FET é o acrônimo em inglês de Field Effect Transistor, Transistor de Efeito de Campo, que, como o próprio nome diz, funciona através do efeito de um campo elétrico na junção. Este tipo de transistor tem muitas aplicações na área de amplificadores (operando na área linear), em chaves (operando fora da área linear) ou em controle de corrente sobre uma carga. Os FETs têm como principal característica uma elevada impedância de entrada o que permite seu uso como adaptador de impedâncias podendo substituir transformadores em determinadas situações,além disso são usados para amplificar frequências altas com ganho superior ao dos transistores bipolares.
História
alt=Julius Edgar Lilienfeld, que propôs o conceito de um transistor de efeito de campo em 1925.|direita|321x321px O conceito de um transistor de efeito de campo (FET) foi patenteado pela primeira vez pelo físico de origem austro-húngara Julius Edgar Lilienfeld em 1925Lilienfeld, J.E. "Method and apparatus for controlling electric current" Patente dos EUA nº 1.745.175 (depositada: 8 de outubro de 1926; emitida: 28 de janeiro de 1930). e por Oskar Heil em 1934, mas eles não conseguiram construir um dispositivo semicondutor prático e funcional baseado no conceito. O efeito transistor foi posteriormente observado e explicado por John Bardeen e Walter Houser Brattain enquanto trabalhavam sob a direção de William Shockley na Bell Labs em 1947, logo após a expiração do prazo de 17 anos da patente de Lilienfeld. Shockley tentou inicialmente construir um FET funcional tentando modular a condutividade de um semicondutor, mas não teve sucesso, principalmente devido a problemas com os estados de superfície, as ligações pendentes (dangling bond) e os materiais compostos de germânio e cobre. No decorrer da tentativa de entender as razões misteriosas por trás de seu fracasso em construir um FET funcional, Bardeen e Brattain acabaram inventando o transistor de contato de ponto em 1947, que foi seguido pelo transistor de junção bipolar de Shockley em 1948.
O primeiro dispositivo FET a ser construído com sucesso foi o transistor de efeito de campo de junção (JFET). Um JFET foi patenteado pela primeira vez por Heinrich Welker em 1945. O transistor de indução estática (SIT), um tipo de JFET com canal curto, foi inventado pelos engenheiros japoneses Jun-ichi Nishizawa e Y. Watanabe em 1950. Seguindo o tratamento teórico de Shockley sobre o JFET em 1952, um JFET prático e funcional foi construído por George C. Dacey e Ian M. Ross em 1953. No entanto, o JFET ainda apresentava os problemas que afetavam os transistores de junção em geral. Os transistores de junção eram dispositivos relativamente volumosos e difíceis de fabricar em larga escala, o que os limitava a algumas aplicações especializadas. O transistor de efeito de campo de porta isolada (IGFET) foi teorizado como uma alternativa potencial aos transistores de junção, mas os pesquisadores não conseguiam construir IGFETs funcionais, em grande parte devido à problemática barreira de estado de superfície que impedia o campo elétrico externo de penetrar no material. Em meados da década de 1950, os pesquisadores praticamente desistiram do conceito de FET e, em vez disso, concentraram-se na tecnologia do transistor de junção bipolar (BJT).
