Мосфет

Металоксиден полуспроводник транзистор со ефект на поле (MOSFET, MOS-FET или MOS FET) — тип на транзистор со ефект на поле (FET),најчесто произведен од контролирана оксидација на силициум. Има изолирана порта, чиј напон ја определува спроводливоста на уредот. Ваквата способност да се менува спроводливоста согласно големината на применетиот напон може да се користи за зголемување како и вклучување и исклучување електрични сигнали. Металоксидниот изолатор полуспроводнички транзистор со ефект на поле или MISFET е термин којшто безмалку е синоним со MOSFET. Друг синоним е IGFET што се користи за изолирана порта на транзистор со ефект на поле.

Основниот принцип на транзистор со ефект на поле бил патентиран за првпат од страна на Џулиус Едгар Лиленфелд во 1925 година.

Најголемата предност на MOSFET е дека не бара никаква влезна струја за да ја контролира струјата на оптоварување, за разлика од биполарните транзистори. Напонот кој се применува на терминалот на портата на MOFSET-отво „режим на зголемување“ја зголемува спроводливоста на уредот. Напонот кој се применува на портата во „режим на трошење“ја намалува спроводливоста на уредот.

Зборот „метал“ во називот на MOSFET всушност е погрешно употребен бидејќи материјалот што најчесто се користи за портата е слој од полисилициум (поликристален силициум). Зборот „оксиден“ е исто така погрешно употребен во името, затоа што се користат различни изолациски материјали со цел да се добие силен проток со мал применет напон. MOSFET е најчесто употребуваниот транзистор во дигиталните кола бидејќи стотици милиони MOSFET транзистори може да се вградат во мемориски чип или микрообработувач. Бидејќи MOFSET транзисторот може да биде или од p-тип или n-тип полуспроводник, комплементарни парови на MOS транзистори може да се користат во кола за вклучување и исклучување со многу мала потрошувачка на електрична енергија, во форма на CMOS (комплементарни металоксидни полуспроводници).

Историја

Основниот принцип на овој тип на транзистор бил за првпат патентиран од страна на Џулиус Едгар Лиленфелд во 1925 година. Дваесет и пет години подоцна, кога луѓето од Лабораториите на Бел Телефон се обиделе да го патентираат биполарниот транзистор, откриле дека Лиленфелд имал патент за сè што во себе го содржи зборот транзистор. Лабораториите на Бел Телефон успеале да издејствуваат договор со Лиленфелд, кој во тоа време бил сѐ уште жив (не е познато дали му платиле или не му платиле пари за да го добијат договорот). Лабораториите на Бел Телефон во тоа време на транзисторот му го дале името биполарен транзистор, или едноставно поврзан транзистор, а дизајнот на Лиленфелд го добил името транзистор се ефект на поле.

Во 1959 година, Давон Канг и Мартин М. (Џон) Атала кои работеле во Лабораториите на Бел Телефон го пронашле металоксидниот полуспроводник транзистор со ефект на поле (MOSFET) како изданок на патентираниот дизајн на транзистор (FET). MOSFET, којшто оперативно и структурно бил поразличен од поларниот транзистор, бил направен со поставување на изолациски слој на полуспроводникот и потоа на него била додадена метална електрода како порта. Како полуспроводник се користи кристален силициум, а за изолација се користи силициум диоксид што оксидира на топлина. MOSFET-от од силициум не создава локални замки за електрони на местото на интерфејсот помеѓу силициумот и неговиот природен оксидиран слој, па така тој по природа не ги заробува и расејува преносителите, што претставувало недостаток кај претходните транзистори со ефект на поле.

Состав

Вообичаено за полуспроводник се користи силициум, што се добива со користење на локални методи за оксидација (LOCOS). Од неодамна, некои производители на чипови, меѓу кои најпознати се IBM и Intel, започнаа со користење на хемиско соединение од силициум и германиум (SiGe) во каналите на MOSFET. За жал, многу полуспроводници со подобри електрични својства од силициумот, како на пр.: галиум арсенид, не формираат добри интерфејси помеѓу полуспроводникот до изолаторот, и како такви не се соодветни за изработка на MOSFET. Испитувањата за создавање на изолатори со прифатливи електрични одлики на други материјали за полуспроводници продолжуваат и понатаму.

За да се спречи зголемената потрошувачка на електрична енергија поради истекувањето на струјата кај портата, наместо силициум диоксид се користи диелектрик со висок К како изолатор за портата, додека пак полисилициумот се заменува со метални порти (видете во соопштенијата објавени од страна на Intel).

