
Um dispositivo multiportas, MOSFET multiportas ou transistor de efeito de campo multiportas (MuGFET) refere-se a um transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (MOSFET) que possui mais de uma porta em um único transistor. Múltiplas portas podem ser controladas por um único eletrodo de porta, em que as múltiplas superfícies de porta atuam eletricamente como uma única porta, ou por eletrodos de porta independentes. Um dispositivo multiportas que emprega eletrodos de porta independentes é às vezes chamado de transistor de efeito de campo de múltiplas portas independentes (MIGFET). Os dispositivos multiportas mais amplamente utilizados são o FinFET (transistor de efeito de campo em barbatana) e o GAAFET (transistor de efeito de campo com porta ao redor), que são transistores não planares, ou transistores 3D.
Os transistores multiportas são uma das várias estratégias que estão sendo desenvolvidas pelos fabricantes de semicondutores MOS para criar microprocessadores e células de memória cada vez menores, o que é coloquialmente chamado de extensão da Lei de Moore (em sua versão estreita e específica sobre o escalonamento de densidade, excluindo sua fusão histórica descuidada com o escalonamento de Dennard). Têm sido relatados esforços de desenvolvimento em transistores multiportas pelo Laboratório Eletrotécnico, Toshiba, Grenoble INP, Hitachi, IBM, TSMC, UC Berkeley, Infineon Technologies, Intel, AMD, Samsung Electronics, KAIST, Freescale Semiconductor e outros, e o ITRS previu corretamente que tais dispositivos seriam a pedra angular das tecnologias sub-32 nm. O principal obstáculo para a implementação generalizada é a manufaturabilidade, pois tanto os projetos planares quanto os não planares apresentam desafios significativos, especialmente no que diz respeito à litografia e padronização. Outras estratégias complementares para o escalonamento de dispositivos incluem a engenharia de deformação do canal, tecnologias baseadas em silício sobre isolante e materiais de porta metálica/high-κ.
Os MOSFETs de porta dupla são comumente usados em misturadores de frequência muito alta (VHF) e em amplificadores front-end de VHF sensíveis. Eles estão disponíveis junto a fabricantes como Motorola, NXP Semiconductors e Hitachi.

Dezenas de variantes de transistores multiportas podem ser encontradas na literatura. Em geral, essas variantes podem ser diferenciadas e classificadas em termos de arquitetura (projeto planar vs. não planar) e número de canais/portas (2, 3 ou 4).
Um MOSFET planar de porta dupla (DGMOS) emprega processos de fabricação planares convencionais (camada por camada) para criar dispositivos MOSFET (transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor) de porta dupla, evitando requisitos de litografia mais rigorosos associados a estruturas de transistores verticais não planares. Em transistores planares de porta dupla, o canal dreno-fonte é imprensado entre duas pilhas de porta/óxido de porta fabricadas de forma independente. O principal desafio na fabricação de tais estruturas é alcançar um autoalinhamento satisfatório entre as portas superior e inferior.
O FlexFET é um transistor planar de portas duplas independentes com um MOSFET de porta superior metálica damascena e uma porta inferior de JFET implantada que são autoalinhados em uma trincheira de porta. Este dispositivo é altamente escalável devido ao seu comprimento de canal sublitográfico; extensões não implantadas ultra-rasas de fonte e dreno; regiões de fonte e dreno elevadas não epitaxiais; e fluxo de processamento de porta por último (gate-last). O FlexFET é um verdadeiro transistor de porta dupla no sentido de que (1) tanto a porta superior quanto a inferior fornecem operação de transistor, e (2) a operação das portas é acoplada de modo que a operação da porta superior afeta a operação da porta inferior e vice-versa. O FlexFET foi desenvolvido e é fabricado pela American Semiconductor, Inc.



O FinFET (transistor de efeito de campo em barbatana) é um tipo de transistor não planar, ou transistor "3D" (não deve ser confundido com microchips 3D). O FinFET é uma variação dos MOSFETs tradicionais que se distingue pela presença de um canal de inversão fino de silício em forma de "barbatana" (fin) no topo do substrato, permitindo que a porta faça dois pontos de contato: os lados esquerdo e direito da barbatana. A espessura da barbatana (medida na direção da fonte para o dreno) determina o comprimento efetivo do canal do dispositivo. A estrutura de porta envolvente fornece um melhor controle elétrico sobre o canal e, assim, ajuda a reduzir a corrente de fuga e a superar outros efeitos de canal curto.
