MOSFET - MOSFET

MOSFET
MOSFET Structure.png
MOSFET, jossa portti (G), runko (B), lähde (S) ja tyhjennys (D). Portti on erotettu rungosta eristekerroksella (vaaleanpunainen).
Toimintaperiaate Puolijohde
Keksitty 1959
Ensimmäinen tuotanto 1960
Pin -kokoonpano portti (G), runko (B), lähde (S) ja tyhjennys (D)
Jäähdytyselementti ja erillinen MOSFET -transistori

Metalli-oksidi-puolijohde-FET-transistori ( MOSFET , MOSFET , tai MOS FET ), joka tunnetaan myös metalli-oksidi-pii transistori ( MOS-transistorin , tai MOS ), on eräänlainen eristetty-gate field-effect transistori , joka on valmistettu, että hallitulla hapetuksella on puolijohde , tyypillisesti pii . Katetun portin jännite määrää laitteen sähkönjohtavuuden ; tätä kykyä muuttaa johtavuutta käytetyn jännitteen määrällä voidaan käyttää vahvistamiseentai vaihtaa sähköisiä signaaleja .

MOSFET keksi Mohamed M. Atalla ja Dawon Kahng on Bell Labs vuonna 1959, ja ensimmäinen esitetty vuonna 1960. Se on peruslohko nykyaikaisen elektroniikan, ja useimmin valmistettu laite historiaa, yhteensä arviolta 13  sextillion (1,3 × 10 22 ) MOSFET -laitteet , jotka on valmistettu vuosina 1960–2018. Se on hallitseva puolijohdelaite digitaalisissa ja analogisissa integroiduissa piireissä (IC) ja yleisin teholaite . Se on pienikokoinen transistori, joka on pienennetty ja massatuotettu monenlaisiin sovelluksiin ja mullistanut elektroniikkateollisuuden ja maailmantalouden, ja se on keskeinen osa digitaalista vallankumousta , pii-aikaa ja tietokautta . MOSFET-skaalaus ja pienentäminen ovat ajaneet elektronisen puolijohdetekniikan nopeaa eksponentiaalista kasvua 1960-luvulta lähtien ja mahdollistavat suuritiheyksiset IC: t , kuten muistisirut ja mikroprosessorit . MOSFETia pidetään elektroniikkateollisuuden "työhevosena".

MOSFETin tärkein etu on se, että se ei vaadi lähes lainkaan syöttövirtaa kuormitusvirran säätämiseen verrattuna bipolaarisiin risteystransistoreihin (BJT). Eräässä lisäysmoodissa MOSFET, jännite hilalle päätelaite voi lisätä johtokyvyn "normaalisti pois" tilassa. Eräässä sulkutyypin MOSFET, jännitteen portilla voi vähentää johtokyvyn "normaalisti" tilaan. MOSFET kykenevät myös suuri skaalautuvuus, yhä miniatyrisointi , ja joka voidaan helposti skaalata pienempiin mittoihin. Niillä on myös nopeampi kytkentänopeus (ihanteellinen digitaalisille signaaleille ), paljon pienempi koko, ne kuluttavat huomattavasti vähemmän virtaa ja mahdollistavat paljon suuremman tiheyden (ihanteellinen laajamittaiseen integrointiin ) verrattuna BJT-laitteisiin. MOSFETit ovat myös halvempia ja niissä on suhteellisen yksinkertaisia ​​käsittelyvaiheita, mikä johtaa korkeaan tuotantotuottoon .

MOSFETit voidaan valmistaa joko osana MOS-integroituja piirisiruja tai erillisinä MOSFET-laitteina (kuten teho-MOSFET ), ja ne voivat olla yksi- tai moniporttisia transistoreita. Koska MOSFETit voidaan valmistaa joko p- tai n-tyypin puolijohteilla (vastaavasti PMOS- tai NMOS-logiikka ), täydentäviä MOSFET-pareja voidaan käyttää kytkentäpiirien muodostamiseen erittäin pienellä virrankulutuksella : CMOS (Complementary MOS) -logiikka.

Nimi "metallioksidi -puolijohde" (MOS) viittaa tyypillisesti metalliporttiin , oksidieristykseen ja puolijohteeseen (tyypillisesti pii). Nimi "MOSFET" oleva "metalli" on kuitenkin joskus harhaanjohtava nimitys, koska porttimateriaali voi olla myös monipii- kerros (monikiteinen pii). Yhdessä oksidi , erilaiset dielektriset materiaalit voidaan myös käyttää, jonka tarkoituksena on saada vahva kanavien pienempi käytetyillä jännitteillä. MOS -kondensaattori on myös osa MOSFET -rakennetta.

