MOSFET - MOSFET

MOSFET
MOSFET Structure.png
MOSFET, amelyen a kapu (G), a test (B), a forrás (S) és a leeresztő (D) sorkapcsok láthatók. A kaput szigetelő réteg (rózsaszín) választja el a testtől .
Működési elv Félvezető
Feltalált 1959
Első produkció 1960
Csapkonfiguráció kapu (G), test (B), forrás (S) és lefolyó (D)
Hűtőborda és diszkrét MOSFET tranzisztor

A fém-oxid-félvezető mezőhatású tranzisztor ( MOSFET , MOS-FET vagy MOS FET ), más néven fém-oxid-szilícium tranzisztor ( MOS tranzisztor vagy MOS ), egy szigetelt kapu mezőhatás. tranzisztor , amelyet gyártotta a szabályozott oxidációt egy félvezető , tipikusan a szilícium . A fedett kapu feszültsége határozza meg a készülék elektromos vezetőképességét ; ez a képesség a vezetőképesség megváltoztatására az alkalmazott feszültség mértékével erősítésre használhatóvagy elektronikus jelek kapcsolása .

A MOSFET -et Mohamed M. Atalla és Dawon Kahng találta fel a Bell Labs -ban 1959 -ben, és először 1960 -ban mutatták be. Ez a modern elektronika alapvető építőköve, és a történelem leggyakrabban gyártott készüléke , becslések szerint összesen 13  ezer milliárd (1,3 × 10 22 ) 1960 és 2018 között gyártott MOSFET -ek. Ez a domináns félvezető eszköz a digitális és analóg integrált áramkörökben (IC), és a leggyakoribb tápegység . Ez egy kompakt tranzisztor , amelyet miniatürizáltak és sorozatgyártásban készítettek számos alkalmazáshoz , forradalmasítva az elektronikai iparágat és a világgazdaságot, és központi szerepet játszanak a digitális forradalomban , a szilícium-korban és az információs korban . A MOSFET skálázás és miniatürizálás az 1960-as évek óta hajtja az elektronikus félvezető technológia gyors exponenciális növekedését, és lehetővé teszi a nagy sűrűségű IC-k , például memóriachipek és mikroprocesszorok használatát . A MOSFET -et az elektronikai ipar "munkalovának" tekintik.

A MOSFET egyik fő előnye, hogy szinte semmilyen bemeneti áramot nem igényel a terhelési áram szabályozásához, összehasonlítva a bipoláris csomópont tranzisztorokkal (BJT). A MOSFET fejlesztési módban a kapu termináljára adott feszültség növelheti a vezetőképességet a "normál kikapcsolt" állapotból. A MOSFET kimerülési módban a kapun alkalmazott feszültség csökkentheti a vezetőképességet a "normál be" állapotból. A MOSFET -ek nagy skálázhatóságra is képesek, növekvő miniatürizálással , és könnyen méretezhetők kisebb méretekre. Gyorsabb kapcsolási sebességük is van (ideális digitális jelekhez ), sokkal kisebb méretűek, lényegesen kevesebb energiát fogyasztanak, és sokkal nagyobb sűrűséget tesznek lehetővé (ideális nagyméretű integrációhoz ) a BJT-khez képest. A MOSFET -ek olcsóbbak és viszonylag egyszerű feldolgozási lépésekkel rendelkeznek, ami magas termelési hozamot eredményez .

A MOSFET-ek vagy MOS integrált áramköri chipek részeként, vagy különálló MOSFET-eszközökként (például tápellátású MOSFET ) gyárthatók , és lehetnek egykapu vagy többkapu tranzisztorok. Mivel MOSFET lehet készülnek vagy p-típusú , vagy n-típusú félvezetők ( PMOS vagy NMOS logikát , rendre), komplementer párjait MOSFET lehet használni, hogy a kapcsolási áramkörök nagyon alacsony energiafogyasztás : CMOS (komplementer MOS) logikát.

A "fém -oxid -félvezető" (MOS) elnevezés tipikusan fémkapura , oxid szigetelésre és félvezetőre (jellemzően szilíciumra) utal . A MOSFET elnevezésben szereplő "fém" azonban néha téves megnevezés, mert a kapu anyaga lehet poliszilícium (polikristályos szilícium) réteg is . Az oxid mellett különböző dielektromos anyagok is használhatók azzal a céllal, hogy erős csatornákat nyerjenek kisebb feszültséggel. A MOS kondenzátor szintén a MOSFET szerkezet része.

Keresztmetszet egy nMOSFET-en keresztül, amikor a V GS kapufeszültség a vezetőképes csatorna létrehozásához szükséges küszöb alatt van; kevés vagy egyáltalán nincs vezetés a lefolyó és a forrás kivezetései között; a kapcsoló ki van kapcsolva. Ha a kapu pozitívabb, akkor vonzza az elektronokat, és n -típusú vezetőképes csatornát indukál a szubsztrátban az oxid alatt, ami lehetővé teszi az elektronok áramlását az n -adalékolt terminálok között; a kapcsoló be van kapcsolva.
Az inverziós csatorna (elektronsűrűség) kialakulásának szimulálása és a küszöbfeszültség (IV) elérése egy nanosávos MOSFET -ben. Megjegyzés: ennek a készüléknek a küszöbfeszültsége 0,45 V körül van

Korai történelem

Háttér

A mezőhatású tranzisztor (FET) alapelvét először Julius Edgar Lilienfeld osztrák fizikus javasolta 1926-ban, amikor benyújtotta az első szabadalmat egy szigetelt kapuú térhatású tranzisztorra. A következő két év során különböző FET szerkezeteket írt le. Konfigurációjában az alumínium képezte a fémet, az alumínium -oxid pedig az oxidot, míg a réz -szulfidot félvezetőként használták . Praktikus munkaeszközt azonban nem tudott felépíteni. A FET koncepciót később Oskar Heil német mérnök az 1930 -as években és William Shockley amerikai fizikus a negyvenes években is elméletezte . Ekkor még nem épült működő gyakorlati FET, és ezen korai FET -javaslatok egyike sem tartalmazott termikusan oxidált szilíciumot.

A félvezető cégek kezdetben a félvezetőipar első éveiben a bipoláris csomópontú tranzisztorokra (BJT) összpontosítottak . A csomópont tranzisztor azonban viszonylag terjedelmes eszköz volt, amelyet nehéz volt tömegtermelésben gyártani , ami számos speciális alkalmazásra korlátozódott. A FET -eket elméletileg a csomópont -tranzisztorok lehetséges alternatívájaként fogalmazták meg, de a kutatók nem tudtak gyakorlati FET -eket építeni, nagyrészt a zavaró felszíni állapotgát miatt, amely megakadályozta a külső elektromos mező behatolását az anyagba. Az 1950 -es években a kutatók nagyrészt feladták a FET koncepciót, és inkább a BJT technológiára összpontosítottak.

1955-ben, Carl Frosch és Lincoln Derrick véletlenül borított felületére szilícium ostya egy réteg szilícium-dioxid . Ennek az oxidrétegnek a későbbi kísérleti jellemzésében azt találták, hogy ez megakadályozta bizonyos adalékanyagok belépését a szilíciumlapkába (annak ellenére, hogy másoknak is engedte), és ezáltal felfedezték a felületi oxidációs réteg passziváló hatását ezen a félvezetőn. További munkájuk kimutatta, hogy apró nyílásokat maratnak az oxidrétegbe, hogy az adalékanyagokat a szilíciumlapka pontosan szabályozott területeibe juttassák. 1957 -ben publikáltak egy tanulmányt és szabadalmaztatták a munkájukat összefoglaló technikájukat. Az általuk kifejlesztett technikát oxid -diffúziós maszkolásnak nevezik, amelyet később a MOSFET -eszközök gyártásánál fognak használni . A Bell Labs -nál a Frosch -technika fontossága azonnal rájött, mivel a szilícium -oxidok sokkal stabilabbak, mint a germánium -oxidok, jobb dielektromos tulajdonságaik vannak, és ugyanakkor diffúziós maszkként is használhatók. Munkájuk eredményei BTL -jegyzetek formájában keringtek a Bell Labs körül 1957 -es közzétételük előtt. A Shockley Semiconductorban Shockley 1956 decemberében kiosztotta cikkük előnyomtatványát minden vezető személyzetének, köztük Jean Hoerni -nek .

Találmány

Mohamed M. Atalla (balra) és Dawon Kahng (jobbra) találták fel a MOSFET -et 1959 -ben.

Mohamed M. Atalla a Bell Labsnál a felszíni állapotok problémájával foglalkozott az 1950 -es évek végén. Felvette Frosch munka oxidációs, megpróbálja passziválja felületén a szilícium keresztül kialakulását oxidréteg rajta. Úgy vélte, hogy egy nagyon vékony, kiváló minőségű, termikusan termesztett Si O 2 termesztése tiszta szilícium ostya tetejére eléggé semlegesíti a felszíni állapotokat ahhoz, hogy gyakorlatilag működő terepi hatású tranzisztor legyen. Megállapításait 1957 -ben írta BTL jegyzeteiben, majd 1958 -ban bemutatta munkáját egy Elektrokémiai Társaság ülésén. Ez egy fontos fejlesztés volt, amely lehetővé tette a MOS technológiát és a szilícium integrált áramkör (IC) chipeket. A következő évben John L. Moll leírta a Stanford Egyetem MOS kondenzátorát . Atalla munkatársainak, JR Ligenzának és WG Spitzernek, akik a termikusan termesztett oxidok mechanizmusát tanulmányozták, sikerült kiváló minőségű Si/ SiO 2 köteget gyártaniuk, Atalla és Kahng pedig felhasználta eredményeiket.

A MOSFET -et akkor találták ki, amikor Mohamed Atalla és Dawon Kahng 1959 novemberében sikeresen legyártották az első működő MOSFET -eszközt . Az eszközre két szabadalom vonatkozik, amelyeket Atalla és Kahng külön beadott 1960 márciusában. Eredményeiket 1960 júniusában tették közzé. Szilárdtest-eszköz konferencia a Carnegie Mellon Egyetemen . Ugyanebben az évben Atalla javasolta a MOSFET -ek használatát az MOS integrált áramkörű (MOS IC) chipek gyártásához, megjegyezve a MOSFET egyszerű gyártását.

Kereskedelmezés

A MOSFET előnye az volt, hogy viszonylag kompakt és könnyen gyártható tömegben a versenytárs síkcsomópont-tranzisztorhoz képest, de a MOSFET gyökeresen új technológiát képviselt, amelynek bevezetéséhez meg kellett volna vetni a Bell által elért haladást. bipoláris junction tranzisztor (BJT). A MOSFET kezdetben lassabb és kevésbé megbízható volt, mint a BJT.

Az 1960 -as évek elején a MOS technológia kutatási programjait a Fairchild Semiconductor , az RCA Laboratories , a General Microelectronics ( Frank Wanlass korábbi mérnök vezetésével ) és az IBM hozta létre . 1962 -ben Steve R. Hofstein és Fred P. Heiman az RCA -n építették az első MOS integrált áramköri chipet. A következő évben összegyűjtötték az összes korábbi munkát a FET -ekről, és elméletet adtak a MOSFET működéséről. A CMOS- t Chih-Tang Sah és Frank Wanlass fejlesztette ki a Fairchildben 1963-ban. Az első CMOS integrált áramkört később 1968-ban építette Albert Medwin .

Az első hivatalos nyilvános bejelentést a MOSFET létét, mint potenciális technológia került sor 1963-ban volt, akkor az első kereskedelmi forgalomba Általános Mikroelektronika 1964. májusi majd Fairchild októberben 1964 GME első MOS szerződés volt NASA , amely korábban MOSFET az űrhajók és műholdak az Interplanetary Monitoring Platform (IMP) programban és az Explorers Programban . A General Microelectronics és a Fairchild által forgalmazott korai MOSFET-ek p-csatornás ( PMOS ) eszközök voltak logikai és kapcsolási alkalmazásokhoz. A hatvanas évek közepére az RCA MOSFET-eket használt fogyasztói termékeiben, beleértve az FM-rádiót , a televíziót és az erősítőket . 1967-ben a Bell Labs kutatói, Robert Kerwin, Donald Klein és John Sarace kifejlesztették az önbeálló kapu (szilikonkapu) MOS tranzisztorát, amelyet a Fairchild kutatói, Federico Faggin és Tom Klein integrált áramkörökhöz igazítottak 1968-ban.

MOS forradalom

A MOSFET kifejlesztése az elektronikai technológia forradalmához vezetett , amelyet MOS forradalomnak vagy MOSFET forradalomnak neveztek, és amely elősegítette a korai félvezetőipar technológiai és gazdasági növekedését .

A MOSFET hatása az 1960 -as évek végétől kereskedelmi szempontból jelentős lett. Ez forradalomhoz vezetett az elektronikai iparban , amely azóta szinte minden tekintetben befolyásolta a mindennapi életet. A MOSFET feltalálását a modern elektronika születéseként emlegették, és központi szerepet játszott a mikroszámítógépek forradalmában.

Fontosság

A MOSFET a modern elektronika alapját képezi, és a legtöbb modern elektronikus berendezés alapeleme . Ez a leggyakoribb tranzisztor az elektronikában, és a világon a leggyakrabban használt félvezető eszköz . A 20. század végétől a 21. század elejéig "az elektronikai ipar munka lójának" és "alaptechnológiájának" nevezték. A MOSFET skálázás és miniatürizálás (lásd a félvezető skála példáinak listáját ) voltak az elsődleges tényezők az elektronikus félvezető technológia gyors, exponenciális növekedése mögött az 1960 -as évek óta, mivel a MOSFET -ek gyors miniatürizálása nagymértékben felelős a növekvő tranzisztor sűrűségért , a teljesítmény növeléséért és csökkenéséért energiafogyasztás az integrált áramköri chipek és elektronikus eszközök 1960 óta.

A MOSFET -ek nagy skálázhatóságra képesek ( Moore -törvény és Dennard -skála ), növekvő miniatürizálással , és könnyen méretezhetők kisebb méretekre. Lényegesen kevesebb energiát fogyasztanak, és sokkal nagyobb sűrűséget tesznek lehetővé, mint a bipoláris tranzisztorok. A MOSFET-ek sokkal kisebbek lehetnek, mint a BJT-k, a méret körülbelül huszadrésze a kilencvenes évek elejére. A MOSFET -ek gyorsabb kapcsolási sebességgel is rendelkeznek, a gyors ki- és bekapcsoló elektronikus kapcsolással , ami ideális impulzusvonatok generálásához , a digitális jelek alapjául . ellentétben a BJT -kkel, amelyek lassabban generálnak szinuszhullámokra emlékeztető analóg jeleket . A MOSFET -ek olcsóbbak és viszonylag egyszerű feldolgozási lépésekkel rendelkeznek, ami magas termelési hozamot eredményez . A MOSFET-ek így lehetővé teszik a nagyszabású integrációt (LSI), és ideálisak digitális áramkörökhöz , valamint lineáris analóg áramkörökhöz .

