pienoiskuva|MOS-transistoreita
MOS-transistori eli MOSFET () on kanavatransistori, jossa hilaelektrodi on eristetty kanavasta. Sitä käytetään sekä digitaalisissa että analogisissa piireissä.
Sanatarkasti ymmärrettynä MOS-transistori eli metallioksidi-puolijohdekanavatransistori kattaa vain tapaukset, jossa eriste on metallioksidi. Eristyshilainen kanavatransistori eli IGFET (insulated-gate field-effect transistor) on tällöin MOSFETiä yleisempi termi, joka käsittää myös tapaukset, joissa eriste ei ole metallioksidi. Tällaista erottelua ei kuitenkaan käytännössä yleensä noudateta, vaan kaikkia eristyshilaisia kanavatransistoreita kutsutaan MOSFETeiksi. Nykyaikaisissa integroiduissa piireissä käytetään eristeenä yleensä monikiteistä piitä.
Historia Mohamed Atalla ja Dawon Kahng keksivät MOSFETin (yleisesti lyhyesti MOS) Bell Labsissa vuonna 1959. Kahng ja Atalla valmistivat PMOS- ja NMOS-tekniikalla, mutta vain PMOS-laitteet toimivat.
Ennen kuin Bell Labs esitteli toimivaa MOS-transistoria Paul K. Weimer ja J. Torkel Wallmark RCA:n laboratorioissa tekivät pohjatyön ohutkalvoihin perustuville MOS-transistoreille.
MOS-transistorit korvasivat bipolaaritransistorit 99 prosentissa tapauksista.
Osat pienoiskuva|oikea|NMOS-tyyppinen MOS-transistori koostuu n-tyypin lähteestä (S) ja nielusta (D) sekä p-tyypin substraattiin kiinnitetystä hilasta (G). MOS-transistori koostuu puolijohdesubstraatista, jossa on ohut kerros eristeoksidia. Oksidin yläosaan on asetettu johtava hilaelektrodi (G). Hilan kummallekin puolelle substraattiin on lisätty kaksi vahvasti seostettua aluetta: lähde (S) ja nielu (D), jotka on sijoitettu osittain koskettamaan hilaa. Lähteen ja nielun välistä tilaa kutsutaan kanava-alueeksi.
Lähde ja nielu ovat samaa varaustyyppiä (joko p tai n), ja jos seokset ovat voimakkaita, lisätään '+'-merkki seostyypin kirjaimen perään. Substraattirunko on vastakkaista tyyppiä kuin lähde ja nielu eikä substraatin seos ole voimakasta. Lähde on saanut nimensä siitä, että siitä varauksenkuljettajat (elektronit N-kanavalla, aukot P-kanavalla) tulevat kanavaan ja vastaavasti nielusta varauksenkuljettajat poistuvat kanavasta.
Piirrosmerkit MOSFETistä käytetään useita erilaisia piirrosmerkkejä. Perussymbolissa on tavallisesti viiva kanavana, johon lähde ja nielu liittyvät kohtisuorassa ja kääntyvät myöhemmin kanavan viivan suuntaisiksi. Joskus kanavan viiva on pätkinä viitaten avaustilaiseen (enhancement mode) puolijohteeseen ja yhtenäisenä viitaten tyhjennystilaiseen (depletion mode) puolijohteeseen, mutta koska katkoviivan piirto on hankalahkoa, tätä seikkaa ei yleensä piirretä. Kanavan rinnalle sitä koskettamatta piirretään toinen viiva hilaksi.
Jos transistori on rakenteeltaan sellainen, että siinä on ns. bulk-liitäntä (planaarisella valmistusprosessilla ohuelle levylle tehtynä), se kerrotaan yleensä kanavan keskivaiheille laitettavalla nuolella joka merkitsee PMOS- tai NMOS-rakennetta. Nuoli osoittaa aina P:stä N:ään, eli NMOS-tapauksessa (n-kanava) nuolen kärki osoittaa kanavaan. Jos bulk on kiinni lähteessä, mikä on tavallista yksittäisten komponenttien kanssa, nuoli kytketään lähde-kontaktiin. Joskus bulkkia ei piirretä ollenkaan (tavallista IC-piirien sisäisissä kytkennöissä joissa on yhteinen bulk), inversiosymbolina oleva pieni ympyrä esittää usein PMOSia.
Vertailussa avaus- ja tyhjennystilaisten FETien piirrosmerkit, sekä JFET:in symbolit: 80px 80px 80px 80px P-kanava 80px 80px 80px 80px N-kanava JFET MOSFET enh MOSFET dep
Materiaalit Yleensä puolijohdemateriaaliksi on valittu pii, mutta jotkin piirivalmistajat ovat alkaneet käyttää MOSFETn kanavassa piin ja germaniumin sekoitetta (SiGe). Valitettavasti monet sähköisesti paremmat puolijohdemateriaalit eivät kuitenkaan muodosta hyviä eristeoksideja (esim. galliumarsenidi) eivätkä täten sovellu MOSFETien valmistukseen.