Poikkileikkaus nMOSFETin läpi, kun hilajännite V GS on johtavan kanavan muodostamisen kynnyksen alapuolella; tyhjennys- ja lähdeliittimien välillä on vähän tai ei lainkaan johtumista; kytkin on pois päältä. Kun portti on positiivisempi, se houkuttelee elektroneja indusoimalla n -tyypin johtava kanava substraattiin oksidin alapuolelle, mikä mahdollistaa elektronien virtaamisen n -seostettujen terminaalien välillä; kytkin on päällä.
Simulointi käänteiskanavan (elektronitiheys) muodostumiselle ja kynnysjännitteen (IV) saavuttamiselle nanojohdossa MOSFET. Huomautus: tämän laitteen kynnysjännite on noin 0,45 V

Aikainen historia

Tausta

Kenttävaikutransistorin (FET) perusperiaatteen ehdotti ensimmäisen kerran itävaltalainen fyysikko Julius Edgar Lilienfeld vuonna 1926, kun hän jätti ensimmäisen patentin eristetyn portin kenttävaikutransistorille. Seuraavien kahden vuoden aikana hän kuvaili erilaisia ​​FET -rakenteita. Hänen kokoonpanossaan alumiini muodosti metallin ja alumiinioksidi oksidin, kun taas kuparisulfidia käytettiin puolijohteena . Hän ei kuitenkaan pystynyt rakentamaan käytännöllistä työlaitetta. FET -konseptin teoreetisoivat myöhemmin myös saksalainen insinööri Oskar Heil 1930 -luvulla ja amerikkalainen fyysikko William Shockley 1940 -luvulla . Tuolloin ei ollut rakennettu käytännöllistä FET: tä, eikä yksikään näistä varhaisista FET -ehdotuksista sisältänyt lämpöhapetettua piitä.

Puolijohdeyritykset keskittyivät alun perin puolijohdeteollisuuden alkuvuosina bipolaarisiin risteystransistoreihin (BJT) . Risteystransistori oli kuitenkin suhteellisen tilaa vievä laite, jota oli vaikea valmistaa massatuotantona , mikä rajoitti sen useisiin erikoissovelluksiin. FET -teoreettisia teoreettisia ratkaisuja oli vaihtoehtoisille risteystransistoreille, mutta tutkijat eivät pystyneet rakentamaan käytännön FET -laitteita, mikä johtui suurelta osin hankalasta pintatilaesteestä, joka esti ulkoisen sähkökentän tunkeutumisen materiaaliin. 1950 -luvulla tutkijat olivat suurelta osin luopuneet FET -konseptista ja keskittyneet sen sijaan BJT -tekniikkaan.

Vuonna 1955 Carl Frosch ja Lincoln Derrick peittivät vahingossa piikiekon pinnan piidioksidikerroksella . Tämän oksidikerroksen myöhemmässä kokeellisessa karakterisoinnissa he havaitsivat, että se esti tiettyjen lisäaineiden pääsyn piikiekkoon (huolimatta muiden sallimisesta) ja löysivät siten pinnan hapetuskerroksen passivoivan vaikutuksen tähän puolijohteeseen. Heidän jatkotyönsä osoitti pienten aukkojen syövytyksen oksidikerrokseen lisäaineiden levittämiseksi piikiekon tarkasti kontrolloiduille alueille. Vuonna 1957 he julkaisivat tutkimuspaperin ja patentoivat tekniikan, joka tiivistää heidän työnsä. Heidän kehittämänsä tekniikka tunnetaan oksididiffuusion peitteenä, jota myöhemmin käytetään MOSFET -laitteiden valmistuksessa . Bell Labsissa Froschin tekniikan merkitys ymmärrettiin heti, koska piioksidit ovat paljon vakaampia kuin germaniumoksidit, niillä on paremmat dielektriset ominaisuudet ja niitä voidaan käyttää samanaikaisesti diffuusion naamiona. Työnsä tulokset kiertyivät Bell Labsin ympärillä BTL -muistioiden muodossa ennen niiden julkaisemista vuonna 1957. Shockley Semiconductorissa Shockley oli levittänyt artikkelinsa esipainon joulukuussa 1956 kaikelle ylemmälle henkilökunnalleen, mukaan lukien Jean Hoerni .

Keksintö

Mohamed M.Atalla (vasemmalla) ja Dawon Kahng (oikealla) keksivät MOSFETin vuonna 1959.