A MOSFET -et többféleképpen írták le, mint a legfontosabb tranzisztorokat , az elektronikai ipar legfontosabb eszközeit, vitathatatlanul a számítástechnikai ipar legfontosabb eszközeit, a félvezető -technológia egyik legfontosabb fejlesztését , és talán az elektronika legfontosabb találmányát. A MOSFET a modern digitális elektronika alapvető építőköve volt a digitális forradalom , az információs forradalom , az információs és a szilíciumkorszak idején . A MOSFET -ek voltak a hajtóerő a számítógépes forradalom és az általa lehetővé tett technológiák mögött . Az elektronikai ipar gyors fejlődését a 20. század végén és a 21. század elején a gyors MOSFET skálázással ( Dennard -skála és Moore -törvény ) érte el , egészen a 21. század elejének nanoelektronikai szintjéig . A MOSFET forradalmasította a világot az információs korban: nagy sűrűsége lehetővé tette, hogy a számítógép néhány kis IC -chipen létezzen, ahelyett, hogy betöltené a helyiséget, és később lehetővé tette a digitális kommunikációs technológiák, például az okostelefonok használatát .

A MOSFET a történelem legszélesebb körben gyártott készüléke . A MOSFET generál éves forgalma $ 295 milliárd a 2015 1960 és 2018-ban, a becslések szerint összesen 13 sextillion MOS tranzisztorok gyártották, számviteli legalább 99,9% -a az összes tranzisztort tartalmaz. A digitális integrált áramkörök, például a mikroprocesszorok és a memóriaeszközök ezer -milliárd integrált MOSFET -et tartalmaznak minden eszközön, biztosítva a logikai kapuk és az adattárolás megvalósításához szükséges alapvető kapcsolási funkciókat . Vannak olyan memóriaeszközök is, amelyek legalább billió MOS tranzisztorral rendelkeznek, például egy 256 GB -os microSD memóriakártya , amely nagyobb, mint a Tejút galaxis csillagainak száma . 2010 -től a modern MOSFET -ek működési elvei nagyjából ugyanazok maradtak, mint az eredeti MOSFET, amelyet először Mohamed Atalla és Dawon Kahng mutatott be 1960 -ban.   

Az Egyesült Államok Szabadalmi és Védjegyhivatala a MOSFET -et "úttörő találmánynak nevezi, amely megváltoztatta az életet és a kultúrát szerte a világon", a Computer History Museum pedig "visszavonhatatlanul megváltoztatja az emberi tapasztalatokat". A MOSFET alapja volt a Nobel- díjas áttöréseknek is, mint például a kvantum-Hall-effektus és a töltéskapcsolt eszköz (CCD), bár magának a MOSFET-nek soha nem adtak Nobel-díjat. Egy 2018 feljegyzést Jack Kilby „s fizikai Nobel-díjat a maga részéről a találmány az integrált áramkör, a Svéd Királyi Tudományos Akadémia kifejezetten említette a MOSFET és a mikroprocesszor más fontos találmányok alakulását mikroelektronika . A MOSFET szintén szerepel az elektronika IEEE mérföldköveinek listáján, feltalálói, Mohamed Atalla és Dawon Kahng 2009 -ben léptek be a National Inventors Hall of Fame -be .

Fogalmazás

Fénymikrográf két fémkapu MOSFET-ről tesztmintában. Két kapu és három forrás/leeresztő csomópont szondapárnái meg vannak jelölve.

Általában a félvezető a szilícium . A közelmúltban néhány chipgyártó, különösen az IBM és az Intel , elkezdett szilícium és germánium ( SiGe ) vegyületet használni a MOSFET csatornákban. Sajnos sok félvezető, amelyek a szilíciumnál jobb elektromos tulajdonságokkal rendelkeznek, mint például a gallium-arzenid , nem képeznek jó félvezető-szigetelő interfészeket, és így nem alkalmasak MOSFET-ekhez. Folytatódik a kutatás más félvezető anyagokon elfogadható elektromos jellemzőkkel rendelkező szigetelők létrehozására.

A kapuáram-szivárgás miatti megnövekedett energiafogyasztás leküzdésére szilícium-dioxid helyett magas κ dielektrikumot használnak a kapu szigetelésére, míg a poliszilíciumot fémkapuk váltják fel (pl. Intel , 2009).

A kaput vékony szigetelő réteg választja el a csatornától, hagyományosan szilícium -dioxidból, később szilícium -oxinitridből . Néhány vállalat elkezdte bevezetni a magas κ dielektromos és fémkapu kombinációt a 45 nanométeres csomópontban.

Amikor feszültséget alkalmaznak a kapu és a test kivezetései között, a keletkező elektromos mező áthatol az oxidon, és inverziós réteget vagy csatornát hoz létre a félvezető-szigetelő interfészen, ami miatt ez az alkatrész kevésbé p típusú lesz, és megnyitja az utat a vezetéshez az áram következtében fellépő feszültségnövekedés a kapu és a test között, ami kiszorítja a lyukakat, és mozdulatlan hordozóréteget hoz létre, amelyek negatív töltésűek. Az inverziós réteg egy csatornát biztosít, amelyen keresztül áram folyhat a forrás és a leeresztő terminálok között. A kapu és a test közötti feszültség változtatása modulálja ennek a rétegnek a vezetőképességét , és ezáltal szabályozza az áramlást a lefolyó és a forrás között. Ezt nevezik javítási módnak.

Művelet

Fém-oxid-félvezető szerkezet p-típusú szilíciumon

Fém -oxid -félvezető szerkezet

A hagyományos fém -oxid -félvezető (MOS) szerkezetet szilícium -dioxid ( SiO) réteg növesztésével nyerik.
2
) szilícium -hordozóra, általában termikus oxidációval és egy réteg fém vagy polikristályos szilícium lerakásával (ez utóbbi általában használatos). Mivel a szilícium -dioxid dielektromos anyag, szerkezete megegyezik egy sík kondenzátorral , az egyik elektródát félvezetővel helyettesítve .

Amikor egy MOS szerkezeten feszültséget alkalmaznak, az módosítja a töltések eloszlását a félvezetőben. Ha figyelembe vesszük a p típusú félvezetőt ( az akceptorok sűrűségével , p a lyukak sűrűségével; p = N A semleges ömlesztve), akkor a pozitív feszültség a kaputól a testig (lásd az ábrát) kimerítő réteget hoz létre a pozitív töltésű lyukak a kapu-szigetelő/félvezető interfészektől távol, így szabadon maradnak a mozdulatlan, negatív töltésű akceptorionok hordozómentes régiója (lásd dopping (félvezető) ). Ha elég magas, akkor a negatív töltéshordozók nagy koncentrációja alakul ki egy inverziós rétegben, amely egy vékony rétegben helyezkedik el a félvezető és a szigetelő közötti interfész mellett.

Hagyományosan azt a kapufeszültséget, amelynél az inverziós réteg elektronjainak térfogatsűrűsége megegyezik a test lyukainak térfogatsűrűségével, küszöbfeszültségnek nevezzük . Ha a tranzisztor kapuja és a forrás ( V GS ) közötti feszültség meghaladja a küszöbfeszültséget ( V th ), a különbséget túlhajtási feszültségnek nevezzük .

Ez a p-típusú testtel rendelkező szerkezet az n-típusú MOSFET alapja, amelyhez n-típusú forrás- és leeresztő régiók hozzáadása szükséges.

MOS kondenzátorok és sávdiagramok

Az MOS kondenzátor szerkezete a MOSFET szíve. Tekintsünk egy MOS kondenzátort, ahol a szilícium alap p-típusú. Ha pozitív feszültséget alkalmaznak a kapun, akkor a p-típusú hordozó felületén lévő lyukakat az alkalmazott feszültség által generált elektromos mező taszítja. Először a lyukakat egyszerűen taszítják, és ami a felszínen marad, azok az akceptor típusú mozdulatlan (negatív) atomok lesznek, ami kimerülési régiót hoz létre a felületen. Ne feledje, hogy egy lyukat egy akceptor atom, például a bór hoz létre, amely eggyel kevesebb elektronnal rendelkezik, mint a szilícium. Felmerülhet a kérdés, hogyan lehet elhárítani a lyukakat, ha valójában nem entitások? A válasz az, hogy valójában nem az történik, hogy egy lyukat taszítanak, hanem az elektronokat vonzza a pozitív mező, és kitölti ezeket a lyukakat, létrehozva egy kimerülési régiót, ahol nincsenek töltéshordozók, mert az elektron most az atomhoz van rögzítve és mozdulatlan.

Ahogy a kapu feszültsége nő, lesz egy pont, ahol a kimerülési terület feletti felület p-típusúból n-típusúvá alakul, mivel az ömlesztett terület elektronjai vonzódni kezdenek a nagyobb elektromos mezőhöz. Ezt inverziónak nevezik . A küszöbfeszültség, amelynél ez az átalakítás történik, a MOSFET egyik legfontosabb paramétere.

Egy p-típusú ömlesztett anyag esetében az inverzió akkor következik be, amikor a felszín belső energiaszintje kisebb lesz, mint a felület Fermi-szintje . Ezt láthatjuk egy sávdiagramon. Ne feledje, hogy a Fermi -szint határozza meg a tárgyalt félvezető típusát. Ha a Fermi szint megegyezik a belső szinttel, akkor a félvezető belső vagy tiszta típusú. Ha a Fermi szint közelebb van a vezetési sávhoz (vegyértéksáv), akkor a félvezető típus n-típusú (p-típusú) lesz. Ezért, ha a kapu feszültségét pozitív értelemben növeljük (az adott példában), ez "meghajlítja" a belső energiaszint -sávot, és lefelé ível a vegyértéksáv felé. Ha a Fermi szint közelebb van a vegyértéksávhoz (p-típus esetén), akkor egy pont, amikor a belső szint elkezdi átlépni a Fermi szintet, és amikor a feszültség eléri a küszöbfeszültséget, a belső szint keresztezi a Fermi szintet , és ezt nevezzük inverziónak. Ekkor a félvezető felülete p-típusúról n-típusúra fordul. Ne feledje, hogy amint a fentiekben említettük, ha a Fermi szint a belső szint felett van, akkor a félvezető n típusú, ezért inverziónál, amikor a belső szint eléri és átlépi a Fermi szintet (amely közelebb van a vegyértéksávhoz), a félvezető típusváltozások a felszínen, a Fermi és a belső energiaszintek egymáshoz viszonyított helyzetének függvényében.

Szerkezet és csatorna kialakulása

A csatorna kialakulása az nMOS MOSFET -ben sávdiagramként látható : Felső panelek: Az alkalmazott kapufeszültség meghajlítja a sávokat, kimeríti a lyukakat a felületről (bal oldalon). A hajlítást kiváltó töltést egy negatív akceptor-ion töltésréteg kiegyenlíti (jobbra). Alsó panel: A nagyobb feszültség tovább csökkenti a lyukakat, de a vezetési sáv eléggé csökkenti az energiát egy vezető csatorna feltöltéséhez
C – V profil tömeges MOSFET -hez, különböző oxidvastagsággal. A görbe bal szélső része a felhalmozódásnak felel meg. A középső völgy a kimerülésnek felel meg. A jobb oldali görbe az inverziónak felel meg

A MOSFET a töltéskoncentráció modulálásán alapul a test -elektróda és a test fölött elhelyezkedő kapuelektróda közötti MOS -kapacitással, amelyet az összes többi eszközrészről egy kapu dielektromos réteg szigetel . Ha nem dielektromos anyagokat használnak, akkor az eszközt fémszigetelő-félvezető FET-nek (MISFET) nevezhetjük. A MOS kondenzátorhoz képest az MOSFET két további csatlakozót ( forrás és leeresztő ) tartalmaz, amelyek mindegyike a testrégióval elválasztott, erősen adalékolt régiókhoz kapcsolódik. Ezek a régiók lehetnek p vagy n típusúak, de mindkettőnek azonos típusúnak és a testrégióval ellentétes típusúnak kell lennie. A forrás és a lefolyó (a testtel ellentétben) erősen adalékolt, amint azt a "+" jel jelzi a doppingtípus után.

Ha a MOSFET egy n-csatorna vagy nMOS FET, akkor a forrás és a lefolyó n+ régió, a törzs pedig egy p régió. Ha a MOSFET egy p-csatorna vagy pMOS FET, akkor a forrás és a lefolyó p+ régiók, a törzs pedig n régió. A forrást azért nevezték így, mert a töltéshordozók forrása (elektronok az n-csatornához, lyukak a p-csatornához), amelyek átfolynak a csatornán; hasonlóképpen a lefolyó az, ahol a töltéshordozók elhagyják a csatornát.

A félvezető energiasávjainak elfoglaltságát a Fermi szint helyzete határozza meg a félvezető energiaszalag éleihez képest.

Megfelelő kapufeszültség mellett a vegyérték -szalag szélét messze a Fermi -szinttől távolítják el, és a testből származó lyukakat eltávolítják a kaputól.

Még nagyobb kapu-torzításnál, a félvezető felület közelében a vezetési sáv szélét a Fermi-szint közelébe hozzák, és a felületet inverziós rétegben vagy n-csatornás elektronokkal töltik fel a p-régió és az oxid közötti határfelületen. Ez a vezető csatorna a forrás és a lefolyó között húzódik, és áram folyik rajta, amikor feszültséget adnak a két elektróda közé. A kapu feszültségének növelése az inverziós réteg nagyobb elektronsűrűségéhez vezet, és ezért növeli az áramlást a forrás és a lefolyó között. A küszöbérték alatti kapufeszültségeknél a csatorna enyhén lakott, és csak nagyon kicsi küszöb alatti szivárgási áram folyhat a forrás és a lefolyó között.

Ha negatív kapu-forrás feszültséget alkalmaznak, akkor az n régió felszínén p-csatornát hoznak létre , hasonlóan az n-csatornás esethez, de a töltések és feszültségek ellentétes polaritásúak. Ha a küszöbértéknél kisebb negatív feszültséget (a p-csatorna negatív feszültsége) alkalmaznak a kapu és a forrás között, a csatorna eltűnik, és csak nagyon kicsi küszöb alatti áram folyhat a forrás és a lefolyó között. Az eszköz tartalmazhat szilícium szigetelőeszközt , amelyben egy vékony félvezető réteg alatt egy eltemetett oxid képződik. Ha a csatorna tartománya a kapu dielektromos és a betemetett oxid tartomány között nagyon vékony, akkor a csatornát ultravékony csatorna régiónak nevezzük, amelynek forrás- és leeresztési területei a vékony félvezető réteg mindkét oldalán vagy felett vannak kialakítva. Más félvezető anyagok is használhatók. Ha a forrás- és lefolyóterületeket részben vagy egészben a csatorna felett alakítják ki, akkor emelt forrás-/leeresztési területeknek nevezzük őket.