O primeiro tipo de transistor FinFET foi chamado de transistor de canal esguio empobrecido ou transistor "DELTA", que foi fabricado pela primeira vez por Digh Hisamoto, Toru Kaga, Yoshifumi Kawamoto e Eiji Takeda do Laboratório Central de Pesquisa da Hitachi em 1989. No final da década de 1990, Digh Hisamoto começou a colaborar com uma equipe internacional de pesquisadores para desenvolver ainda mais a tecnologia DELTA, incluindo Chenming Hu da TSMC e uma equipe de pesquisa da UC Berkeley que incluía Tsu-Jae King Liu, Jeffrey Bokor, Xuejue Huang, Leland Chang, Nick Lindert, S. Ahmed, Cyrus Tabery, Yang-Kyu Choi, Pushkar Ranade, Sriram Balasubramanian, A. Agarwal e M. Ameen. Em 1998, a equipe desenvolveu os primeiros FinFETs de canal N e fabricou com sucesso dispositivos de até um processo de 17 nm. No ano seguinte, eles desenvolveram os primeiros FinFETs de canal P. Eles cunharam o termo "FinFET" (fin field-effect transistor) em um artigo de dezembro de 2000.
No uso atual, o termo FinFET tem uma definição menos precisa. Entre os fabricantes de microprocessadores, a AMD, a IBM e a Freescale descrevem seus esforços de desenvolvimento de porta dupla como desenvolvimento de FinFET, ao passo que a Intel evita usar o termo ao descrever sua arquitetura tri-gate intimamente relacionada. Na literatura técnica, o termo FinFET é usado de forma um tanto genérica para descrever qualquer arquitetura de transistor multiportas baseada em barbatana, independentemente do número de portas. É comum que um único transistor FinFET contenha várias barbatanas, dispostas lado a lado e todas cobertas pela mesma porta, atuando eletricamente como uma só, para aumentar a força de condução e o desempenho. A porta também pode cobrir a totalidade da(s) barbatana(s).
Um transistor de 25 nm operando com apenas 0,7 volt foi demonstrado em dezembro de 2002 pela TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company). O projeto "Omega FinFET" recebeu esse nome devido à semelhança entre a letra grega ómega (Ω) e o formato no qual a porta envolve a estrutura de fonte/dreno. Ele possui um atraso de porta de apenas 0,39 picossegundo (ps) para o transistor do tipo N e 0,88 ps para o do tipo P.
Em 2004, a Samsung Electronics demonstrou um projeto "Bulk FinFET", o que tornou possível a produção em massa de dispositivos FinFET. Eles demonstraram uma memória RAM dinâmica (DRAM) fabricada com um processo Bulk FinFET de 90 nm. Em 2006, uma equipe de pesquisadores coreanos do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KAIST) e do National Nano Fab Center desenvolveu um transistor de 3 nm, o menor dispositivo nanoeletrônico do mundo, baseado na tecnologia FinFET. Em 2011, os pesquisadores da Universidade Rice, Masoud Rostami e Kartik Mohanram, demonstraram que os FinFETs podem ter duas portas eletricamente independentes, o que dá aos projetistas de circuitos mais flexibilidade para projetar com portas eficientes e de baixa potência.
Em 2012, a Intel começou a usar FinFETs em seus futuros dispositivos comerciais. Vazamentos sugerem que o FinFET da Intel possui um formato incomum de triângulo em vez de retângulo, e especula-se que isso possa ocorrer porque um triângulo tem uma maior resistência estrutural e pode ser fabricado de forma mais confiável ou porque um prisma triangular possui uma maior proporção de área por volume do que um prisma retangular, aumentando assim o desempenho de comutação.
Em setembro de 2012, a GlobalFoundries anunciou planos para oferecer uma tecnologia de processo de 14 nanômetros apresentando transistores tridimensionais FinFET em 2014. No mês seguinte, a empresa rival TSMC anunciou o início da produção inicial ou "de risco" de FinFETs de 16 nm em novembro de 2013.
Em março de 2014, a TSMC anunciou que estava se aproximando da implementação de vários processos de fabricação de wafers matrizes de FinFETs de 16 nm:
A AMD lançou GPUs usando sua arquitetura de chip Polaris e fabricadas em FinFET de 14 nm em junho de 2016. A empresa tentou produzir um projeto para fornecer um "salto geracional na eficiência energética", oferecendo também taxas de quadros estáveis para gráficos, jogos, realidade virtual e aplicações multimídia.