Mohamed M. Atalla klo Bell Labs oli käsitellä ongelmaa pintatilojen 1950-luvun lopulla. Hän otti Frosch työtä hapetus, yrittää passivoi pinnan ja piin läpi muodostamalla oksidikerroksen päälle. Hän ajatteli, että erittäin ohuen, korkealaatuisen, termisesti kasvatetun Si O 2 : n kasvattaminen puhtaan piikiekon päälle neutraloi pintatiloja tarpeeksi käytännöllisen kenttävaikutustransistorin tekemiseksi. Hän kirjoitti havaintonsa BTL -muistioihinsa vuonna 1957, ennen kuin esitteli työnsä Electrochemical Society -kokouksessa vuonna 1958. Tämä oli tärkeä kehitys, joka mahdollisti MOS -tekniikan ja pii -integroidun piirin (IC) sirut. Seuraavana vuonna John L. Moll kuvasi MOS -kondensaattoria Stanfordin yliopistossa . Atallan työtoverit JR Ligenza ja WG Spitzer, jotka tutkivat termisesti kasvatettujen oksidien mekanismia, onnistuivat valmistamaan korkealaatuisen Si/ SiO 2- pinon, ja Atalla ja Kahng käyttivät havaintojaan.

MOSFET keksittiin, kun Mohamed Atalla ja Dawon Kahng onnistuneesti valmistettu ensimmäisen arkipäivän MOSFET-laitetta marraskuussa 1959. Laite kuuluu kaksi patenttia, molemmat esittäneet erikseen Atalla ja Kahng vuonna Maaliskuu 1960. He julkaisivat tulokset kesäkuussa 1960 klo Solid State Device Conference pidettiin Carnegie Mellonin yliopistossa . Samana vuonna Atalla ehdotti MOSFET -laitteiden käyttöä MOS -integroitujen piirien (MOS IC) sirujen rakentamiseen huomioiden MOSFETin helppo valmistus.

Kaupallistaminen

MOSFETin etuna oli se, että se oli suhteellisen kompakti ja helppo valmistaa massatuotannossa verrattuna kilpailevaan tasoristeystransistoriin, mutta MOSFET edusti radikaalisti uutta tekniikkaa, jonka käyttöönotto olisi vaatinut Bellin bipolaarinen risteystransistori (BJT). MOSFET oli myös aluksi hitaampi ja vähemmän luotettava kuin BJT.

1960 -luvun alussa Fairchild Semiconductor , RCA Laboratories , General Microelectronics (entisen Fairchild -insinöörin Frank Wanlassin johtama ) ja IBM perustivat MOS -teknologian tutkimusohjelmia . Vuonna 1962 Steve R.Hofstein ja Fred P.Heiman RCA: ssa rakensivat ensimmäisen MOS -integroidun piirisirun. Seuraavana vuonna he keräsivät kaikki aiemmat FET -teokset ja antoivat MOSFET -järjestelmän toiminnan teorian. CMOS: n ovat kehittäneet Chih-Tang Sah ja Frank Wanlass Fairchildissa vuonna 1963. Ensimmäinen CMOS-integroitu piiri rakennettiin myöhemmin vuonna 1968 Albert Medwinin toimesta .

Ensimmäinen virallinen julkinen ilmoitus MOSFETin olemassaolosta potentiaalisena tekniikkana tehtiin vuonna 1963. General Microelectronics kaupallisti sen ensimmäisen kerran toukokuussa 1964 ja sen jälkeen Fairchildin lokakuussa 1964. GMen ensimmäinen MOS -sopimus tehtiin NASAn kanssa , joka käytti MOSFET -laitteita avaruusaluksiin ja satelliitit on Planeettojen seurantafoorumi (IMP) ohjelmaan ja Explorers ohjelmaan . General Microelectronicsin ja Fairchildin kaupallistamat varhaiset MOSFETit olivat p-kanavaisia ( PMOS ) laitteita logiikka- ja kytkentäsovelluksiin. 1960-luvun puoliväliin mennessä RCA käytti MOSFET-laitteita kuluttajatuotteissaan, mukaan lukien FM-radio , televisio ja vahvistimet . Vuonna 1967 Bell Labsin tutkijat Robert Kerwin, Donald Klein ja John Sarace kehittivät itsesäätyvän MOS-transistorin (pii-portti), jonka Fairchildin tutkijat Federico Faggin ja Tom Klein sovittivat integroiduille piireille vuonna 1968.

MOS -vallankumous

MOSFETin kehittäminen johti elektroniikkatekniikan vallankumoukseen , jota kutsutaan MOS -vallankumoukseksi tai MOSFET -vallankumoukseksi ja joka vauhditti varhaisen puolijohdeteollisuuden teknologista ja taloudellista kasvua .

MOSFETin vaikutus tuli kaupallisesti merkittäväksi 1960 -luvun lopusta lähtien. Tämä johti vallankumoukseen elektroniikkateollisuudessa , joka on sittemmin vaikuttanut jokapäiväiseen elämään lähes kaikin tavoin. MOSFETin keksintöä on pidetty nykyaikaisen elektroniikan syntymänä ja se oli keskeinen mikrotietokoneiden vallankumouksessa.