Портата е поделена од каналот со тенок слој на изолатор, вообичаено со силициум диоксид, или од поново време со силициум оксинитрид. Некои компании за портата веќе користат комбинација од диелектрик со висок К и метал добиена со 45-нанометриска технологија.

Кога на портата и терминалите на телото се применува напон, електричното поле што се создава го пробива оксидот и создава „слој на инверзија“ или „канал“ на интерфејсот помеѓу полуспроводникот и изолаторот. Слојот на инверзија овозможува проток преку кој електричната енергија може да помине помеѓу терминалите на изворот и излезот. Големината на напонот помеѓу портата и телото ја определува спроводливоста на овој слој и така се контролира протокот на електричната енергија помеѓу излезот и изворот. Ова е познато како „Режим на зголемување“.

Режими на работа

Работата на MOSFET може да се подели во три различни режими, во зависност од напонот на терминалите. Во следнава дискусија, се користи упростен математички модел. Одликите на современиот MOSFET транзистор се далеку покомплексни од алгебарскиот модел што е претставен тука.

Трите режими на работа при „режим на зголемување“, за MOSFET со n-канал се следниве:

Режим на исклучување, напон потпрагот и слаба инверзија Ако V_GS < V_th: Каде $V_{GS}$ е негативен напон на портата и изворот а $V_{th}$ е напонот на прагот на самиот уред. Согласно основниот модел за напон на прагот, кога транзисторот е исклучен нема спроводливост помеѓу изворот и излезот. Еден попрецизен модел ги зема предвид влијанијата на топлинската енергија согласно дистрибуцијата по Ферми-Дирак на енергијата на електроните што дозволува некои електрони на изворот кои имаат повеќе енергија да продрат во каналот и да протечат кон изворот. Ова резултира во струја со напон под прагот што е експоненцијална функција од напонот на портата и излезот. Додека идеално е струјата помеѓу изворот и излезот да биде нула кога транзисторот се користи како прекинувач за исклучување, има струја поради слаба инверзија, што понекогаш се нарекува протекување на струја под прагот. При слаба инверзија кога изворот е поврзан со главен електроенергетски систем, струјата варира експоненцијално со $V_{GS}$ како што е дадено подолу:

$I_{D}\approx I_{D0}e^{\begin{matrix}{\frac {V_{GS}-V_{th}}{nV_{T}}}\end{matrix}},$ Каде $I_{D0}$ е струјата при $V_{GS}=V_{th}$ , термалниот напон $V_{T}=kT/q$ , а факторот на пад n езададен како: $n=1+C_{D}/C_{OX},\,$ , каде што $C_{D}$ = капацитетот на слојот за трошење, а $C_{OX}$ = оксидационен слој. Вообичаено се користи оваа равенка, но тоа единствено е соодветна апроксимација за изворот што е поврзан соглавен електроенергетски систем. За извор што не е поврзан соглавен електроенергетски систем, равенката за напонот под прагот за струјата на излезот што е заситена е претставена како: $I_{D}\approx I_{D0}e^{\begin{matrix}{\frac {\kappa (V_{G}-V_{th})-V_{S}}{V_{T}}}\end{matrix}},$ каде $\kappa$ е делителот на каналот и истиот е претставен со: $\kappa ={\frac {C_{OX}}{C_{OX}+C_{D}}},$ каде што $C_{D}$ = капацитетот на слојот за трошење, а $C_{OX}$ = оксидиран слој. Кај уред со долг канал, напонот на излезот не е зависен штом $V_{DS}\gg V_{T}$ , но кога должината на каналот е намалена со индуцираната бариера за намалување на излезот истата прави напонот на излезот да зависи и тоа зависноста е комплексна и зависи од формата на уредот (на пример од додавањето на примеси во каналот, додавање на примеси кај спојката и сл.). Често, напонот на прагот V_th за овој режим е дефиниран како напон на портата при што се појавува определена вредност за I_D0, како на пример I_D0 = 1 μA , што може да не е иста вредност како вредноста на V_th што се користи во равенките за следните режими.

Некои аналогни микороенергетски струјни кола се дизајнирани така што да можат да ја искористат спроводливоста на напонот под прагот. Преку работа во регионот со слаба инверзија, MOSFET кај ваквите кола одржуваат најголем можен однос на спроводливост и струја, имено: $g_{m}/I_{D}=1/(nV_{T})$ , без малку како оној кај биполарните транзистори. Кривата I-V на напонот под прагот зависи експоненцијално од напонот на прагот, со што се воведува голема зависност на било која варијација што е произведена и истата влијае врз напонот на прагот;на пример:варијации во дебелината на оксидниот слој, дебелина на спојката, или примеси во телото што го менуваат степенот на индуцираната бариера за намалување на излезот. Чувствителноста на транзисторот што зависи од видот на производството го отежнува оптимизацијата на протекувањето и изведбата.