N- és p-típusú MOSFET-ek összehasonlítása
Paraméter nMOSFET pMOSFET
Forrás/lefolyó típusa n-típusú p-típusú
Csatorna típusa
(MOS kondenzátor)
n-típusú p-típusú
Kapu
típusa
Poliszilícium n+ p+
Fém φ m ~ Si vezetési sáv φ m ~ Si valencia sáv
Nos típus p-típusú n-típusú
Küszöbfeszültség, V th
Sávhajlítás Lefelé Felfelé
Inverziós rétegvivők Elektronok Lyukak
Aljzat típusa p-típusú n-típusú

Működési módok

Forrás a testhez kötött a test torzításának elkerülése érdekében: alküszöb (bal felső), ohmos üzemmód (jobb felső), aktív mód a lecsípés kezdetén (bal alsó), és az aktív mód a lecsúszásig (jobb alsó). A csatornahossz moduláció nyilvánvaló.
Példa egy n-csatornás MOSFET alkalmazására. A kapcsoló megnyomásakor a LED világít.

A MOSFET működése három különböző üzemmódra bontható, a csatlakozók feszültségétől függően. A következőkben egy egyszerűsített algebrai modellt használunk. A modern MOSFET jellemzők összetettebbek, mint az itt bemutatott algebrai modell.

Egy javítási módú, n-csatornás MOSFET esetében a három működési mód a következő:

Vágás, alküszöb és gyenge inverziós mód (n-csatornás MOSFET)

Amikor V GS < V th :

ahol van kapu és a forrás közötti torzítás és a küszöb feszültség a készülék.

Az alap küszöbmodell szerint a tranzisztor ki van kapcsolva, és nincs vezetés a lefolyó és a forrás között. Egy pontosabb modell figyelembe veszi a hőenergia hatását az elektronenergiák Fermi – Dirac eloszlására , amely lehetővé teszi, hogy a forrásnál levő több energiájú elektron belépjen a csatornába, és a csatornába áramoljon. Ez alulküszöbű áramot eredményez, amely a kapu -forrás feszültség exponenciális függvénye. Míg a lefolyó és a forrás közötti áramnak ideális esetben nullának kell lennie, amikor a tranzisztor kikapcsolt kapcsolója, akkor gyenge inverziós áram van, amelyet néha küszöb alatti szivárgásnak neveznek.

Gyenge inverzió esetén, ahol a forrás tömegesen van kötve, az áram exponenciálisan változik, a következők szerint:

ahol = áram at , a hőfeszültséget és az n meredekségtényezőt a következők adják meg:

with = a kimerülőréteg kapacitása és = az oxidréteg kapacitása. Ezt az egyenletet általában használják, de ez csak megfelelő közelítés a tömeghez kötött forráshoz. A tömegesen nem kötött forrás esetében a telítettség lefolyási áramának alsó küszöbértéke

ahol az a csatornaelosztó, amelyet a következő ad:

with = a kimerülőréteg kapacitása és = az oxidréteg kapacitása. Egy hosszúcsatornás eszközben nincs egyszeri lefolyási feszültségfüggés , de mivel a csatornahossz csökken, a leeresztés okozta gátsüllyesztés bevezeti az elvezetési feszültség függését, amely komplex módon függ az eszköz geometriájától (például a csatorna doppingolásától) , az elágazás doppingja és így tovább). Gyakran, küszöb feszültség V th erre mód van definiálva, mint a kapu feszültség, amelynél a kiválasztott értéket az aktuális I D0 történik például akkor, I D0 = 1 uA, amely nem lehet azonos V th -érték használt egyenleteit a következő módokat.  

Egyes mikroteljesítményű analóg áramköröket úgy tervezték, hogy kihasználják a küszöb alatti vezetést. A gyenge inverziós régióban dolgozva ezekben az áramkörökben a MOSFET-ek a lehető legnagyobb transzkonduktivitás-áram arányt nyújtják, nevezetesen: majdnem a bipoláris tranzisztorét.

Az I – V küszöb alatti görbe exponenciálisan függ a küszöbfeszültségtől, és erősen függ a küszöbfeszültséget befolyásoló gyártási változásoktól; például: az oxid vastagságának, a csomópont mélységének vagy a test doppingjának eltérései, amelyek megváltoztatják a lefolyás által kiváltott akadályok leeresztésének mértékét. A gyártási variációk iránti érzékenység bonyolítja a szivárgás és a teljesítmény optimalizálását.

MOSFET leeresztőáram vs. lefolyó-forrás feszültség több érték esetén ; a lineáris ( ohmikus ) és a telítettségi ( aktív ) mód közötti határt a felfelé ívelő parabola jelzi
A lineáris (ohmikus) régióban működő MOSFET keresztmetszete; erős inverziós régió a lefolyó közelében is
A telítési (aktív) régióban működő MOSFET keresztmetszete; csatorna mutat csatorna csípés közelében lefolyó
Trióda mód vagy lineáris régió, más néven ohmos üzemmód (n-csatornás MOSFET)

Ha V GS > V -én és V DS < V GS  - V th :

A tranzisztor be van kapcsolva, és egy csatorna jött létre, amely lehetővé teszi az áramot a lefolyó és a forrás között. A MOSFET ellenállásként működik, amelyet a kapu feszültsége vezérel mind a forrás, mind a leeresztő feszültséghez képest. A lefolyótól a forrásig terjedő áram a következőképpen van modellezve:

ahol a töltéshordozó hatékony mobilitása, a kapu szélessége, a kapu hossza és a kapu-oxid kapacitása egységnyi területen. Az exponenciális alsó küszöbértékű régióról a triódarészre való átmenet nem olyan éles, mint az egyenletek sugallják.

Telítettség vagy aktív mód (n-csatornás MOSFET)

Amikor V GS > V th és V DS ≥ (V GS  - V th ):

A kapcsoló be van kapcsolva, és létrejött egy csatorna, amely áramot enged a lefolyó és a forrás között. Mivel a leeresztési feszültség magasabb, mint a forrásfeszültség, az elektronok szétterülnek, és a vezetés nem egy keskeny csatornán, hanem egy szélesebb, két- vagy háromdimenziós áramelosztáson keresztül történik, amely az interfésztől távolabb és az aljzat mélyén helyezkedik el. Ennek a régiónak a kezdete pinch-off néven is ismert, ami azt jelzi, hogy nincs csatorna régió a lefolyó közelében. Bár a csatorna nem nyúlik ki a készülék teljes hosszát, a lefolyó és a csatorna közötti elektromos mező nagyon magas, és a vezetés folytatódik. A leeresztő áram gyengén függ a lefolyó feszültségétől, és elsősorban a kapu -forrás feszültsége vezérli, és megközelítőleg a következőképpen modellezett:

A λ-t, a csatornahossz-modulációs paramétert magában foglaló kiegészítő tényező modellezi a csatornahossz-moduláció miatti áramfüggést a lefolyófeszültségtől , gyakorlatilag hasonló a bipoláris eszközöknél tapasztalt Early-hatáshoz . Ennek az egyenletnek megfelelően, a MOSFET transzkonduktancia egyik legfontosabb tervezési paramétere:

ahol a V ov = V GS  - V th kombinációt túlhajtási feszültségnek nevezik , és ahol a V DSsat = V GS  - V th egy kis megszakítást jelent, amely egyébként a trióda és a telítettségi régiók közötti átmenetnél jelentkezik.

Egy másik kulcsfontosságú tervezési paraméter a MOSFET kimeneti ellenállása, amelyet a következők adnak:

.

r out a g DS inverze ahol . I D a telítettségi régió kifejezése.

Ha λ -t nullának vesszük, a kapott végtelen kimeneti ellenállás egyszerűsítheti az áramkör elemzését, azonban ez irreális áramkör -előrejelzésekhez vezethet, különösen az analóg áramkörökben.

Mivel a csatorna hossza nagyon rövid lesz, ezek az egyenletek meglehetősen pontatlanok lesznek. Új fizikai hatások jelentkeznek. Például a hordozó szállítása aktív módban korlátozott lehet a sebesség telítettségével . Ha a sebesség telítettsége dominál, akkor a telítettség -elvezetési áram V V -nél inkább lineáris, mint másodfokú . Még rövidebb hosszakon a fuvarozók közel nulla szórással szállítanak , kvázi ballisztikus szállítás néven . A ballisztikus rendszerben a hordozók olyan injekciós sebességgel haladnak, amely meghaladhatja a telítési sebességet, és nagy inverziós töltéssűrűség mellett megközelíti a Fermi -sebességet . Ezenkívül az elvezetés által kiváltott akadályok csökkentése növeli az off-state (cutoff) áramot, és a küszöbfeszültség növelését igényli a kompenzáláshoz, ami viszont csökkenti a telítési áramot.

Testhatás

A testhatást bemutató sávdiagram. A V SB felosztja az F n Fermi -szinteket az elektronoknál és az F p a lyukaknál, ezért nagyobb V GB szükséges a vezetési sáv feltöltéséhez egy nMOS MOSFET -ben

A félvezető energiasávjainak elfoglaltságát a Fermi szint helyzete határozza meg a félvezető energiaszalag éleihez képest. A forrás-szubsztrátum fordított előfeszítésének alkalmazása a forrás-test pn-elágazásnál szétválasztást eredményez a Fermi-szintek között az elektronok és lyukak esetében, a csatorna Fermi-szintjét a sáv szélétől távolabb mozgatva, csökkentve a csatorna kihasználtságát. A hatás az, hogy növeli a csatorna létrehozásához szükséges kapufeszültséget, amint az az ábrán látható. Ezt a csatornaerősség -változást fordított elfogultság alkalmazásával „testhatásnak” nevezik.

Egyszerűen fogalmazva, egy nMOS példát használva, a kapu-test torzítás V GB pozícionálja a vezetési sáv energiaszintjét, míg a forrás-test torzítás V SB az elektron Fermi szintet az interfész közelében, és e szintek elfoglaltságát határozza meg az interfészt, és ebből következően az inverziós réteg vagy csatorna erősségét.

A csatorna testre gyakorolt ​​hatása a küszöbfeszültség módosításával írható le, közelítve a következő egyenlettel:

VTB = VT0, ha VSB = 0, azaz küszöbfeszültség a kapu és a test kivezetésein.

ahol V TB a küszöbfeszültség, szubsztrát előfeszítéssel, és V T0 a küszöbfeszültség nulla- V SB értéke, a testhatás paramétere, és 2 φ B a hozzávetőleges potenciális esés a felszín és a tömegek között a kimerülési rétegen keresztül V SB = 0 és a kapu torzítása elegendő a csatorna jelenlétének biztosításához. Mivel ez az egyenlet azt mutatja, a fordított előfeszítő V SB > 0 növekedést okoz küszöbfeszültség V TB , és ezért követeli egy nagyobb gate feszültség, mielőtt a csatorna feltölti.

A karosszéria második kapuként is működtethető, és néha "hátsó kapunak" is nevezik; a testhatást néha "hátsó kapueffektusnak" nevezik.

Áramkör szimbólumok

MOSFET és JFET áramkör szimbólumok
P-csatorna JFET P-Channel Labeled.svg IGFET P-Ch Enh Labeled.svg IGFET P-Ch Enh Címkézett egyszerűsített.svg Mosfet P-Ch Sedra.svg IGFET P-Ch Dep Labeled.svg
N-csatorna JFET N-Channel Labeled.svg IGFET N-Ch Enh Labeled.svg IGFET N-Ch Enh Címkézett egyszerűsített.svg Mosfet N-Ch Sedra.svg IGFET N-Ch Dep Labeled.svg
JFET MOSFET
javítási
mód
MOSFET
fejlesztési
mód (tömegesen)
MOSFET
kimerülési
mód

A MOSFET -hez különféle szimbólumokat használnak. Az alapfelépítés általában a csatorna egy vonala, ahol a forrás és a lefolyó derékszögben hagyja, majd derékszögben visszahajlik a csatornával azonos irányba. Néha három vonalszegmenst használnak a javítási módhoz, és egy folytonos vonalat a kimerülési módhoz (lásd a kimerítési és javítási módokat ). Egy másik vonalat húzunk párhuzamosan a kapu csatornájával.

A tömeges vagy szerv kapcsolatot, ha látható, látható csatlakozik a hátsó a csatorna egy nyíllal pMOS vagy nMOS. A nyilak mindig P-ből N-be mutatnak, így az NMOS (N-csatorna a P-lyukban vagy a P-szubsztrátumban) a nyíl befelé mutat (a tömegetől a csatornáig). Ha a tömeget a forráshoz csatlakoztatják (mint általában a diszkrét eszközök esetében), akkor néha szögben találkozik a tranzisztorból kilépő forrással. Ha a tömeget nem tüntetik fel (ahogy az IC tervezésnél gyakran előfordul, mivel általában tömeges), akkor néha inverziós szimbólumot használnak a PMOS jelzésére, vagy a forráson lévő nyíl használható ugyanúgy, mint a bipoláris tranzisztorok esetében ( ki nMOS esetén, be pMOS esetén).

A javítási módú és a kimerülési módú MOSFET szimbólumok, valamint a JFET szimbólumok összehasonlítása a jelen táblázatban található. A szimbólumok tájolása, leginkább a forrás helyzete a lefolyóhoz képest olyan, hogy a vázlatos oldalon több pozitív feszültség jelenik meg magasabbnak, mint a kevésbé pozitív feszültség, ami azt jelenti, hogy az oldalon "le" áramlik az áram.

A sematikus ábrákon, ahol G, S és D nincsenek megjelölve, a szimbólum részletes jellemzői jelzik, melyik terminál a forrás, és melyik a lefolyó. A javítási és kimerülési módú MOSFET szimbólumok esetében (a második és az ötödik oszlopban) a forrás terminál a nyílhegyhez csatlakozó. Ezenkívül ezen az ábrán a kapu "L" alakban jelenik meg, amelynek bemeneti lába közelebb van S -hez, mint D, és azt is jelzi, hogy melyik melyik. Ezek a szimbólumok azonban gyakran "T" alakú kapuval vannak rajzolva (mint máshol ezen az oldalon), ezért a nyílhegyre kell támaszkodni a forrásterminál jelzésére.