Kanavan päällä hilaliitäntä on kerros polypiitä. Se eristetään kanavasta erittäin ohuella (satoja nanometrejä) eristekerroksella, joka tavallisimmin on piidioksidia (kvartsia) tai se voidaan korvata pii-happi-nitridillä.
Toiminta MOS-rakenne thumbnail|MOS-rakenne muodostaa kondensaattorin, jonka elektrodeina toimivat hila (G) ja seostettu puolijohde, joiden välissä oleva piioksidi on eriste.
MOS-rakenne koostuu kolmesta alueesta: hilasta, eristeenä toimivasta piioksidista (kvartsi) ja piipuolijohteesta. Hila on nykyisin yleensä monikiteistä ns. polypiitä eikä metallia. Koska kvartsi on eriste, rakenne vastaa kondensaattoria, jossa yksi elektrodeista on korvattu puolijohteella.
Kun MOS-rakenteen yli tuodaan jännite, se aikaansaa varausjakauman muutoksen puolijohdeaineessa.
P-tyypin puolijohteessa (jossa on aukkojen tiheys) hilan (G) ja puolijohteen välinen positiivinen jännite (katso kuvaa) vähentää aukkojen tiheyttä ja lisää vapaiden elektronien tiheyttä. Jos on kyllin suuri, negatiivisten varauksenkuljettajien (elektronien) tiheys hilan lähellä ylittää positiivisten varauksenkuljettajien (aukot) tiheyden, jolloin päädytään ns. inversiokerroksen muodostumiseen.
Tässä rakenteessa P-tyypin perusmateriaali on perustana N-tyypin MOSFETille, joka tarvitsee lisäksi N-tyypin lähde- ja nielualueet.
Perusteet MOSFETin toiminta perustuu siis MOS-kapasitanssin läheisyydessä olevan varaustiheyden ohjaukseen. Kun hilan ja lähteen välille luodaan jännite-ero , sen sähkökenttä läpäisee oksidin aina alla olevaan kanavaan asti ja luo sinne ns. "käänteisen kanavan" ("inversion channel"). Tämä "käänteinen kanava on samaa tyyppiä (P- tai N-tyyppiä) kuin lähde ja nielu, jolloin se muodostaa kanavan, jota pitkin virta voi kulkea. Jännitettä muuttamalla voidaan säätää kanavan johtavuutta ja nieluvirran suuruutta.
Jos MOSFET on N-kanavatyyppiä, lähde ja nielu ovat 'N+' alueita ja runko on 'P' aluetta. Kun hilan ja lähteen välinen jännite (VGS) on positiivinen, se luo N-kanavan rungon P-materiaalin pintaan aivan oksidikerroksen alle. Tämä N-kanava on sähkönjohde lähteen ja nielun välillä. Kun nolla tai negatiivinen jännite vaikuttaa hilan ja lähteen välillä, kanava katoaa ja virtaa ei kulje lähteestä nieluun.
P-kanavatyypin MOSFETilla lähde ja nielu ovat 'P+'-alueita ja runko on 'N'-aluetta. Kun hilan ja lähteen välinen jännite on negatiivinen (positiivinen lähde-hila-suuntaan), se luo P-kanavan rungon N-alueen pintaan, jne. kuten edellä.
Runkovaikutus Runkovaikutus (engl. body effect) kuvaa kynnysjännitteen muutosta riippuen lähde-runko -jännitteestä ja se voidaan esittää yhtälöllä , missä: on kynnysjännite esijännitteen ollessa nolla on runkovaikutusparametri on pintapotentiaali.
Runkoa voi hallita toisella hilalla, jota usein kutsutaan näin takahilaksi ("back gate") ja runkovaikutusta kutsutaan joskus näin joskus nimellä: "back-gate effect".Equars.com Body effect: threshold variation and its approximation.
Toimintamuodot thumbnail|300px|MOSFETin nieluvirran voimakkuuksia useilla VDS jännitteillä ja VGS-Vth arvoilla thumbnail|MOSFETin poikkileikkaus sen toimiessa lineaarisella alueella thumbnail|MOSFETin poikkileikkaus sen toimiessa avausalueella MOSFETin toiminta voidaan jaotella kolmeen eri tilaan riippuen sen yli vaikuttavista jännitteistä. Avaustilaiselle n-kanava MOSFETille (enhancement mode, n-channel MOSFET):
Cut-off tai kynnyksen alittava tila Kun missä on FET:in kynnysjännite. Kynnysmallin mukaan suljettu transistori ei johda lähteen ja nielun välillä. Todellisuudessa elektronien energioiden Bolzmann-jakauma sallii suurempienergisten elektronien kulkea kanava-alueen kautta tuottaen kynnyksen alittavan (engl. sub-threshold) virran, jonka suuruus on hilan ja lähteen välisen jännitteen eksponenttifunktio. Vaikkakin kytkinkäytössä suljetun transistorin läpi ei pitäisi kulkea mitään virtaa, kulkee siellä heikko virta jota kutsutaan vuotovirraksi (subthreshold leakage).