Режим на триода или линеарна област (исто така познато како омско подрачје)

Кога V_GS > V_th и V_DS < V_GS – V_th : Транзисторот е вклучен, и се создава канал што овозможува струја да протече помеѓу изворот и излезот. Транзисторот MOSFET работи како отпорник, и е управуван со напонот на портата што e поврзан со изворот и излезот. Струјата од излезот до изворот се пресметува како: ‘

$I_{D}=\mu _{n}C_{ox}{\frac {W}{L}}\left((V_{GS}-V_{th})V_{DS}-{\frac {{V_{DS}}^{2}}{2}}\right)$

каде $\mu _{n}$ е делотворната подвижност на пренесувачот на полнежи, $W$ е ширината на портата, $L$ е должината на портата и $C_{ox}$ е капацитетот на оксидот во единица површина. Преносот од експоненцијалната област со напон под прагот до областа на триодата не е така остар како што сугерира самата равенка.

Заситување или активен режим

Кога V_GS > V_th и V_DS ≥ ( V_GS – V_th): Транзисторот е вклучен, и се создава канал што овозможува струја да протече помеѓу изворот и излезот. Бидејќи напонот на излезот е поголем од напонот на изворот, електроните се шират и спроводливоста не е низ тесен канал туку низ широка дво или тридимензионална дистрибуција на струја што се протега од интерфејсот длабоко во подлогата. Почетокот на оваа област е исто така познат како потштипнување (pinch-off) што укажува на недостаток на област на канал во близина на излезот. И покрај тоа што каналот не се протега по целата должина на уредот, електричното поле помеѓу излезот и каналот е многу големо и така продолжува спроводливоста. Струјата на излезот сега малку зависи од напонот на излезот и примарно е контролирана со напонот излез-извор, и апроксимативно се пресметува како:

$I_{D}={\frac {\mu _{n}C_{ox}}{2}}{\frac {W}{L}}(V_{GS}-V_{th})^{2}\left[1+\lambda (V_{DS}-V_{DSsat})\right].$ Дополнителниот фактор го вклучува , параметарот за пресметување на должината на каналот, и ја пресметува зависноста на напонот на излезот поради раниот ефект, или модулацијата на должината на каналот. Согласно оваа равенка, главениот параметар за дизајнирање, за спроводливоста на MOSFET е:

$g_{m}={\frac {\partial I_{D}}{\partial V_{GS}}}={\frac {2I_{D}}{V_{GS}-V_{th}}}={\frac {2I_{D}}{V_{ov}}},$

каде комбинацијата V_ov = V_GS – V_th се нарекува прекумерен напон и каде V_DSsat = V_GS – V_th се зема за мал прекин во $I_{D}$ што во спротивно би се појавил при преносот помеѓу областите на триода и заситување.

Друг клучен параметар во дизајнот е излезниот отпор на MOSFET r_out што е зададен со:

$r_{out}={\frac {1}{\lambda I_{D}}}$ .

r_out е обратно пропорционален од g_DS каде $g_{DS}={\frac {\partial I_{DS}}{\partial V_{DS}}}$ . I_D е изразот во заситената област. Ако се земе дека е нула, неопределените резултати за отпорот на излезот на уредот водат до нереални пресметки за струјното коло, особено кај аналогни кола. Како што должината на каналот станува сè помала, овие пресметки стануваат сè понеточни. Се создаваат нови физички влијанија. На пример:транспортот на носителот во активен режим може да стане ограничен поради брзината на заситувањето. Кога доминира брзината на заситување, заситувањето на струјата на излезот е повеќе линеарно отколку квадратно во V_GS . Дури и при помали должини, транспортот на носителот со расејување скоро еднакво на нула, е познат како квазибалистичен транспорт. Во балистичен режим, носителите патуваат со брзина на поттик што може да ја надмине брзината на заситување и се доближува до Фермиевата брзина при висока инверзија на густина на полнеж. Понатаму индуцираната бариера за намалување ја зголемува струјата при мирување и бара зголемување на напонот под прагот со цел да се компензира, што пак причинува намалување на струјата на заситување.

Поврзано

Надворешни врски

How Semiconductors and Transistors Work (MOSFETs) WeCanFigureThisOut.org
„An introduction to depletion-mode MOSFETs“. Архивирано од изворникот на 28 September 2008.