Azok a szimbólumok, amelyekben a tömeget vagy a test terminált ábrázolják, itt a forrással belső kapcsolatban vannak (azaz a fekete nyílhegy a 2. és 5. oszlop diagramjain). Ez egy tipikus konfiguráció, de korántsem az egyetlen fontos konfiguráció. Általánosságban elmondható, hogy a MOSFET négy terminálos eszköz, és az integrált áramkörökben a MOSFET-ek közül soknak testhálózati kapcsolata van, nem feltétlenül az összes tranzisztor forráskivezetéséhez.

A MOSFET típusai

PMOS és NMOS logika

A P-csatornás MOS (PMOS) logika p-csatornás MOSFET - eket használ a logikai kapuk és más digitális áramkörök megvalósításához . Az N-csatornás MOS (NMOS) logika n-csatornás MOSFET - eket használ a logikai kapuk és más digitális áramkörök megvalósításához.

Egyenáramú vezetési képességű eszközök esetén az n-csatornás MOSFET-ek kisebbek lehetnek, mint a p-csatornás MOSFET-ek, mivel a p-csatornás töltőhordozók ( lyukak ) kisebb mobilitással rendelkeznek, mint az n-csatornás töltőhordozók ( elektronok ), és csak egyet termelnek típusú MOSFET szilícium hordozóra olcsóbb és technikailag egyszerűbb. Ezek voltak a vezérelvek az NMOS logika tervezésében, amely kizárólag n-csatornás MOSFET-eket használ. A CMOS logikával ellentétben (figyelmen kívül hagyva a szivárgási áramot ) az NMOS logika akkor is fogyaszt áramot, ha nincs kapcsolás.

Mohamed Atalla és Dawon Kahng eredetileg a pMOS és az nMOS eszközöket demonstrálták 20 µm , majd 10 µm kapuhosszúsággal 1960 -ban. Eredeti MOSFET eszközeik 100 nm -es kapu -oxid vastagsággal is rendelkeztek . Az nMOS eszközök azonban nem voltak praktikusak, és csak a pMOS típus volt praktikus munkaeszköz. Néhány évvel később egy praktikusabb NMOS eljárást fejlesztettek ki. Az NMOS kezdetben gyorsabb volt, mint a CMOS , így az 1970 -es években az NMOS -t szélesebb körben használták számítógépekhez. A technológia fejlődésével a CMOS logika az 1980-as évek közepén kiszorította az NMOS logikát, hogy a digitális chipek preferált folyamatává váljon.

Kiegészítő MOS (CMOS)

A MOSFET-et a digitális komplementer fém-oxid-félvezető ( CMOS ) logikában használják, amely építőelemként p- és n-csatornás MOSFET-eket használ. A túlmelegedés komoly aggodalomra ad okot az integrált áramkörökben, mivel egyre több tranzisztor kerül egyre kisebb chipekbe. A CMOS logika csökkenti az energiafogyasztást, mivel nem folyik áram (ideális esetben), és így nem fogyaszt áramot , kivéve, ha a logikai kapuk bemeneteit kapcsolják. A CMOS ezt az áramcsökkentést úgy éri el, hogy minden nMOSFET -et kiegészít egy pMOSFET -el, és mindkét kaput és mindkét lefolyót összekapcsolja. A kapuk magas feszültsége az nMOSFET vezetését és a pMOSFET nem vezetését okozza, a kapuk alacsony feszültsége pedig fordított helyzetet okoz. A kapcsolási idő alatt, amikor a feszültség egyik állapotból a másikba megy, mindkét MOSFET rövid ideig vezet. Ez az elrendezés nagymértékben csökkenti az energiafogyasztást és a hőtermelést.

A CMOS-t Chih-Tang Sah és Frank Wanlass fejlesztette ki a Fairchild Semiconductorban 1963-ban. A CMOS alacsonyabb energiafogyasztással rendelkezett, de kezdetben lassabb volt, mint az 1970-es években a számítógépeknél szélesebb körben használt NMOS. 1978-ban a Hitachi bevezette az ikerkútú CMOS eljárást, amely lehetővé tette, hogy a CMOS megfeleljen az NMOS teljesítményének, kisebb energiafogyasztással. Az ikerkútú CMOS-folyamat végül megelőzte az NMOS-t, mint a számítógépek leggyakoribb félvezetőgyártási folyamatát a nyolcvanas években. Az 1970-es és 1980-as évekre a CMOS logika 7-  szer kevesebb energiát fogyasztott, mint az NMOS logika, és körülbelül 100 000-szer kevesebb energiát, mint a bipoláris tranzisztor-tranzisztor logika (TTL).

Kimerülési mód

Vannak kimerülési módú MOSFET-eszközök, amelyeket ritkábban használnak, mint a már ismertetett szabványos javító módú eszközöket. Ezek olyan MOSFET -eszközök, amelyek úgy vannak adalékolva, hogy a csatorna akkor is létezik, ha nulla feszültség van a kaputól a forrásig. A csatorna vezérléséhez negatív feszültséget alkalmaznak a kapun (n-csatornás eszköz esetén), lemerítve a csatornát, ami csökkenti az eszközön átfolyó áramot. Lényegében a kimerülési módú eszköz egyenértékű egy normálisan zárt (bekapcsolt) kapcsolóval, míg a javító módú eszköz egyenértékű egy normálisan nyitott (ki) kapcsolóval.

Mivel alacsony zajtényezőt az RF régióban, és jobb nyereség , ezek az eszközök gyakran előnyös bipolars az RF előtétprogramok például TV készletek.

A kimerülési módú MOSFET családok közé tartozik a BF960 a Siemens és a Telefunken , és a BF980 a 1980-as években a Philips (később NXP Semiconductors ), amelynek származékait még mindig használják az AGC és az RF keverők előlapjain.

Fém – szigetelő – félvezető mezőhatású tranzisztor (MISFET)

A fém – szigetelő – félvezető mezőhatástranzisztor vagy a MISFET általánosabb kifejezés, mint a MOSFET, és a szigetelt kapu mezőhatású tranzisztor (IGFET) szinonimája. Minden MOSFET MISFET, de nem minden MISFET MOSFET.

A MISFET kapu dielektromos szigetelője szilícium -dioxid MOSFET -ben, de más anyagok is alkalmazhatók. A kapu dielektrikuma közvetlenül a kapuelektróda alatt és a MISFET csatornája felett fekszik. A kifejezés fém történelmileg használják a kapu anyag, bár most általában erősen adalékolt poliszilícium vagy valamilyen más, nem-fém .

A szigetelő típusok a következők lehetnek:

  • Szilícium -dioxid, MOSFET -ekben
  • Szerves szigetelők (pl. Nem felhordott transz- poliacetilén ; cianoetil- pullulán , CEP), szerves alapú FET-ekhez.

Úszókapu MOSFET (FGMOS)

A lebegőkapu MOSFET (FGMOS) egy olyan típusú MOSFET, ahol a kapu elektromosan el van szigetelve, lebegő csomópontot hoz létre DC-ben, és számos másodlagos kaput vagy bemenetet helyeznek el az úszókapu (FG) felett, és elektromosan el vannak választva tőle. A lebegőkapu -MOSFET (FGMOS) első jelentését Dawon Kahng (az eredeti MOSFET feltalálója) és Simon Min Sze készített 1967-ben.

Az FGMOS-t általában úszókapu memóriacellaként , az EPROM , az EEPROM és a flash memóriák digitális tároló elemeként használják . Az FGMOS további felhasználási területei közé tartozik a neuronális számítási elem neurális hálózatokban , analóg tárolóelem, digitális potenciométerek és egy tranzisztoros DAC-ok .

Teljesítmény MOSFET

Két teljesítmény MOSFET a D2PAK felületszerelt csomagokat. Működési a kapcsolók, a fenti összetevők képesek fenntartani zárófeszültség 120 V az off állapotban, és végezzen folyamatos áram 30  A , a a állapotban, szétoszlott legfeljebb körülbelül 100  W és vezérlésére, terhelés több mint 2000 W- A skálán egy gyufaszál látható. 
Teljesítmény MOSFET keresztmetszete , négyzet alakú cellákkal. Egy tipikus tranzisztor több ezer cellából áll

A Power MOSFET -ek más szerkezetűek. A legtöbb tápegységhez hasonlóan a szerkezet függőleges és nem sík. Függőleges szerkezetet használva a tranzisztor képes fenntartani mind a nagy blokkoló feszültséget, mind a nagy áramot. A tranzisztor feszültsége az N- epitaxiális réteg adalékolásának és vastagságának függvénye (lásd a keresztmetszetet), míg az áramérték a csatorna szélességének függvénye (minél szélesebb a csatorna, annál nagyobb az áram). A sík szerkezetben az áram- és a bontási feszültség névleges értékei a csatorna méreteinek (a csatorna szélességének és hosszának) függvényei, ami a "szilícium -birtok" nem hatékony használatát eredményezi. A függőleges szerkezettel az alkatrészterület nagyjából arányos az árammal, amelyet képes fenntartani, és az alkatrész vastagsága (valójában az N-epitaxiális rétegvastagság) arányos a meghibásodási feszültséggel.

Az oldalsó felépítésű Power MOSFET-eket elsősorban a csúcskategóriás audió erősítőkben és nagy teljesítményű PA rendszerekben használják. Előnyük a telített régióban (a bipoláris tranzisztor lineáris tartományának megfelelő) jobb viselkedés, mint a függőleges MOSFET -ek. A függőleges MOSFET -eket alkalmazások váltására tervezték.

A teljesítmény MOSFET, amelyet gyakran használnak a teljesítmény elektronika , alakult ki az 1970-es években. A nagy teljesítményű MOSFET lehetővé teszi a kis kapuhajtást, a gyors kapcsolási sebességet és a fejlett párhuzamosítási képességet.

Dupla diffúziós fém-oxid-félvezető (DMOS)

Vannak VDMOS (függőleges kettős diffúziós fém-oxid félvezető) és LDMOS (oldalsó kettős diffúziós fém-oxid félvezető). A legtöbb MOSFET -et ezzel a technológiával készítik.

MOS kondenzátor

A MOS kondenzátor a MOSFET szerkezet része, ahol az MOS kondenzátort két pn csomópont veszi körül . A MOS kondenzátort széles körben használják tároló kondenzátorként a memóriachipekben , és a töltéscsatolt eszköz (CCD) alapvető építőköveként a képérzékelő technológiában. A DRAM-ban (dinamikus véletlen hozzáférésű memória ) minden memóriacella általában egy MOSFET és egy MOS kondenzátorból áll.

Vékony film tranzisztor (TFT)

A vékonyréteg-tranzisztor (TFT) a MOSFET egyik típusa, amely különbözik a szabványos ömlesztett MOSFET-től. Az első TFT -t Paul K. Weimer találta ki az RCA -n 1962 -ben, építve Atalla és Kahng korábbi munkájára a MOSFET -ekről.

Az ötlet egy TFT-alapú folyadékkristályos kijelző (LCD) fogantatott Bernard Lechner az RCA Laboratories 1968-ban Lechner, FJ Marlowe, EO Nester és J. Tults bizonyította a koncepció 1968-ban egy 18x2 mátrix dinamikus szórással LCD, hogy a használt szabványos diszkrét MOSFET -ek, mivel a TFT teljesítménye akkor nem volt megfelelő.

Bipoláris - MOS tranzisztorok

A BiCMOS egy integrált áramkör , amely egyetlen chipen egyesíti a BJT és CMOS tranzisztorokat.

A szigetelt kapu bipoláris tranzisztor (IGBT) egy teljesítménytranzisztor , amely mind a MOSFET, mind a bipoláris csomópont tranzisztor (BJT) jellemzőivel rendelkezik.

MOS érzékelők

Számos MOSFET érzékelőt fejlesztettek ki fizikai , kémiai , biológiai és környezeti paraméterek mérésére . A legkorábbi MOSFET-érzékelők közé tartozik a Johannessen által 1970-ben bevezetett nyitott kapu FET (OGFET), az ionérzékeny térhatású tranzisztor ( ISFET ), amelyet Piet Bergveld talált fel 1970-ben, valamint a PF Cox által 1974-ben szabadalmaztatott adszorpciós FET (ADFET) , és egy hidrogén- -érzékeny MOSFET bizonyítja I. Lundström, MS Shivaraman, CS Svenson és L. Lundkvist 1975-ben az ISFET egy különleges típusú MOSFET egy kapu egy bizonyos távolságra, és ahol a fém kapu helyett egy ion -érzékeny membrán , elektrolit oldat és referencia elektróda .

Az 1980-as évek, számos más MOSFET érzékelők dolgoztak ki, beleértve a gázérzékelő FET (GASFET), felületen hozzáférhető FET (Safet), töltés áramlás tranzisztor (CFT), nyomásérzékelő FET (PRESSFET), kémiai térvezérlésű tranzisztor ( ChemFET), referencia ISFET (REFET), bioszenzor FET (BioFET), enzimmel módosított FET (ENFET) és immunológiailag módosított FET (IMFET). A korai 2000-es évek, BioFET típusok, például a DNS-térvezérlésű tranzisztor (DNAFET), gén-módosított FET (GenFET) és sejt-potenciál BioFET (CPFET) időközben kifejlesztett.

A digitális képalkotási technológiában használt képérzékelők két fő típusa a töltéskapcsolt eszköz (CCD) és az aktív pixeles érzékelő (CMOS érzékelő). Mind a CCD, mind a CMOS érzékelők MOS technológián alapulnak, a CCD MOS kondenzátorokon és a CMOS érzékelő MOS tranzisztorokon alapul.

Többkapus mező-hatású tranzisztor (MuGFET)

Egy FinFET (FIN térvezérlésű tranzisztor), olyan típusú multi-kapu MOSFET .

A kétkapu MOSFET (DGMOS) tetródakonfigurációval rendelkezik, ahol mindkét kapu vezérli az áramot az eszközben. Általában kis jelű eszközökhöz használják rádiófrekvenciás alkalmazásokban, ahol a leeresztő oldali kapu előfeszítése állandó potenciálon csökkenti a Miller-effektus okozta erősítésveszteséget , és két különálló tranzisztor helyettesíti a cascode konfigurációt. Az RF áramkörök egyéb gyakori felhasználási területei közé tartozik az erősítésszabályozás és a keverés (frekvenciakonverzió). A tetróda leírása, bár pontos, de nem ismétli meg a vákuumcső tetródáját. A vákuumcsöves tetródák, rácsos rács segítségével, sokkal kisebb rácslemez-kapacitással, és sokkal nagyobb kimeneti impedanciával és feszültségnövekedéssel rendelkeznek, mint a triódás vákuumcsövek . Ezek a fejlesztések általában nagyságrendűek (10 -szeresek) vagy jóval többek. A tetród tranzisztorok (akár bipoláris csomópont, akár mezőhatás) nem mutatnak ilyen mértékű javulást.