Em março de 2017, a Samsung e a eSilicon anunciaram o tapeout para a produção de um ASIC FinFET de 14 nm em um encapsulamento 2.5D.
Um transistor tri-gate, também conhecido como transistor de porta tripla, é um tipo de MOSFET com uma porta em três de seus lados. Um transistor de porta tripla foi demonstrado pela primeira vez em 1987 por uma equipe de pesquisa da Toshiba que incluía K. Hieda, Fumio Horiguchi e H. Watanabe. Eles perceberam que o corpo totalmente empobrecido (FD) de um transistor estreito baseado em silício bulk ajudava a melhorar a comutação devido a um efeito reduzido de polarização do corpo. Em 1992, um MOSFET de porta tripla foi demonstrado pelo pesquisador da IBM Hon-Sum Wong.
A Intel anunciou essa tecnologia em setembro de 2002. A Intel anunciou "transistores de porta tripla" que maximizam o "desempenho de comutação do transistor e diminuem a fuga que desperdiça energia". Um ano depois, em setembro de 2003, a AMD anunciou que estava trabalhando em uma tecnologia semelhante na Conferência Internacional sobre Dispositivos e Materiais de Estado Sólido. Nenhum outro anúncio dessa tecnologia foi feito até o anúncio da Intel em maio de 2011, embora tenha sido declarado na IDF 2011 que eles demonstraram um chip de SRAM funcional baseado nessa tecnologia na IDF 2009.
Em 23 de abril de 2012, a Intel lançou uma nova linha de CPUs, denominada Ivy Bridge, que apresenta transistores tri-gate. A Intel vinha trabalhando em sua arquitetura tri-gate desde 2002, mas foi necessário esperar até 2011 para resolver os problemas de produção em massa. O novo estilo de transistor foi descrito em 4 de maio de 2011, em São Francisco. Foi anunciado que as fábricas da Intel deveriam passar por atualizações ao longo de 2011 e 2012 para serem capazes de fabricar as CPUs Ivy Bridge. Foi anunciado que os novos transistores também seriam usados nos chips Atom da Intel para dispositivos de baixa potência.
A fabricação tri-gate foi usada pela Intel para a arquitetura de transistores não planares utilizada nos processadores Ivy Bridge, Haswell e Skylake. Esses transistores empregam uma única porta empilhada no topo de duas portas verticais (a única porta envolta em três lados do canal), permitindo essencialmente três vezes a área de superfície para a passagem dos elétrons. A Intel relata que seus transistores tri-gate reduzem a fuga na sub-limiar e consomem muito menos energia elétrica do que os transistores anteriores. Isso permite uma velocidade até 37% maior ou um consumo de energia inferior a 50% do tipo anterior de transistores usados pela Intel.
A Intel explica: "O controle adicional permite que flua o máximo possível de corrente de transistor quando o transistor está no estado 'ligado' (para desempenho), e o mais próximo possível de zero quando está no estado 'desligado' (para minimizar a energia), e permite que o transistor mude muito rapidamente entre os dois estados (novamente, para desempenho)." A Intel declarou que todos os produtos após a microarquitetura Sandy Bridge seriam baseados neste projeto.
O termo tri-gate é às vezes usado genericamente para denotar qualquer FET multiportas com três portas ou canais efetivos.
Os FETs de porta ao redor (GAAFETs) são os sucessores dos FinFETs, pois podem funcionar em tamanhos abaixo de 7 nm. Eles foram usados pela IBM para demonstrar a tecnologia de processo de 5 nm.
O GAAFET, também conhecido como transistor de porta envolvente (SGT), é semelhante em conceito a um FinFET, exceto que o material da porta envolve a região do canal por todos os lados. Dependendo do projeto, os FETs de porta ao redor podem ter duas ou quatro portas efetivas. Os FETs de porta ao redor foram caracterizados com sucesso tanto teórica quanto experimentalmente. Eles também foram gravados com sucesso em nanofios de InGaAs, que possuem uma mobilidade eletrônica maior do que o silício.