As bases da tecnologia MOSFET foram estabelecidas pelo trabalho de William Shockley, John Bardeen e Walter Brattain. Shockley idealizou independentemente o conceito de FET em 1945, mas não conseguiu construir um dispositivo funcional. No ano seguinte, Bardeen explicou seu fracasso em termos de estados de superfície. Bardeen aplicou a teoria dos estados de superfície em semicondutores (o trabalho anterior sobre estados de superfície foi feito por Shockley em 1939 e Igor Tamm em 1932) e percebeu que o campo externo era bloqueado na superfície devido a elétrons extras que são atraídos para a superfície do semicondutor. Os elétrons ficam presos nesses estados localizados formando uma camada de inversão. A hipótese de Bardeen marcou o nascimento da física de superfícies. Bardeen então decidiu fazer uso de uma camada de inversão em vez da camada muito fina de semicondutor que Shockley havia imaginado em seus projetos de FET. Com base em sua teoria, em 1948 Bardeen patenteou o progenitor do MOSFET, um FET de porta isolada (IGFET) com uma camada de inversão. A camada de inversão confina o fluxo de portadores minoritários, aumentando a modulação e a condutividade, embora seu transporte de elétrons dependa do isolante da porta ou da qualidade do óxido se usado como isolante, depositado acima da camada de inversão. A patente de Bardeen, bem como o conceito de uma camada de inversão, forma a base da tecnologia CMOS atual. Em 1976, Shockley descreveu a hipótese do estado de superfície de Bardeen "como uma das ideias de pesquisa mais significativas no programa de semicondutores".
Após a teoria do estado de superfície de Bardeen, o trio tentou superar o efeito dos estados de superfície. No final de 1947, Robert Gibney e Brattain sugeriram o uso de um eletrólito colocado entre o metal e o semicondutor para superar os efeitos dos estados de superfície. Seu dispositivo FET funcionou, mas a amplificação era fraca. Bardeen foi além e sugeriu focar na condutividade da camada de inversão. Outros experimentos os levaram a substituir o eletrólito por uma camada de óxido sólido na esperança de obter melhores resultados. O objetivo deles era penetrar na camada de óxido e chegar à camada de inversão. No entanto, Bardeen sugeriu que eles mudassem do silício para o germânio e, no processo, o óxido deles foi acidentalmente lavado. Eles se depararam com um transistor completamente diferente, o transistor de contato de ponto. Lillian Hoddeson argumenta que "se Brattain e Bardeen tivessem trabalhado com silício em vez de germânio, eles teriam se deparado com um transistor de efeito de campo de sucesso".
No final da primeira metade da década de 1950, seguindo o trabalho teórico e experimental de Bardeen, Brattain, Kingston, Morrison e outros, ficou mais claro que havia dois tipos de estados de superfície. Descobriu-se que os estados rápidos de superfície estavam associados ao volume (bulk) e a uma interface semicondutor/óxido. Descobriu-se que os estados lentos de superfície estavam associados à camada de óxido devido à adsorção de átomos, moléculas e íons pelo óxido a partir do ambiente. Verificou-se que os últimos eram muito mais numerosos e tinham tempos de relaxamento muito mais longos. Na época, Philo Farnsworth e outros criaram vários métodos para produzir superfícies de semicondutores atomicamente limpas.
Em 1955, Carl Frosch e Lincoln Derrick cobriram acidentalmente a superfície de uma pastilha (wafer) de silício com uma camada de dióxido de silício. Eles mostraram que a camada de óxido impedia a entrada de certos dopantes na pastilha de silício, enquanto permitia a entrada de outros, descobrindo assim o efeito de passivação da oxidação térmica na superfície do semicondutor. O trabalho subsequente deles demonstrou como gravar pequenas aberturas na camada de óxido para difundir dopantes em áreas selecionadas da pastilha de silício. Em 1957, eles publicaram um artigo de pesquisa e patentearam a técnica, resumindo seu trabalho. A técnica que desenvolveram é conhecida como mascaramento por difusão de óxido, que mais tarde seria usada na fabricação de dispositivos MOSFET. Na Bell Labs, a importância da técnica de Frosch foi imediatamente percebida. Os resultados de seu trabalho circularam pela Bell Labs na forma de memorandos BTL antes de serem publicados em 1957. Na Shockley Semiconductor, Shockley havia divulgado a pré-publicação (preprint) do artigo deles em dezembro de 1956 para toda a sua equipe sênior, incluindo Jean Hoerni.