A FinFET egy kettős kapuval ellátott szilícium-szigetelő eszköz, amely számos geometria egyike a rövid csatornák hatásainak mérséklése és az elvezetés okozta akadályok csökkentése érdekében. Az uszony a forrás és a lefolyó közötti keskeny csatornára utal. Az uszony két oldalán vékony szigetelő oxidréteg választja el a kaputól. A SOI FinFET-eket, amelyeknek vastag oxidja van az uszony tetején, kettős kapunak, míg azokat, amelyek tetején és oldalán vékony oxidot, háromkapu - FinFET -nek neveznek.

A kétszárnyú MOSFET tranzisztorokat először 1984-ben mutatták be az Elektrotechnikai Laboratórium kutatói, Toshihiro Sekigawa és Yutaka Hayashi. Egy GAAFET (gate-minden-körül MOSFET), olyan típusú multi-kapu nem sík 3D tranzisztor , először igazolták 1988-ban egy Toshiba kutatócsoport beleértve Fujio Masuoka , H. Takato és K. Sunouchi. A FinFET (fin térvezérlésű tranzisztoros), a típus a 3D nem sík kettős MosFET származott kutatása Digh Hisamoto és csapata a Hitachi központi Research Laboratory 1989-ben A fejlesztés nanowire multi-gate MOSFET óta alapvetővé válnak a nanoelektronika számára .

Quantum field-effect tranzisztor (QFET)

A kvantummező-hatású tranzisztor (QFET) vagy a kvantumkút -térhatású tranzisztor (QWFET) a MOSFET egyik típusa, amely kihasználja a kvantum-alagút előnyeit, hogy nagymértékben növelje a tranzisztor működésének sebességét.

Sugárzással edzett (RHBD)

A félvezető szubmikrométeres és nanométeres elektronikus áramkörök az elsődleges gondot jelentik a normál tűréshatáron belüli működéshez olyan zord sugárzási környezetekben, mint a világűr . A sugárzással edzett (RHBD) eszköz gyártásának egyik tervezési módja a zárt elrendezésű tranzisztor (ELT). Általában a MOSFET kapuja körülveszi a lefolyót, amely az ELT közepére kerül. A MOSFET forrása körülveszi a kaput. Egy másik RHBD MOSFET-et H-Gate-nek hívnak. Mindkét tranzisztor nagyon kis szivárgási árammal rendelkezik a sugárzáshoz képest. Mindazonáltal nagy méretűek és több helyet foglalnak el a szilíciumon, mint egy szabványos MOSFET. A régebbi STI (sekély árokszigetelés) konstrukciókban a szilícium -oxid régió közelében lévő sugárzási ütések a szabványos MOSFET sarkaiban a csatorna megfordítását okozzák a sugárzás által kiváltott töltések felhalmozódása miatt. Ha a töltések elég nagyok, akkor a felhalmozódott töltések befolyásolják az STI felszíni széleit a csatorna mentén a szabványos MOSFET csatornainterfésze (kapuja) közelében. Így az eszközcsatorna megfordítása a csatorna élei mentén történik, és az eszköz kikapcsolási állapotú szivárgási útvonalat hoz létre, ami az eszköz bekapcsolását okozza. Tehát az áramkörök megbízhatósága jelentősen romlik. Az ELT számos előnnyel jár. Ezen előnyök közé tartozik a megbízhatóság javítása azáltal, hogy csökkenti a nemkívánatos felületi inverziót a kapu szélein, ami a szabványos MOSFET -ben előfordul. Mivel a kapu élei az ELT-ben vannak, nincs kapu-oxid él (STI a kapu interfészén), és így a tranzisztor off-state szivárgása jelentősen csökken. A kis teljesítményű mikroelektronikai áramkörök, beleértve a számítógépeket, kommunikációs eszközöket és megfigyelő rendszereket az űrsiklóban és a műholdakban, nagyon különböznek a földön használtól. Ezek sugárzást igényelnek (nagysebességű atomrészecskék, mint a proton és a neutron , a napsugárzás mágneses energiájának eloszlása ​​a Föld űrében, energetikai kozmikus sugarak, mint a röntgensugár , a gamma-sugárzás stb.). Ezeket a speciális elektronikákat úgy tervezték, hogy különböző technikákat alkalmaznak az RHBD MOSFET-ek használatával, hogy biztonságosabb utazásokat és űrsétákat biztosítsanak az űrhajósok számára.

Alkalmazások

A MOSFET általában a modern elektronika alapját képezi , mint a digitális áramkörök , valamint az analóg integrált áramkörök domináns tranzisztorja . Számos modern technológia alapja, és széles körben alkalmazzák. Jean-Pierre Colinge szerint számos modern technológia nem létezne a MOSFET nélkül, mint például a modern számítógépes ipar , digitális távközlési rendszerek, videojátékok , zsebszámológépek és digitális karórák .

A diszkrét MOSFET-eszközöket széles körben használják olyan alkalmazásokban, mint a kapcsolóüzemű tápegységek , a változó frekvenciájú meghajtók és más teljesítményelektronikai alkalmazások, ahol minden eszköz több ezer wattot kapcsolhat. Az UHF spektrumig terjedő rádiófrekvenciás erősítők MOSFET tranzisztorokat használnak analóg jel- és teljesítményerősítőként. A rádiórendszerek MOSFET -eket is használnak oszcillátorként vagy keverőként a frekvenciák átalakítására. A MOSFET eszközöket hangfrekvenciás erősítőkben is alkalmazzák hangosító rendszerekhez, hangerősítéshez, valamint otthoni és gépjármű hangrendszerekhez.

Az integrált áramkörökben található MOSFET -ek a számítógépes processzorok , a félvezető memória , a képérzékelők és a legtöbb más típusú integrált áramkör elsődleges elemei .

MOS integrált áramkör (MOS IC)

A MOSFET a legszélesebb körben használt tranzisztor típus és a legkritikusabb eszközkomponens az integrált áramkör (IC) chipekben. A monolit integrált áramköri chipet a felületi passzivációs folyamat tette lehetővé , amely a szilícium felületeket elektromosan stabilizálta termikus oxidációval , lehetővé téve a monolit integrált áramköri chipek gyártását szilícium használatával. A felületi passziválási folyamatot Mohamed M. Atalla fejlesztette ki a Bell Labs -ban 1957 -ben. Ez volt az alapja a síkbeli folyamatnak , amelyet Jean Hoerni fejlesztett ki a Fairchild Semiconductorban 1959 elején, és amely kritikus fontosságú volt a monolitikus integrált áramköri chip feltalálásához. Robert Noyce később, 1959 -ben. Ugyanebben az évben Atalla a felszíni passziválási eljárásával találta ki a MOSFET -et Dawon Kahng -nal a Bell Labs -nál . Ezt követte a tiszta helyiségek kifejlesztése, hogy a szennyeződést olyan szintre csökkentsük, amelyre korábban nem volt szükség, és egybeesett a fotolitográfia kifejlesztésével, amely a felületi passziválással és a síkbeli eljárással együtt lehetővé tette az áramkörök néhány lépésben történő létrehozását.

Mohamed Atalla először 1960 -ban javasolta az MOS integrált áramkör (MOS IC) chip koncepcióját, megjegyezve, hogy a MOSFET könnyű gyártása miatt hasznos volt az integrált áramkörök számára. Ellentétben a bipoláris tranzisztorokkal, amelyek számos lépést igényeltek a tranzisztorok p -n elágazású chipen történő izolálásához , a MOSFET -ek nem igényeltek ilyen lépéseket, de könnyen elkülöníthetők egymástól. Előnye az integrált áramkörök ben újra megismételte a Dawon Kahng 1961-ben Si - SiO 2 rendszer rendelkezett műszaki vonzereje az alacsony előállítási költség (a körönkénti alapon), és megkönnyíti az integrációt. Ez a két tényező a gyorsan skálázódó miniatürizálással és az alacsony energiafogyasztással együtt vezetett ahhoz, hogy a MOSFET az IC chipek legszélesebb körben használt tranzisztor -típusává vált.

A legkorábbi kísérleti MOS IC egy 16 tranzisztoros chip volt, amelyet Fred Heiman és Steven Hofstein épített az RCA- ban 1962-ben. A General Microelectronics később 1964-ben vezette be az első kereskedelmi forgalomban kapható MOS integrált áramkört, amely 120 p-csatornás tranzisztorból állt. Ez egy 20 bites műszakregiszter volt , amelyet Robert Norman és Frank Wanlass fejlesztett ki . 1968-ban a Fairchild Semiconductor kutatói, Federico Faggin és Tom Klein kifejlesztették az első szilikonkapu MOS IC-t.

MOS nagyszabású integráció (MOS LSI)

A MOSFET nagy skálázhatóságával , jóval kisebb energiafogyasztásával és nagyobb sűrűségével, mint a bipoláris csomópont tranzisztorok, lehetővé tette nagy sűrűségű IC chipek létrehozását. 1964 -re a MOS chipek magasabb tranzisztor sűrűséget és alacsonyabb gyártási költségeket értek el, mint a bipoláris chipek. A MOS-chipek összetettsége tovább növekedett a Moore-törvény által megjósolt ütemben , ami az 1960-as évek végére nagyszámú integrációhoz (LSI) vezetett, több száz MOSFET-el egy chipen. A MOS technológia lehetővé tette több mint 10 000 tranzisztor integrálását egyetlen LSI chipre az 1970-es évek elejére, majd később lehetővé tette a nagyon nagyszabású integrációt (VLSI).

Mikroprocesszorok

A MOSFET minden mikroprocesszor alapja , és felelős volt a mikroprocesszor feltalálásáért. Mind a mikroprocesszor, mind a mikrokontroller eredete a MOS technológia feltalálására és fejlesztésére vezethető vissza. A MOS LSI chipek alkalmazása a számítástechnikában az első mikroprocesszorok alapja volt, mivel a mérnökök elkezdték felismerni, hogy egyetlen számítógépes processzor egyetlen MOS LSI chipen is elhelyezhető.

A legkorábbi mikroprocesszorok mind MOS chipek voltak, MOS LSI áramkörökkel felépítve. Az első többcsipes mikroprocesszorokat, az AL1 négyfázisú rendszert 1969-ben és a Garrett AiResearch MP944- et 1970-ben, több MOS LSI lapkával fejlesztették ki. Az első kereskedelmi, egy chipes mikroprocesszort, az Intel 4004 -et Federico Faggin fejlesztette ki szilícium-kapu MOS IC technológiájának felhasználásával, az Intel mérnökeivel, Marcian Hoff és Stan Mazor , valamint a Busicom mérnöke, Masatoshi Shima társaságában . A CMOS mikroprocesszorok 1975-ös megjelenésével a "MOS mikroprocesszorok" kifejezés kezdett olyan chipekre utalni, amelyek teljes egészében PMOS logikából készültek, vagy teljes egészében NMOS logikából készültek , szemben a "CMOS mikroprocesszorokkal" és a "bipoláris bitszelet processzorokkal".

CMOS áramkörök

Digitális

A digitális technológiák, például a mikroprocesszorok növekedése motiválta a MOSFET technológia gyorsabb fejlődését, mint bármely más típusú szilícium-alapú tranzisztor. A MOSFET -ek nagy előnye a digitális kapcsoláshoz, hogy a kapu és a csatorna közötti oxidréteg megakadályozza az egyenáram áramlását a kapun, tovább csökkenti az energiafogyasztást és nagyon nagy bemeneti impedanciát biztosít. A kapu és a csatorna közötti szigetelő -oxid hatékonyan elkülöníti a MOSFET -et egy logikai szakaszban a korábbi és a későbbi szakaszoktól, ami lehetővé teszi, hogy egyetlen MOSFET -kimenet jelentős számú MOSFET -bemenetet vezessen. A bipoláris tranzisztor-alapú logika (például a TTL ) nem rendelkezik ilyen nagy fanout kapacitással. Ez az elkülönítés megkönnyíti a tervezők számára, hogy bizonyos mértékig figyelmen kívül hagyják a betöltési hatásokat a logikai szakaszok között egymástól függetlenül. Ezt a mértéket a működési frekvencia határozza meg: a frekvenciák növekedésével a MOSFET -ek bemeneti impedanciája csökken.

Analóg

A MOSFET digitális áramkörökben rejlő előnyei nem minden analóg áramkörben jelentenek fölényt . A kétféle áramkör a tranzisztor viselkedésének különböző jellemzőire támaszkodik. A digitális áramkörök kapcsolnak, és idejük nagy részét teljesen be- vagy kikapcsolják. Az egyikről a másikra való átállás csak a szükséges sebesség és töltés tekintetében aggaszt. Az analóg áramkörök az átmeneti régió működésétől függenek, ahol a V gs kis változásai modulálhatják a kimeneti (leeresztő) áramot. A JFET és a bipoláris csomópont tranzisztor (BJT) előnyös a pontos illeszkedéshez (az integrált áramkörben lévő szomszédos eszközökhöz), a nagyobb transzkonduktivitáshoz és bizonyos hőmérsékleti jellemzőkhöz, amelyek egyszerűsítik a teljesítmény előrejelzését az áramkör hőmérsékletének változásakor.

Mindazonáltal a MOSFET-eket sokféle analóg áramkörben széles körben használják saját előnyeik miatt (nulla kapuáram, magas és állítható kimeneti impedancia és jobb robusztusság a BJT-khez képest, amelyek az emitter-bázis enyhe lebontásával is tartósan romolhatnak). Sok analóg áramkör jellemzői és teljesítménye növelhető vagy csökkenthető a használt MOSFET -ek méretének (hosszának és szélességének) megváltoztatásával. Összehasonlításképpen: a bipoláris tranzisztorokban a készülék mérete nem befolyásolja jelentősen a teljesítményét. A MOSFET-ek ideális jellemzői a kapuáramra (nulla) és a leeresztő-forrás eltolási feszültségre (nulla) tekintve szintén közel ideális kapcsolóelemekké teszik őket, és praktikussá teszik a kapcsolt kondenzátor analóg áramköröket is. Lineáris régiójukban a MOSFET -ek precíziós ellenállásokként használhatók, amelyek sokkal nagyobb ellenállással rendelkeznek, mint a BJT -k. A nagy teljesítményű áramkörökben a MOSFET -eknek néha megvan az az előnye, hogy nem szenvednek termikus kifutástól, mint a BJT -k. Ezenkívül a MOSFET-ek úgy is konfigurálhatók, hogy kondenzátorként és girátoráramkörként működjenek, amelyek lehetővé teszik a belőlük készült op-erősítők induktivitásként való megjelenését, ezáltal lehetővé téve az összes normál analóg eszközt a chipen (kivéve a diódákat, amelyek kisebbek lehetnek, mint egy MOSFET amúgy) teljes egészében MOSFET -ekből épüljön fel. Ez azt jelenti, hogy komplett analóg áramkörök készíthetők szilícium chipen, sokkal kisebb helyen és egyszerűbb gyártási technikákkal. A MOSFETS ideális az induktív terhelések váltására az induktív visszarúgás tűrése miatt.