Um MOSFET de porta ao redor (GAA) foi demonstrado pela primeira vez em 1988 por uma equipe de pesquisa da Toshiba que incluía Fujio Masuoka, Hiroshi Takato e Kazumasa Sunouchi, que demonstraram um GAAFET de nanofio vertical que chamaram de "transistor de porta envolvente" (SGT). Masuoka, mais conhecido como o inventor da memória flash, posteriormente deixou a Toshiba e fundou a Unisantis Electronics em 2004 para pesquisar a tecnologia de porta envolvente juntamente com a Universidade de Tohoku. Em 2006, uma equipe de pesquisadores coreanos do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KAIST) e do National Nano Fab Center desenvolveu um transistor de 3 nm, o menor dispositivo nanoeletrônico do mundo, baseado na tecnologia FinFET de porta ao redor (GAA). Os transistores GAAFET podem fazer uso de materiais de porta metálica/high-k. Foram demonstrados GAAFETs com até 7 nanofolhas (nanosheets), o que permite um melhor desempenho e/ou uma pegada de dispositivo reduzida. As larguras das nanofolhas nos GAAFETs são controláveis, o que permite ajustar mais facilmente as características do dispositivo.
A partir de 2020, a Samsung e a Intel anunciaram planos para produzir em massa transistores GAAFET (especificamente transistores MBCFET), enquanto a TSMC anunciou que continuará a usar FinFETs em seu nó de 3 nm, apesar de a TSMC também estar desenvolvendo transistores GAAFET.
Um FET de canal multiponte (MBCFET) é semelhante a um GAAFET, exceto pelo uso de nanofolhas (nanosheets) em vez de nanofios. MBCFET é uma marca nominativa (marca registrada) registrada nos EUA para a Samsung Electronics. A Samsung planeja produzir em massa transistores MBCFET no nó de 3 nm para seus clientes de fundição. A Intel também está desenvolvendo o RibbonFET, uma variação de transistores de "nanofita" (nanoribbon) MBCFET. Ao contrário dos FinFETs, tanto a largura quanto o número de folhas podem ser variados para ajustar a força de condução ou a quantidade de corrente que o transistor pode conduzir a uma determinada tensão. As folhas frequentemente variam de 8 a 50 nanômetros de largura. A largura das nanofolhas é conhecida como Weff, ou largura efetiva.
Os transistores planares têm sido o núcleo dos circuitos integrados por várias décadas, durante as quais o tamanho dos transistores individuais diminuiu continuamente. À medida que o tamanho diminui, os transistores planares sofrem cada vez mais com o indesejável efeito de canal curto, especialmente a corrente de fuga no estado "desligado" (off-state), o que aumenta a potência em repouso exigida pelo dispositivo.
Em um dispositivo multiportas, o canal é cercado por várias portas em múltiplas superfícies. Assim, ele fornece um melhor controle elétrico sobre o canal, permitindo uma supressão mais eficaz da corrente de fuga no estado "desligado". Múltiplas portas também permitem uma corrente aprimorada no estado "ligado", também conhecida como corrente de condução (drive current). Os transistores multiportas também fornecem um melhor desempenho analógico devido a um ganho intrínseco mais alto e menor modulação do comprimento do canal. Essas vantagens se traduzem em menor consumo de energia e melhor desempenho do dispositivo. Os dispositivos não planares também são mais compactos do que os transistores planares convencionais, permitindo uma maior densidade de transistores, o que se traduz em uma microeletrônica geral menor.
Os principais desafios para integrar dispositivos multiportas não planares nos processos convencionais de fabricação de semicondutores incluem:

O BSIMCMG106.0.0, lançado oficialmente em 1 de março de 2012 pelo Grupo BSIM da UC Berkeley, é o primeiro modelo padrão para FinFETs. O BSIM-CMG é implementado em Verilog-A. Formulações físicas baseadas no potencial de superfície são derivadas tanto para modelos intrínsecos quanto extrínsecos com dopagem corporal finita. Os potenciais de superfície nas extremidades da fonte e do dreno são resolvidos analiticamente com efeitos de empobrecimento de polissilício (poly-depletion) e mecânica quântica. O efeito da dopagem corporal finita é capturado por meio de uma abordagem de perturbação. A solução analítica do potencial de superfície concorda estreitamente com os resultados da simulação de dispositivos bidimensionais (2-D). Se a concentração de dopagem do canal for baixa o suficiente para ser negligenciada, a eficiência computacional pode ser melhorada ainda mais definindo uma flag específica (COREMOD = 1).
Todo o comportamento importante do transistor de múltiplas portas (MG) é capturado por este modelo. A inversão de volume está incluída na solução da Equação de Poisson, portanto a formulação subsequente de I–V captura automaticamente o efeito de inversão de volume. A análise do potencial eletrostático no corpo dos MOSFETs MG forneceu uma equação de modelo para efeitos de canal curto (SCE). O controle eletrostático extra das portas finais (portas superior/inferior) (porta tripla ou quádrupla) também é capturado no modelo de canal curto.