Em 1955, Ian Munro Ross depositou uma patente para um FeFET ou MFSFET. Sua estrutura era como a de um MOSFET de canal de inversão moderno, mas material ferroelétrico foi usado como dielétrico/isolante em vez de óxido. Ele o idealizou como uma forma de memória, anos antes do MOSFET de porta flutuante. Em fevereiro de 1957, John Wallmark depositou uma patente para um FET no qual o monóxido de germânio era usado como um dielétrico de porta, mas ele não deu prosseguimento à ideia. Em sua outra patente depositada no mesmo ano, ele descreveu um FET de porta dupla. Em março de 1957, em seu caderno de laboratório, Ernesto Labate, um cientista pesquisador da Bell Labs, concebeu um dispositivo semelhante ao MOSFET proposto posteriormente, embora o dispositivo de Labate não usasse explicitamente dióxido de silício como isolante.
Em 1955, Carl Frosch e Lincoln Derrick cultivaram acidentalmente uma camada de dióxido de silício sobre a pastilha de silício, para a qual observaram efeitos de passivação de superfície. Em 1957, Frosch e Derrick, usando mascaramento e pré-deposição, foram capazes de fabricar transistores de dióxido de silício e mostraram que o dióxido de silício isolava, protegia as pastilhas de silício e evitava que os dopantes se difundissem na pastilha. J.R. Ligenza e W.G. Spitzer estudaram o mecanismo de óxidos cultivados termicamente e fabricaram uma pilha de alta qualidade de Si/SiO2 em 1960.
FET metal-óxido-semicondutor (MOSFET)
Seguindo essa pesquisa, Mohamed Atalla e Dawon Kahng propuseram um transistor MOS de silício em 1959 e demonstraram com sucesso um dispositivo MOS funcional com sua equipe da Bell Labs em 1960. A equipe deles incluía E. E. LaBate e E. I. Povilonis, que fabricaram o dispositivo; M. O. Thurston, L. A. D’Asaro e J. R. Ligenza, que desenvolveram os processos de difusão, e H. K. Gummel e R. Lindner, que caracterizaram o dispositivo.
Com sua alta escalabilidade, consumo de energia muito menor e densidade maior em comparação com os transistores de junção bipolar, o MOSFET tornou possível a construção de circuitos integrados de alta densidade. O MOSFET também é capaz de lidar com potências mais altas do que o JFET. O MOSFET foi o primeiro transistor verdadeiramente compacto que podia ser miniaturizado e produzido em massa para uma ampla gama de usos. O MOSFET, portanto, tornou-se o tipo mais comum de transistor em computadores, eletrônicos e tecnologia de comunicações (como smartphones). O Escritório de Patentes e Marcas dos Estados Unidos o chama de uma "invenção inovadora que transformou a vida e a cultura em todo o mundo".
Em 1948, Bardeen e Brattain patentearam o progenitor do MOSFET, um FET de porta isolada (IGFET) com uma camada de inversão. Sua patente e o conceito de uma camada de inversão formam a base da tecnologia CMOS atual. O CMOS (MOS complementar), um processo de fabricação de dispositivos semicondutores para MOSFETs, foi desenvolvido por Chih-Tang Sah e Frank Wanlass na Fairchild Semiconductor em 1963., depositada em 1960, emitida em 1963 O primeiro relato de um MOSFET de porta flutuante foi feito por Dawon Kahng e Simon Sze em 1967.D. Kahng and S. M. Sze, "A floating gate and its application to memory devices", The Bell System Technical Journal, vol. 46, no. 4, 1967, pp. 1288–1295 O conceito de um transistor de película fina (TFT) de porta dupla foi proposto por H. R. Farrah (Bendix Corporation) e R. F. Steinberg em 1967. Um MOSFET de porta dupla foi demonstrado pela primeira vez em 1984 pelos pesquisadores do Laboratório Eletrotécnico Toshihiro Sekigawa e Yutaka Hayashi. O FinFET (transistor de efeito de campo em barbatana), um tipo de MOSFET multiportas 3D não planar, originou-se da pesquisa de Digh Hisamoto e sua equipe no Laboratório Central de Pesquisa da Hitachi em 1989.
Mais sobre os terminais alt=Seção transversal de um MOSFET de canal N|direita|300x300px