Néhány IC kombinálja az analóg és a digitális MOSFET áramkört egyetlen vegyes jelű integrált áramkörön , így a szükséges táblaterület még kisebb. Ez szükségessé teszi az analóg áramkörök chipszinten történő elkülönítését a digitális áramköröktől, ami leválasztó gyűrűk és szilícium szigetelő (SOI) használatához vezet. Mivel a MOSFET -ek több helyet igényelnek egy adott mennyiségű energia kezeléséhez, mint egy BJT, a gyártási folyamatok egyetlen eszközbe foglalhatják a BJT -ket és a MOSFET -eket. A vegyes tranzisztoros eszközöket bi-FET-eknek (bipoláris FET-ek) nevezik, ha csak egy BJT-FET-et és BiCMOS-t (bipoláris CMOS) tartalmaznak, ha kiegészítő BJT-FET-eket tartalmaznak. Az ilyen eszközök előnyei mind a szigetelt kapuk, mind a nagyobb áramsűrűség.

Az 1980 -as évek végén Asad Abidi úttörő szerepet játszott az RF CMOS technológiában, amely MOS VLSI áramköröket használ , miközben az UCLA -nál dolgozott . Ez megváltoztatta az RF áramkörök tervezésének módját , távol a diszkrét bipoláris tranzisztoroktól a CMOS integrált áramkörök felé. 2008-tól az összes vezeték nélküli hálózati eszköz és a modern mobiltelefon rádió adó-vevői sorozatgyártásúak, mint RF CMOS eszközök. Az RF CMOS -t szinte minden modern Bluetooth és vezeték nélküli LAN (WLAN) eszközben is használják.

MOS memória

A MOSFET megjelenése lehetővé tette a MOS tranzisztorok gyakorlati használatát memória cella tároló elemekként, ezt a funkciót korábban a mágneses magok szolgálták a számítógép memóriájában . Az első modern számítógépes memóriát 1965-ben vezették be, amikor John Schmidt, a Fairchild Semiconductor cégnél megtervezte az első MOS félvezető memóriát , egy 64 bites MOS SRAM - ot (statikus véletlen hozzáférésű memória ). Az SRAM a mágneses memória alternatívája lett , de minden adat bithez hat MOS tranzisztorra volt szükség .

A MOS technológia a DRAM (dinamikus véletlen hozzáférésű memória ) alapja . 1966 -ban Dr. Robert H. Dennard , az IBM Thomas J. Watson Research Center munkatársa a MOS memórián dolgozott . A MOS technológia jellemzőinek vizsgálata során megállapította, hogy képes kondenzátorokat építeni, és hogy a töltés vagy a töltés hiánya a MOS kondenzátoron 1 és 0 bit, míg a MOS tranzisztor szabályozhatja a töltés írását a kondenzátor. Ez vezetett egy egy tranzisztoros DRAM memóriacella kifejlesztéséhez. 1967-ben Dennard szabadalmat nyújtott be az IBM alá egy egy tranzisztoros DRAM (dinamikus véletlen hozzáférésű memória) memóriacellára, amely MOS technológián alapul. A MOS memória nagyobb teljesítményt tett lehetővé, olcsóbb volt és kevesebb energiát fogyasztott, mint a mágneses mag memória , ami azt eredményezte, hogy a MOS memória az 1970-es évek elején megelőzte a mágneses magmemóriát, mint a domináns számítógépes memóriatechnológiát .

Frank Wanlass , miközben 1963 -ban tanulmányozta a MOSFET szerkezeteket, megjegyezte a töltés oxidon keresztüli mozgását a kapun . Bár nem folytatta, ez az ötlet később az EPROM (törölhető programozható, csak olvasható memória ) technológia alapjává válik . 1967-ben, Dawon Kahng és Simon Min Sze javasolta, hogy lebegő-kapu memória sejtek, amely lebegő-kapu MOSFET-ek (FGMOS), lehetne használni előállításához újraprogramozható ROM ( csak olvasható memória ). A lebegőkapu memóriacellák később a nem felejtő memória (NVM) technológiák alapjává váltak, beleértve az EPROM, az EEPROM (elektromosan törölhető programozható ROM) és a flash memóriát .

A fogyasztói elektronika

A MOSFET -eket széles körben használják a fogyasztói elektronikában . Az egyik legkorábbi befolyásos szórakoztatóelektronikai termék, amelyet a MOS LSI áramkörök engedélyeztek, az elektronikus zsebszámológép volt , mivel a MOS LSI technológia nagy mennyiségű számítási képességet tett lehetővé kis csomagokban. 1965 -ben a Victor 3900 asztali számológép volt az első MOS számológép , 29 MOS zsetonnal. 1967-ben a Texas Instruments Cal-Tech volt az első prototípusú elektronikus kézi számológép , három MOS LSI zsetonnal, később pedig 1970- ben jelent meg Canon Pocketronic néven. A Sharp QT-8D asztali számológép volt az első tömegesen gyártott LSI MOS számológép 1969-ben, és a Sharp EL-8, amely négy MOS LSI chipet használt, az első kereskedelmi elektronikus kézi számológép volt 1970-ben. Az első igazi elektronikus zsebszámológép a Busicom LE-120A HANDY LE volt, amely egyetlen MOS LSI számológépet használt -a-chip a Mostektől , és 1971-ben adták ki. 1972-re a MOS LSI áramköröket számos más alkalmazáshoz kereskedelmi forgalomba hozták.

A MOSFET alapvető fontosságú az információs és kommunikációs technológia (IKT) számára, beleértve a modern számítógépeket , a modern számítástechnikát , a távközlést , a kommunikációs infrastruktúrát , az internetet , a digitális telefonálást , a vezeték nélküli távközlést és a mobilhálózatokat . Colinge szerint a modern számítógépes ipar és a digitális távközlési rendszerek nem léteznének a MOSFET nélkül. Az előleget a MOS technológia már a legfontosabb oka annak gyors növekedése a hálózati sávszélesség a távközlési hálózatok , a sávszélesség megduplázódott minden 18 hónapon belül, a bit per másodperc , hogy terabits második ( Edholm törvénye ).

MOS érzékelők

A MOSFET szenzorokat , más néven MOSFET érzékelőket széles körben használják a fizikai , kémiai , biológiai és környezeti paraméterek mérésére . Az ionérzékeny térhatású tranzisztor (ISFET) például széles körben használatos az orvosbiológiai alkalmazásokban. A MOS kemirisztorok és a MOSFET -ek is széles körben bebizonyították, hogy ígéretes alkalmazásaik vannak a gázérzékelésben, akár egyetlen érzékelő eszközként, akár vegyi érzékelő tömbök alkatrészeként .

A MOSFET -eket széles körben használják a mikroelektromechanikus rendszerekben (MEMS) is, mivel a szilícium MOSFET -ek kölcsönhatásba léphetnek és kommunikálhatnak a környezettel, és feldolgozhatnak olyan dolgokat, mint a vegyi anyagok , a mozgások és a fény . A MEMS eszköz korai példája a rezonanciakapu tranzisztor, a MOSFET adaptációja, amelyet Harvey C. Nathanson fejlesztett ki 1965-ben.

A MOS technológia az alapja a modern képérzékelőknek , beleértve a töltéssel csatolt eszközt (CCD) és a digitális képalkotásban és digitális fényképezőgépekben használt CMOS aktív pixeles érzékelőt (CMOS érzékelő) . Willard Boyle és George E. Smith 1969 -ben fejlesztették ki a CCD -t. A MOS folyamat kutatása közben rájöttek, hogy az elektromos töltés a mágneses buborék analógiája, és hogy egy apró MOS kondenzátoron tárolható. Mivel meglehetősen egyszerű volt sorozatban MOS kondenzátorokat gyártani, megfelelő feszültséget kapcsoltak hozzájuk, hogy a töltést egyikről a másikra lehessen lépni. A CCD egy félvezető áramkör, amelyet később az első digitális videokamerákban használtak a televíziós műsorszóráshoz .

A MOS aktív képpontos érzékelő (APS) fejlesztette ki Tsutomu Nakamura at Olympus 1985 CMOS aktív képpontos érzékelő később fejlesztette ki Eric Fossum és csapata a NASA „s Jet Propulsion Laboratory a 1990.

A MOS képérzékelőket széles körben használják az optikai egér technológiában. Az első optikai egér, amelyet Richard F. Lyon talált fel a Xeroxnál 1980 -ban, 5  µm -es NMOS -érzékelő chipet használt. Az első kereskedelmi optikai egér, az IntelliMouse 1999 -es bemutatása óta a legtöbb optikai egér eszköz CMOS érzékelőket használ.

Power MOSFET -ek

A MOSFET a világon a legszélesebb körben használt tápegység . Előnyök a bipoláris tranzisztorok a teljesítmény elektronika közé MOSFET nem igénylő folyamatos meghajtó áram marad a bekapcsolt állapot, mely nagyobb kapcsolási sebesség, alsó kapcsolási teljesítmény veszteség, engedje on-ellenállások csökkent érzékenységet megfutási. A nagy teljesítményű MOSFET hatással volt a tápegységekre , lehetővé téve a magasabb működési frekvenciákat, méret- és súlycsökkentést, valamint a nagyobb mennyiségű termelést.

A kapcsoló tápegységek a leggyakoribb alkalmazások a tápellátású MOSFET -ek számára. Széles körben használják a MOS RF teljesítményerősítőknél is , amelyek lehetővé tették a mobilhálózatok átmenetét az analógról a digitálisra az 1990 -es években. Ez a vezeték nélküli mobilhálózatok széles körű elterjedéséhez vezetett, ami forradalmasította a távközlési rendszereket . Az LDMOS különösen a mobilhálózatok, például 2G , 3G , 4G és 5G leggyakrabban használt teljesítményerősítője .  2018 -tól évente több mint 50 milliárd diszkrét teljesítményű MOSFET -et szállítanak. Ezeket széles körben használják különösen az autóipari , ipari és kommunikációs rendszerekben . A teljesítmény -MOSFET -eket általában az autóelektronikában használják , különösen kapcsolóeszközként az elektronikus vezérlőegységekben , és teljesítményátalakítóként a modern elektromos járművekben . A szigetelt kapu bipoláris tranzisztor (IGBT), egy hibrid MOS-bipoláris tranzisztor, szintén sokféle alkalmazáshoz használható.

Építkezés

Kapu anyaga

A kapu anyagának elsődleges kritériuma, hogy jó vezető legyen . A nagymértékben adalékolt polikristályos szilícium elfogadható, de nem feltétlenül ideális vezető, és néhány technikai hiányossággal is szembesül a szabványos kapuanyag szerepében. Ennek ellenére számos oka van a poliszilícium használatának:

  1. A küszöb feszültség (és következésképpen a csatorna a forrás-áram) úgy módosítjuk, hogy a kilépési munka közötti különbség a kapu anyag és a csatorna anyaga. Mivel a poliszilícium félvezető, a munkafunkciója módosítható a dopping típusának és szintjének beállításával. Továbbá, mivel a poliszilíciumnak ugyanaz a sávszélessége, mint az alatta lévő szilíciumcsatornának, nagyon egyszerű a munkafunkciót úgy beállítani, hogy alacsony küszöbértékű feszültséget érjen el mind az NMOS, mind a PMOS eszközöknél. Ezzel szemben a kilépési munka fémek nem könnyen szabályozható, így hangolva a kilépési munka , így az alacsony küszöb feszültség (LTV) válik jelentős kihívás. Ezenkívül az alacsony küszöbű eszközök PMOS és NMOS eszközökön történő beszerzése esetenként különböző fémek használatát igényli az egyes eszköztípusoknál. Bár a bimetál integrált áramkörök (azaz az egyik típusú fém az NFETS kapuelektródáihoz és egy másik típusú fém a PFETS kapuelektródáihoz) nem gyakoriak, a szabadalmi irodalomban ismertek, és némi előnyt nyújtanak az elektromos áramkörök hangolásában elektromos teljesítmény.
  2. A szilícium-SiO 2 interfészt jól tanulmányozták, és ismert, hogy viszonylag kevés hibája van. Ezzel szemben sok fémszigetelő interfész jelentős mennyiségű hibát tartalmaz, amelyek Fermi-szintű rögzítéshez , töltéshez vagy más olyan jelenségekhez vezethetnek, amelyek végső soron rontják az eszköz teljesítményét.
  3. A MOSFET IC gyártási folyamatában előnyös a kapu anyagának lerakása bizonyos magas hőmérsékletű lépések előtt a jobb teljesítményű tranzisztorok előállítása érdekében. Az ilyen magas hőmérsékletű lépések egyes fémeket megolvasztanak, és korlátozzák a fémkapu-alapú eljárásban használható fémtípusokat.

Míg a poliszilícium -kapuk az elmúlt húsz évben de facto szabványok voltak, vannak hátrányaik, amelyek miatt a jövőben valószínűleg fémkapukra cserélődnek. Ezek a hátrányok a következők:

  • A poliszilícium nem nagy vezető (körülbelül 1000 -szer ellenállóbb, mint a fémek), ami csökkenti a jel terjedési sebességét az anyagon keresztül. Az ellenállást csökkenteni lehet a dopping szintjének növelésével, de még az erősen adalékolt poliszilícium sem olyan vezető, mint a legtöbb fém. A vezetőképesség további javítása érdekében néha magas hőmérsékletű fémet, például volfrámot , titánt , kobaltot és újabban nikkelt ötvöznek a poliszilícium felső rétegeivel. Az ilyen kevert anyagot szilíciumnak nevezik . A szilícium-poliszilícium kombináció jobb elektromos tulajdonságokkal rendelkezik, mint önmagában a poliszilícium, és a későbbi feldolgozás során még mindig nem olvad meg. A küszöbfeszültség sem szignifikánsan magasabb, mint önmagában a poliszilícium esetében, mivel a szilícium anyag nincs a csatorna közelében. Azt a folyamatot, amelynek során szilícium képződik mind a kapuelektródán, mind a forrás- és leeresztő területeken, néha szalicidnak , önbeálló szilíciumnak nevezik .
  • Amikor a tranzisztorok rendkívül kicsinyítettek, akkor a kapu dielektromos rétegét nagyon vékonyra, 1 nm körüli értékre kell állítani a legkorszerűbb technológiákban. Az itt megfigyelt jelenség az úgynevezett poli-kimerülés , amikor a tranzisztor inverziójában kimerülési réteg keletkezik a kapu poliszilícium rétegében a kapu dielektrikuma mellett. Ennek a problémának a elkerülése érdekében fém kaput kívánnak. Különféle fémkapukat , például tantált , volfrámot, tantál-nitridet és titán-nitridet használnak, általában magas κ dielektrikumokkal együtt . Alternatív megoldásként teljesen szilíciumos poliszilícium -kapuk használata, a FUSI néven ismert eljárás.