Triodi- tai lineaarinen tila Kun VGS > Vth ja VDS < VGS - Vth Transistori on johtava, ja on muodostanut kanavan, joka sallii virran lähteeltä nielulle. MOSFET toimii vastuksen tapaan, ja sitä ohjataan hilajännitteellä. Virta nielulta lähteelle (drain → source) on:
missä on varauksenkuljettajien liikkuvuus, on hilan leveys, hilan pituus ja on hilaoksidin kapasitanssi per yksikköala. Muutos eksponenttiaalisesta kynnyksen alittavasta tilasta trioditilaan ei ole aivan niin äkkinäinen kuin yhtälö antaa ymmärtää.
Kyllästystilassa (ts. saturaatiossa) Kun VGS > Vth ja VDS > VGS - Vth Kytkin on johtava, ja kanava sallii virran kulun nielulta lähteelle (drain → source). Koska nielujännite (VD) on korkeampi kuin hilajännite, osa kanavasta on suljettu. Tämän toimintatilan alku tunnetaan nimellä kanavan sulkeutuminen (engl. pinch-off). Nieluvirta on nyt melko lailla riippumaton nielun jännitteestä (ainakin likiarvona) ja virtaa ohjaa vain hilan jännite:
kertomalla edellinen yhtälö otetaan huomioon kanavan pituuden vaikutus (Early-ilmiö, James M. Early).
Kehitys ja käyttö
MOSFET valmistettiin laittamalla puolijohteen pinnalle eristekerros ja sen päälle metallinen hila. Tuotantomenetelmän edullisuus ja integroinnin helppous tekivät siitä oitis kiinnostavan tekniikan. Lisäksi kun MOSFET ei kehitä piin ja piidioksidin väliseen pintaansa paikallisia elektroniloukkuja (engl: interface states), niistä ei ole haittaa samaan tapaan kuin aiemmille transistorien valmistustekniikoille.
Näistä syistä MOSFET on nykypäivän tärkein valmistustekniikka integroitujen piirien tekoon.
Digitaaliset sovellukset Digitaalisten teknologioiden kehitystarve (kuten esim. mikroprosessorit) on luonut tarpeen kehittää MOSFET-teknologiaa nopeammin kuin mitään muuta piipohjaista transistorityyppiä. Menestyksen syynä on ollut erityisesti p- ja n-kanavaisia MOSFETejä rakennuspalikoinaan käyttävän CMOS-logiikan kehitys.
CMOS-logiikan merkittävä etu on, että ilman tilamuutoksia se ei kuluta virtaa pieniä vuotovirtoja lukuun ottamatta. Tilamuutosten tapahtuessa virta kulkee lyhytaikaisesti CMOS:in komplementtiparin molempien transistorien kautta, mikä näyttää oikosululta käyttösähkön ja maapotentiaalin välillä. Niinpä CMOS:in virrankulutus määräytyy kytkinten kapasitanssien suuruudesta ja tilamuutosten lukumäärästä aikayksikössä: kellotaajuuden kasvattaminen nostaa virrankulutusta.
CMOS-logiikalla on myös suuri ottoimpedanssi ja melko matala antoimpedanssi. Verrattuna TTL-logiikkaan yksi lähtö-CMOS kykenee ohjaamaan useampia CMOS-ottoja kuin TTL-systeemi. Koska MOSFETin hila on kapasitanssi, taajuuden noustessa sen esittämä impedanssi alenee ja siten se tarvitsee isompaa ajotehoa → taajuuden nousessa ajokyky heikkenee.
Analogiset sovellukset MOSFETin edut digitaalisten piirien pääratkaisuna eivät kuitenkaan ole sellaisenaan edullisia analogisissa piireissä. Bipolaaritransistoreita on perinteisesti käytetty analogisten järjestelmien transistoreina pääasiassa niiden korkean transkonduktanssin ja ainutlaatuisten ominaisuuksien vuoksi, mutta MOSFETeilläkin on analogiset käyttötarkoituksensa.
Eräät MOSFETin edut johtuvat sen positiivisesta lämpötilakertoimesta. Ne eivät ylikuumenene hallitsemattomasti kuten bipolaariset transistorit. Lisäksi MOSFETejä voi lineaarisella toiminta-alueellaan käyttää tarkkaan aseteltavina vastuksina, joiden säätöalue on myös bipolaareja paljon laajempi. MOSFETejä voi myös käyttää kondensaattoreina ja sopivalla operaatiovahvistinkytkennällä ne voidaan saada näyttämään keloilta. Kaikkiaan MOSFETilla voidaan simuloida kaikki komponentit lukuun ottamatta diodeja, jotka ovat diskreetteinä MOSFETeja pienempiä. Tämä mahdollistaa täydellisten analogisten kytkentöjen teon integroituna piille hyvin pieneen tilaan. Jotkin integroidut piirit sisältävät analogisia ja digitaalisia MOSFET rakenteita pienentäen piirikortin kokotarvetta.
Tällainen tuo tarvetta eristää analogisia ja digitaalisia rakenteita piiritasolla. Siihen on luotu tekniikoiksi eristämisrenkaita ja pii eristeen päällä (). Bipolaaritransistorin etu MOSFETiin nähden on Bipolaarin kyky käsitellä isompaa virtaa pienemmällä alalla.