicio tipo n. El boro solo tiene tres, así que a un enlace le falta un electrón. Ese hueco salta de enlace en enlace.
03 La puerta aparta los huecos Con 0,5 V la puerta tiene un poco de carga positiva. No puede tocar el silicio, porque hay 10 nm de óxido en medio, pero su campo atraviesa el óxido y empuja los huecos hacia abajo. Cerca de la superficie quedan iones fijos de boro con carga negativa: una región de agotamiento.
04 Pasado el umbral aparece un canal Por encima del umbral de 0,7 V, el campo atrae a la superficie electrones suficientes para volverla tipo n. Esta capa de inversión fina une la fuente con el drenador. Con 1,2 V hay unos 72 000 electrones en el canal y el amperímetro marca 0,22 mA.
05 Algo más de puerta, mucha más corriente En el modelo de ley cuadrática, la corriente crece con el cuadrado del voltaje por encima del umbral. Con 2,5 V llega a 2,8 mA. El drenador está a solo 2 V, así que el canal se estrecha hacia el drenador y se estrangula en su extremo; subir ahora el voltaje de drenador cambia poco.
06 Dos transistores forman un interruptor La placa de la derecha pone un transistor de canal p sobre uno de canal n. Con 3,3 V en la entrada, el nMOS conduce y lleva la salida a 0 V, así que el LED se apaga. Baja el control de entrada del inversor y el pMOS toma el relevo. En cualquiera de los dos extremos un transistor está apagado, así que casi no circula corriente.
07 Una oscilación pequeña se hace grande Ahora la puerta oscila 50 mV a cada lado de 1,2 V. La corriente la sigue a razón de 0,86 mA por voltio de oscilación de la puerta. Al pasar por una resistencia de 10 kΩ, ese cambio de corriente mueve la salida 8,6 veces más que la entrada. Esto es amplificación.
08 De uno a dieciséis mil millones El chip del frente representa el M1 de Apple, que según Apple tiene 16 000 millones de transistores; contando uno por segundo tardarías 507 años. A su lado hay una réplica del primer transistor, el dispositivo de contacto puntual que Bardeen y Brattain hicieron funcionar en los Laboratorios Bell en diciembre de 1947.
Sustrato tipo p El cuerpo de silicio, dopado con boro a unos 10¹⁷ átomos por cm³, uno por cada 500 000 átomos de silicio. Sus cargas libres son huecos (anillos rojos). Fuente (n+) Una isla muy dopada con fósforo, cerca de un átomo de cada 500. Está llena de electrones libres (puntos azules) y aporta los electrones que cruzan el canal. Drenador (n+) Una isla igual que la fuente. Con un voltaje positivo, los electrones que llegan por el canal salen por el contacto del drenador. Óxido de puerta Dióxido de silicio de 10 nm de espesor en el modelo. Aísla la puerta, que actúa sobre el silicio solo con su campo eléctrico y no consume corriente continua. Puerta El electrodo de control encima del óxido. Su voltaje decide si existe un canal. Los signos más claros muestran su carga positiva. Capa de inversión (canal) Una lámina fina de electrones atraída a la superficie cuando la puerta supera el umbral de 0,7 V. Su espesor sigue el perfil de carga de la ley cuadrática, así que adelgaza hacia el drenador. Región de agotamiento La capa bajo la puerta de la que se han expulsado los huecos y donde quedan iones fijos de boro con carga negativa (rayas azul oscuro). Se hace más profunda hasta el umbral y luego deja de crecer. Contactos y circuito exterior Tapones de tungsteno y pads de aluminio unen la fuente y el drenador a una fuente de alimentación y a un amperímetro. La puerta tiene su propio tapón detrás, con el botón rojo. Red de silicio dopado Los átomos de silicio comparten electrones por parejas. El fósforo (P) aporta un electrón de más y el boro (B) uno de menos; el que falta es un hueco. Inversor CMOS Un transistor de canal p sobre uno de canal n, con las puertas unidas. La salida es lo contrario de la entrada. La pantallita dibuja la salida frente a la entrada. Encapsulado del chip Un dado de procesador sobre su encapsulado. El M1 de Apple tiene 16 000 millones de transistores. El Intel 4004 de 1971 tenía 2300. Transistor de contacto puntual, 1947 Réplica del dispositivo de los Laboratorios Bell: dos contactos de oro muy juntos, sujetos por una cuña de plástico y apoyados sobre una placa pequeña de germanio.