A jelenlegi nagy teljesítményű CPU-k fémkapu technológiát használnak, valamint magas κ dielektrikumokat , amelyek kombinációja a magas κ, fémkapu (HKMG). A fémkapuk hátrányait néhány technikával lehet leküzdeni:

  1. A küszöbfeszültséget úgy állítják be, hogy egy vékony "munkafunkciós fém" réteget tartalmaznak a magas κ dielektrikum és a fő fém között. Ez a réteg elég vékony ahhoz, hogy a kapu teljes munkafunkcióját mind a fő fém-, mind a vékonyfém -munkafunkciók befolyásolják (vagy a lágyítás során végzett ötvözés miatt, vagy egyszerűen a vékony fém hiányos árnyékolása miatt). A küszöbfeszültséget tehát a vékony fémréteg vastagságával lehet beállítani.
  2. A magas κ dielektrikákat ma már jól tanulmányozták, és megértik a hibáikat.
  3. Léteznek olyan HKMG eljárások, amelyek nem igénylik a fémek magas hőmérsékletű lágyításának tapasztalását; más eljárások olyan fémeket választanak ki, amelyek képesek túlélni a lágyítási lépést.

Szigetelő

Ahogy az eszközöket kisebbé teszik, a szigetelő rétegek vékonyabbá válnak, gyakran a termikus oxidáció vagy a szilícium ( LOCOS ) helyi oxidációja révén . A nanoméretű eszközök esetében a hordozók valamikor alagutakba kerülnek a szigetelőn keresztül a csatornától a kapuelektródáig. A keletkező szivárgási áram csökkentése érdekében a szigetelő vékonyabbá tehető, ha nagyobb dielektromos állandójú anyagot választanak. A vastagság és a dielektromos állandó összefüggésének megtekintéséhez vegye figyelembe, hogy Gauss törvénye a mezőt a töltéssel köti össze:

ahol Q = töltéssűrűség, κ = dielektromos állandó, ε 0 = üres tér permittivitása és E = elektromos mező. Ebből a törvényből kiderül, hogy ugyanaz a töltés fenntartható a csatornában egy alacsonyabb mezőben, feltéve, hogy κ megnő. A kapu feszültségét a következők adják meg:

ahol V G = kapufeszültség, V ch = feszültség a szigetelő csatorna oldalán, és t ins = szigetelő vastagsága. Ez az egyenlet azt mutatja, hogy a kapu feszültsége nem fog növekedni, ha a szigetelő vastagsága növekszik, feltéve, hogy κ növekszik, hogy t ins / κ = állandó maradjon (lásd részletesebben a magas κ dielektrikákról szóló cikket, és a cikkben a kapu-oxid szivárgásról szóló részt) ).

A MOSFET szigetelője dielektrikum, amely minden esetben lehet szilícium -oxid, amelyet LOCOS alkot, de sok más dielektromos anyagot is alkalmaznak. A dielektrikum általános kifejezése a kapu dielektrikuma, mivel a dielektrikum közvetlenül a kapuelektróda alatt és a MOSFET csatornája felett fekszik.

Csomópont kialakítása

MOSFET, amely sekély csomópont -kiterjesztéseket, kiemelt forrást és leeresztést, valamint halo -implantátumot mutat. Emelt forrás és lefolyó, oxid távtartókkal elválasztva a kaputól

A forrás-test és a lefolyó-test csomópontok nagy figyelmet kapnak három fő tényező miatt: kialakításuk befolyásolja az eszköz áram-feszültség ( I-V ) jellemzőit , csökkenti a kimeneti ellenállást és a sebességet a csomópont kapacitások terhelési hatása révén , és végül a készenléti energiaelvezetés komponense a csomópont szivárgása miatt.

A küszöbfeszültség és a csatornahossz modulációs hatásainak lefolyás okozta akadálycsökkentése IV görbékre csökkenthető sekély csomópont -hosszabbítók használatával. Ezenkívül használható halogén dopping, vagyis nagyon vékony, erősen adalékolt, ugyanolyan doppingtípusú régiók hozzáadása, mint a test szorosan a csomópont falaihoz, hogy csökkentse a kimerülési régiók mértékét .

A kapacitív hatásokat korlátozza az emelt forrás- és leeresztőgeometria, amelyek szilícium helyett vastag dielektrikussá teszik az érintkezési terület határát.

A csomópont -kialakítás ezen különféle jellemzői ( művészi engedéllyel ) az ábrán láthatók .

Méretezés

Az Intel CPU tranzisztor kapuja hosszának trendje
A nyereségnövelt áramerősségű tükör MOSFET változata ; Az M 1 és M 2 aktív üzemmódban, míg az M 3 és az M 4 Ohm módban vannak, és ellenállásként viselkednek. A műveleti erősítő visszacsatolást biztosít, amely magas kimeneti ellenállást biztosít.

Az elmúlt évtizedekben a MOSFET (a digitális logikához használt) méretét folyamatosan csökkentették; A tipikus MOSFET -csatornahosszak egykor több mikrométeresek voltak , de a modern integrált áramkörök több tíz nanométeres csatornahosszúságú MOSFET -et tartalmaznak. Robert Dennard „s munka skálázás elmélet kulcsfontosságú volt elismerve, hogy ez a folyamatos csökkenés volt lehetséges. A félvezetőipar fenntartja az „útitervet”, az ITRS -t , amely meghatározza a MOSFET fejlesztésének ütemét. Történelmileg a MOSFET méretének csökkentésével kapcsolatos nehézségek összefüggésben álltak a félvezető eszközök gyártási folyamatával, a nagyon alacsony feszültségek használatának szükségességével, valamint a gyengébb elektromos teljesítménnyel, ami szükségessé tette az áramkör átalakítását és innovációt (a kis MOSFET -ek nagyobb szivárgási áramokat és alacsonyabb kimeneti ellenállást mutatnak) ). 2019 -től a gyártásban a legkisebb MOSFET -ek az 5 nm -es FinFET félvezető csomópontok , amelyeket a Samsung Electronics és a TSMC gyárt .

A kisebb MOSFET -ek több okból is kívánatosak. A tranzisztorok kicsinyítésének fő oka az, hogy egyre több eszközt csomagolnak egy adott chipterületre. Ennek eredményeképpen egy kisebb területen azonos funkcionalitású chip, vagy ugyanazon a területen több funkcióval rendelkező chip érhető el. Mivel a félvezető ostya gyártási költségei viszonylag fixek, az integrált áramkörökre jutó költségek elsősorban az ostyánként előállítható chipek számához kapcsolódnak. Ezért a kisebb IC -k ostyánként több chipet tesznek lehetővé, csökkentve a chipenkénti árat. Valójában az elmúlt 30 évben egy új technológiai csomópont bevezetése után 2-3 évente megduplázódott a tranzisztorok száma chipenként. Például a MOSFET -ek száma egy 45 nm -es technológiával gyártott mikroprocesszorban kétszer annyi lehet, mint egy 65 nm -es chipben. Ezt a megduplázódó tranzisztor sűrűséget először Gordon Moore figyelte meg 1965 -ben, és általában Moore -törvénynek nevezik . Az is várható, hogy a kisebb tranzisztorok gyorsabban kapcsolnak. Például a méretcsökkentés egyik megközelítése a MOSFET skálázása, amely megköveteli, hogy az eszköz minden mérete arányosan csökkenjen. A készülék fő méretei a csatorna hossza, a csatorna szélessége és az oxid vastagsága. Ha egyenlő tényezőkkel csökkentik őket, a tranzisztor csatorna ellenállása nem változik, míg a kapu kapacitását ez a tényező csökkenti. Ezért a tranzisztor RC késleltetése hasonló tényezővel történik. Míg ez hagyományosan a régebbi technológiákra jellemző, a legmodernebb MOSFET-ek esetében a tranzisztor méreteinek csökkentése nem feltétlenül jelent nagyobb chipsebességet, mert az összekapcsolások miatti késés jelentősebb.

A mikrométernél jóval kisebb csatornahosszúságú MOSFET -ek előállítása kihívást jelent, és a félvezető eszközök gyártásának nehézségei mindig korlátozzák az integrált áramkör -technológia fejlődését. Bár az olyan folyamatok, mint az atomréteg -lerakódás ( ALD ) javították a kis alkatrészek gyártását, a MOSFET kis mérete (kevesebb, mint néhány tíz nanométer) működési problémákat okozott:

Magasabb küszöb alatti vezetés
A MOSFET geometriák zsugorodásával a megbízhatóság megőrzése érdekében csökkenteni kell a kapura adható feszültséget. A teljesítmény fenntartása érdekében a MOSFET küszöbfeszültségét is csökkenteni kell. Mivel a küszöbfeszültség csökken, a tranzisztor nem kapcsolható át a teljes kikapcsolásról a teljes bekapcsolásra a rendelkezésre álló korlátozott feszültségingadozással; az áramkör kialakítása kompromisszum az erős áram a bekapcsolt esetben és az alacsony áram a kikapcsolt esetben, és az alkalmazás határozza meg, hogy előnyben részesíti -e az egyiket a másikkal szemben. A küszöb alatti szivárgás (beleértve a küszöb alatti vezetést, a kapu-oxid szivárgást és a fordított előfeszítésű csomópont-szivárgást), amelyet a múltban figyelmen kívül hagytak, most a modern, nagy teljesítményű VLSI chipek teljes áramfelvételének felét fogyaszthatja.
Fokozott kapu-oxid szivárgás
A kapu -oxidot, amely szigetelőként szolgál a kapu és a csatorna között, a lehető legvékonyabbá kell tenni, hogy növelje a csatorna vezetőképességét és teljesítményét, amikor a tranzisztor be van kapcsolva, és csökkenti a küszöb alatti szivárgást, amikor a tranzisztor ki van kapcsolva. Azonban az 1,2 nm körüli vastagságú kapu -oxidok  (amelyek szilíciumban ~ 5  atom vastagok) esetén az elektron -alagút kvantummechanikai jelensége a kapu és a csatorna között következik be, ami megnövekedett energiafogyasztáshoz vezet. A szilícium -dioxidot hagyományosan kapu szigetelésként használják. A szilícium -dioxid azonban szerény dielektromos állandóval rendelkezik. A kapu dielektrikuma dielektromos állandójának növelése lehetővé teszi a vastagabb réteget, miközben megtartja a nagy kapacitást (a kapacitás arányos a dielektromos állandóval és fordítottan arányos a dielektromos vastagsággal). Minden más egyenlő, a nagyobb dielektromos vastagság csökkenti a kapu és a csatorna közötti dielektrikumon áthaladó kvantum alagútáramot . A szilícium -dioxidnál nagyobb dielektromos állandóságú szigetelőket ( magas κ dielektrikumnak nevezik ), például a IVb csoportba tartozó fémszilikátokat, pl. Hafnium- és cirkónium- szilikátokat és -oxidokat használnak a kapu szivárgásának csökkentésére a 45 nanométeres technológiai csomóponttól kezdve. Másrészt fontos szempont az új kapuszigetelő gátmagassága; a vezetési sáv energiájának különbsége a félvezető és a dielektrikum között (és ennek megfelelő különbsége a vegyértéksáv energiájában) szintén befolyásolja a szivárgási áram szintjét. A hagyományos kapu -oxid, a szilícium -dioxid esetében az előbbi korlát körülbelül 8 eV . Sok alternatív dielektrikum esetében az érték szignifikánsan alacsonyabb, hajlamos növelni az alagútáramot, némileg tagadva a magasabb dielektromos állandó előnyeit. A kapu -forrás maximális feszültségét az elektromos tér erőssége határozza meg, amelyet a kapu dielektrikuma képes fenntartani, mielőtt jelentős szivárgás következik be. Ahogy a szigetelő dielektrikum vékonyabb lesz, a benne lévő elektromos térerősség állandó feszültség esetén növekszik. Ez szükségessé teszi a kisebb feszültségek használatát a vékonyabb dielektrikummal.
Fokozott csomópont szivárgás
Annak érdekében, hogy az eszközök kisebbek legyenek, a csomópont kialakítása bonyolultabbá vált, ami magasabb doppingszintekhez , sekélyebb csomópontokhoz, "halo" doppingoláshoz és így tovább, mindez csökkenti a lefolyás okozta akadályok leeresztését (lásd a csomópont kialakításáról szóló részt ). Ahhoz, hogy ezek az összetett csomópontok a helyükön maradjanak, a korábban a sérülések és elektromosan aktív hibák eltávolítására használt lágyítási lépéseket le kell csökkenteni, növelve a csomópont szivárgását. A nehezebb doppinghoz vékonyabb kimerülési rétegek és több rekombinációs központ is társul, amelyek rácskárosodás nélkül is megnövelik a szivárgási áramot.
A leeresztés okozta gátsüllyesztés (DIBL) és a V T gördül le
A rövidcsatornás hatás miatt a csatornaképzést nem végzi el teljesen a kapu, de most a lefolyó és a forrás is befolyásolja a csatorna kialakulását. A csatorna hosszának csökkenésével a forrás és a lefolyó kimerülési régiói közelebb kerülnek egymáshoz, és a küszöbfeszültséget ( V T ) a csatorna hosszának függvényévé teszik. Ezt nevezik V T roll-offnak. A V T a V DS forrásfeszültség levezetésének funkciójává is válik . Ahogy növeljük a V DS -t, a kimerülő régiók mérete növekszik, és jelentős mennyiségű töltést kimerít a V DS . A csatorna kialakításához szükséges kapufeszültség ezután csökken, és így a V T csökken a V DS növekedésével . Ezt a hatást DIBL -nek hívják.
Alacsonyabb kimeneti ellenállás
Analóg működéshez a jó erősítéshez nagy MOSFET kimeneti impedancia szükséges, vagyis a MOSFET áramnak csak kis mértékben kell változnia az alkalmazott leeresztő-forrás feszültségtől függően. Ahogy az eszközöket kisebbé teszik, a lefolyó hatása sikeresebben versenyez a kapuval, mivel e két elektróda egyre közelebb van, és növeli a MOSFET áram érzékenységét a leeresztő feszültséghez. A kimeneti ellenállás csökkenésének ellensúlyozására az áramköröket bonyolultabbá teszik, vagy több eszköz, például kaszkód- és kaszkáderősítő , vagy operációs erősítőket használó visszacsatoló áramkörökkel , például a szomszédos ábrán látható áramkörrel.
Alacsonyabb áteresztő képesség
A MOSFET transzkonduktivitása határozza meg a nyereségét, és arányos a lyuk- vagy elektronmobilitással (a készülék típusától függően), legalábbis alacsony elvezetési feszültségek esetén. A MOSFET méretének csökkenésével a csatorna mezői nőnek, és az adalékanyag -szennyeződések szintje nő. Mindkét változtatás csökkenti a hordozó mobilitását, és ezáltal a transzkonduktivitást. Mivel a csatornahosszak a leeresztő feszültség arányos csökkentése nélkül csökkennek, ami növeli a csatorna elektromos mezőjét, az eredmény a hordozók sebességtelítettsége, ami korlátozza az áramot és a transzkonduktanciát.
Összekötő kapacitás
Hagyományosan a kapcsolási idő nagyjából arányos volt a kapuk kapacitásával. Mivel azonban a tranzisztorok egyre kisebbek és egyre több tranzisztor kerül a chipre, az összekapcsolási kapacitás (a chip különböző részei közötti fémréteg-kapcsolatok kapacitása) a kapacitás nagy százalékává válik. A jeleknek át kell haladniuk az összekapcsolón, ami megnövelt késleltetéshez és alacsonyabb teljesítményhez vezet.
Hőtermelés
Az integrált áramkörön lévő MOSFET-ek egyre növekvő sűrűsége jelentős lokalizált hőtermelési problémákat okoz, amelyek ronthatják az áramkör működését. Az áramkörök lassabban működnek magas hőmérsékleten, csökkent a megbízhatóságuk és rövidebb az élettartamuk. Hűtőbordákra és más hűtőberendezésekre és módszerekre van szükség számos integrált áramkörhöz, beleértve a mikroprocesszorokat is. A nagy teljesítményű MOSFET -ek hőveszteségnek vannak kitéve . Amint a bekapcsolási ellenállás a hőmérséklet növekedésével növekszik, ha a terhelés megközelítőleg állandóáramú terhelés, akkor a teljesítményveszteség ennek megfelelően nő, további hőt generálva. Ha a hűtőborda nem képes elég alacsonyan tartani a hőmérsékletet, a csomópont hőmérséklete gyorsan és ellenőrizhetetlenül emelkedhet, ami a készülék tönkremeneteléhez vezethet.
A folyamat variációi
Mivel a MOSFET -ek egyre kisebbek, a szilícium azon atomjai, amelyek a tranzisztor számos tulajdonságát előállítják, egyre csökkennek, ami azt eredményezi, hogy az adalékanyagok száma és elhelyezése szabálytalanabb. A chipgyártás során a véletlenszerű folyamatváltozások hatással vannak a tranzisztor minden méretére : hosszra, szélességre, csatlakozási mélységre, oxidvastagságra stb. , És a tranzisztor zsugorodásával a teljes tranzisztor méretének nagyobb százalékává válnak. A tranzisztor jellemzői kevésbé biztosak, statisztikusabbak. A gyártás véletlenszerű jellege azt jelenti, hogy nem tudjuk, hogy a MOSFET -ek konkrét példája végül az áramkör egy adott példányában fog megjelenni. Ez a bizonytalanság kevésbé optimális tervezést tesz szükségessé, mivel a kialakításnak a lehetséges komponens MOSFET -ek sokféleségéhez kell működnie. Lásd a folyamatváltozatokat , a tervezést a gyárthatósághoz , a megbízhatósági tervezést és a statisztikai folyamatvezérlést .
Modellezési kihívások
A modern IC-ket számítógéppel szimulálják azzal a céllal, hogy működő áramköröket nyerjenek az első gyártott tételből. Mivel az eszközök miniatürizáltak, a feldolgozás összetettsége megnehezíti a végső eszközök pontos megjelenítését, és a fizikai folyamatok modellezése is kihívást jelent. Ezenkívül a szerkezet mikroszkopikus variációi, amelyek pusztán az atomi folyamatok valószínűségéből adódnak, statisztikai (nem csak determinisztikus) előrejelzéseket igényelnek. Ezek a tényezők együttesen megnehezítik a megfelelő szimulációt és az "első alkalommal történő" gyártást.

Egy kapcsolódó skálázási szabály Edholm törvénye . 2004-ben Phil Edholm megfigyelhető, hogy a sávszélesség a telekommunikációs hálózatok (beleértve az Internet ) megduplázódott 18 havonta. Során a több évtizedes, a sávszélessége kommunikációs hálózatok nőtt a bit per másodperc , hogy terabits másodpercenként . A távközlési sávszélesség gyors növekedése nagyrészt annak köszönhető, hogy ugyanaz a MOSFET méretezés teszi lehetővé Moore törvényét, mivel a távközlési hálózatok MOSFET -ekből épülnek fel.

Idővonal


PMOS és NMOS

MOSFET ( PMOS és NMOS ) bemutatók
Dátum Csatorna hossza Az oxid vastagsága MOSFET logika Kutató (k) Szervezet Ref
1960. június 20.000 nm 100 nm PMOS Mohamed M. Atalla , Dawon Kahng Bell Telephone Laboratories
NMOS
10 000 nm 100 nm PMOS Mohamed M. Atalla , Dawon Kahng Bell Telephone Laboratories
NMOS
1965. május 8000 nm 150 nm NMOS Chih-Tang Sah , Otto Leistiko, AS Grove Fairchild Félvezető
5000 nm 170 nm PMOS
1972. december 1000 nm ? PMOS Robert H. Dennard , Fritz H. Gaensslen, Hwa-Nien Yu IBM TJ Watson Kutatóközpont
1973 7500 nm ? NMOS Sohichi Suzuki NEC
6000 nm ? PMOS ? Toshiba
1974. október 1000 nm 35 nm NMOS Robert H. Dennard , Fritz H. Gaensslen, Hwa-Nien Yu IBM TJ Watson Kutatóközpont
500 nm
1975. szeptember 1500 nm 20 nm NMOS Ryoichi Hori, Hiroo Masuda, Osamu Minato Hitachi
1976. március 3000 nm ? NMOS ? Intel
1979. április 1000 nm 25 nm NMOS William R. Hunter, LM Ephrath, Alice Cramer IBM TJ Watson Kutatóközpont
1984. december 100 nm 5 nm NMOS Toshio Kobayashi, Seiji Horiguchi, K. Kiuchi Nippon távíró és telefon
1985. december 150 nm 2,5 nm NMOS Toshio Kobayashi, Seiji Horiguchi, M. Miyake, M. Oda Nippon távíró és telefon
75 nm ? NMOS Stephen Y. Chou, Henry I. Smith, Dimitri A. Antoniadis MIT
1986. január 60 nm ? NMOS Stephen Y. Chou, Henry I. Smith, Dimitri A. Antoniadis MIT
1987. június 200 nm 3,5 nm PMOS Toshio Kobayashi, M. Miyake, K. Deguchi Nippon távíró és telefon
1993. december 40 nm ? NMOS Mizuki Ono, Masanobu Saito, Takashi Yoshitomi Toshiba
1996. szeptember 16 nm ? PMOS Hisao Kawaura, Toshitsugu Sakamoto, Toshio Baba NEC
1998. június 50 nm 1,3 nm NMOS Khaled Z. Ahmed, Effiong E. Ibok, Miryeong Song Fejlett mikroeszközök (AMD)
2002. december 6 nm ? PMOS Bruce Doris, Omer Dokumaci, Meikei Ieong IBM
2003. december 3 nm ? PMOS Hitoshi Wakabayashi, Shigeharu Yamagami NEC
? NMOS

CMOS (egykapu)

Kiegészítő MOSFET ( CMOS ) tüntetések (egy- kapu )
Dátum Csatorna hossza Az oxid vastagsága Kutató (k) Szervezet Ref
1963. február ? ? Chih-Tang Sah , Frank Wanlass Fairchild Félvezető
1968 20.000 nm 100 nm ? RCA Laboratories
1970 10 000 nm 100 nm ? RCA Laboratories
1976. december 2.000 nm ? A. Aitken, RG Poulsen, ATP MacArthur, JJ White Mitel Semiconductor
1978. február 3000 nm ? Toshiaki Masuhara, Osamu Minato, Toshio Sasaki, Yoshio Sakai Hitachi Központi Kutatólaboratórium
1983. február 1200 nm 25 nm RJC Chwang, M. Choi, D. Creek, S. Stern, PH Pelley Intel
900 nm 15 nm Tsuneo Mano, J. Yamada, Junichi Inoue, S. Nakajima Nippon Telegraph and Telephone (NTT)
1983. december 1000 nm 22,5 nm GJ Hu, Yuan Taur, Robert H. Dennard , Chung-Yu Ting IBM TJ Watson Kutatóközpont
1987. február 800 nm 17 nm T. Sumi, Tsuneo Taniguchi, Mikio Kishimoto, Hiroshige Hirano Matsushita
700 nm 12 nm Tsuneo Mano, J. Yamada, Junichi Inoue, S. Nakajima Nippon Telegraph and Telephone (NTT)
1987. szeptember 500 nm 12,5 nm Hussein I. Hanafi, Robert H. Dennard , Yuan Taur, Nadim F. Haddad IBM TJ Watson Kutatóközpont
1987. december 250 nm ? Naoki Kasai, Nobuhiro Endo, Hiroshi Kitajima NEC
1988. február 400 nm 10 nm M. Inoue, H. Kotani, T. Yamada, Hiroyuki Yamauchi Matsushita
1990. december 100 nm ? Ghavam G. Shahidi , Bijan Davari , Yuan Taur, James D. Warnock IBM TJ Watson Kutatóközpont
1993 350 nm ? ? Sony
1996 150 nm ? ? Mitsubishi Electric
1998 180 nm ? ? TSMC
2003. december 5 nm ? Hitoshi Wakabayashi, Shigeharu Yamagami, Nobuyuki Ikezawa NEC

Több kapu MOSFET (MuGFET)

Több kapu MOSFET ( MuGFET ) bemutatók
Dátum Csatorna hossza MuGFET típus Kutató (k) Szervezet Ref
1984. augusztus ? DGMOS Toshihiro Sekigawa, Yutaka Hayashi Elektrotechnikai laboratórium (ETL)
1987 2.000 nm DGMOS Toshihiro Sekigawa Elektrotechnikai laboratórium (ETL)
1988. december 250 nm DGMOS Bijan Davari , Wen-Hsing Chang, Matthew R. Wordeman, CS Oh IBM TJ Watson Kutatóközpont
180 nm
? GAAFET Fujio Masuoka , Hiroshi Takato, Kazumasa Sunouchi, N. Okabe Toshiba
1989. december 200 nm FinFET Digh Hisamoto, Toru Kaga, Yoshifumi Kawamoto, Eiji Takeda Hitachi Központi Kutatólaboratórium
1998. december 17 nm FinFET Digh Hisamoto, Chenming Hu , Tsu-Jae King Liu , Jeffrey Bokor Kaliforniai Egyetem (Berkeley)
2001 15 nm FinFET Chenming Hu , Yang-Kyu Choi, Nick Lindert, Tsu-Jae King Liu Kaliforniai Egyetem (Berkeley)
2002. december 10 nm FinFET Shably Ahmed, Scott Bell, Cyrus Tabery, Jeffrey Bokor Kaliforniai Egyetem (Berkeley)
2006. június 3 nm GAAFET Szereplők: Hyunjin Lee, Yang-kyu Choi, Lee-Eun Yu, Seong-Wan Ryu KAIST

Más típusú MOSFET

MOSFET bemutatók ( más típusok )
Dátum Csatorna
hossza
(nm)
Oxid
vastagság
(nm)
MOSFET
típus
Kutató (k) Szervezet Ref
1962. október ? ? TFT Paul K. Weimer RCA Laboratories
1965 ? ? GaAs H. Becke, R. Hall, J. White RCA Laboratories
1966. október 100 000 100 TFT TP Brody, HE Kunig Westinghouse Electric
1967. augusztus ? ? FGMOS Dawon Kahng , Simon Min Sze Bell Telephone Laboratories
1967. október ? ? MNOS HA Richard Wegener, AJ Lincoln, HC Pao Sperry Corporation
1968. július ? ? BiMOS Hung-Chang Lin , Ramachandra R. Iyer Westinghouse Electric
1968. október ? ? BiCMOS Hung-Chang Lin , Ramachandra R. Iyer, CT Ho Westinghouse Electric
1969 ? ? VMOS ? Hitachi
1969. szeptember ? ? DMOS Y. Tarui, Y. Hayashi, Toshihiro Sekigawa Elektrotechnikai laboratórium (ETL)
1970. október ? ? ISFET Piet Bergveld Twente Egyetem
1970. október 1000 ? DMOS Y. Tarui, Y. Hayashi, Toshihiro Sekigawa Elektrotechnikai laboratórium (ETL)
1977 ? ? VDMOS John Louis Moll HP Labs
? ? LDMOS ? Hitachi
1979. július ? ? IGBT Bantval Jayant Baliga , Margaret Lazeri General Electric
1984. december 2000 ? BiCMOS H. Higuchi, Goro Kitsukawa, Takahide Ikeda, Y. Nishio Hitachi
1985. május 300 ? ? K. Deguchi, Kazuhiko Komatsu, M. Miyake, H. Namatsu Nippon távíró és telefon
1985. február 1000 ? BiCMOS H. Momose, Hideki Shibata, S. Saitoh, Jun-ichi Miyamoto Toshiba
1986. november 90 8.3 ? Han-Sheng Lee, LC Puzio General Motors
1986. december 60 ? ? Ghavam G. Shahidi , Dimitri A. Antoniadis, Henry I. Smith MIT
1987. május ? 10 ? Bijan Davari , Chung-Yu Ting, Kie Y. Ahn, S. Basavaiah IBM TJ Watson Kutatóközpont
1987. december 800 ? BiCMOS Robert H. Havemann, RE Eklund, Hiep V. Tran Texas Instruments
1997. június 30 ? EJ-MOSFET Hisao Kawaura, Toshitsugu Sakamoto, Toshio Baba NEC
1998 32 ? ? ? NEC
1999 8 ? ? ?
2000. április 8 ? EJ-MOSFET Hisao Kawaura, Toshitsugu Sakamoto, Toshio Baba NEC

Lásd még

Hivatkozások

Külső linkek