Merkitys

MOSFET muodostaa modernin elektroniikan perustan ja on useimpien nykyaikaisten elektronisten laitteiden peruselementti . Se on elektroniikan yleisin transistori ja maailman laajimmin käytetty puolijohdelaite . Sitä on kuvattu "elektroniikkateollisuuden työhevoseksi" ja "perusteknologiaksi" 1900 -luvun lopulta 2000 -luvun alkuun. MOSFET -skaalaus ja miniatyrisointi (katso luettelo puolijohdeskaalan esimerkeistä ) ovat olleet ensisijaisia ​​tekijöitä elektronisen puolijohdetekniikan nopean eksponentiaalisen kasvun takana 1960 -luvulta lähtien, koska MOSFET -laitteiden nopea miniatyrisointi on suurelta osin johtanut transistorin tiheyden lisääntymiseen, suorituskyvyn kasvuun ja laskuun virrankulutus on integroidun piirin sirut ja elektronisten laitteiden 1960-luvulta lähtien.

MOSFET -laitteet ovat skaalautuvia ( Mooren laki ja Dennardin skaalaus ), pienentämällä niitä , ja ne voidaan pienentää helposti pienemmiksi. Ne kuluttavat huomattavasti vähemmän virtaa ja mahdollistavat paljon suuremman tiheyden kuin kaksisuuntaiset transistorit. MOSFETit voivat olla paljon pienempiä kuin BJT: t, noin kahdeskymmenesosa koosta 1990-luvun alussa. MOSFETit on myös nopeampi kytkentä nopeus, nopea-off elektroninen kytkentä , joka tekee niistä ihanteellisia tuottamiseksi pulssijonot , perustan digitaalisia signaaleja . toisin kuin BJT: t, jotka tuottavat hitaammin siniaaltoja muistuttavia analogisia signaaleja . MOSFETit ovat myös halvempia ja niissä on suhteellisen yksinkertaisia ​​käsittelyvaiheita, mikä johtaa korkeaan tuotantotuottoon . MOSFETit mahdollistavat siten laajamittaisen integroinnin (LSI) ja ovat ihanteellisia digitaalipiireille sekä lineaarisille analogisille piireille .

MOSFETia on kuvattu useimmiten tärkeimmäksi transistoriksi , elektroniikkateollisuuden tärkeimmäksi laitteeksi, luultavasti tietotekniikkateollisuuden tärkeimmäksi laitteeksi , yhdeksi puolijohdetekniikan tärkeimmistä kehityksistä ja mahdollisesti elektroniikan tärkeimmäksi keksinnöksi. MOSFET on ollut keskeinen rakennuspalikka modernin digitaalisen elektroniikan aikana digitaalinen vallankumous , informaatiovallankumous , tietojen ikä ja piin ikä . MOSFETit ovat olleet tietokonevallankumouksen ja sen mahdollistamien tekniikoiden liikkeellepaneva voima . Elektroniikkateollisuuden nopea edistyminen 20. vuosisadan lopulla ja 21. vuosisadan alussa saavutettiin nopealla MOSFET -skaalauksella ( Dennardin skaalaus ja Mooren laki ) nanoelektroniikan tasolle 2000 -luvun alussa. MOSFET mullisti maailman tietokauden aikana, ja sen tiheys mahdollisti tietokoneen olemassaolon muutamilla pienillä IC -siruilla huoneen täyttämisen sijasta ja teki myöhemmin mahdolliseksi digitaalisen viestintätekniikan , kuten älypuhelimet .

MOSFET on historian laajimmin valmistettu laite . MOSFETin vuotuinen liikevaihto on 295 miljardia dollaria vuodesta 2015. Vuosien 1960 ja 2018 välillä on valmistettu arviolta 13 sekstiljoonaa MOS -transistoria, mikä vastaa vähintään 99,9% kaikista transistoreista. Digitaaliset integroidut piirit, kuten mikroprosessorit ja muistilaitteet, sisältävät tuhansista miljardeihin integroituja MOSFET -laitteita kussakin laitteessa, mikä tarjoaa logiikkaporttien ja tietojen tallennuksen toteuttamiseen tarvittavat perustoiminnot . On myös muistilaitteita, jotka sisältävät vähintään biljoonaa MOS -transistoria, kuten 256 Gt: n microSD -muistikortti , joka on suurempi kuin Linnunradan galaksin tähtien määrä . Vuodesta 2010 lähtien nykyaikaisten MOSFET -laitteiden toimintaperiaatteet ovat pysyneet pitkälti samoina kuin alkuperäinen MOSFET, jonka Mohamed Atalla ja Dawon Kahng esittivät ensimmäisen kerran vuonna 1960.   

US Patent and Trademark Office kutsuu MOSFET "uraauurtava keksintö, joka muutti elämän ja kulttuurin ympäri maailmaa" ja Computer History Museum luottojen se "peruuttamattomasti muuttaa ihmisen kokemus." MOSFET oli myös perusta Nobel-palkinnon saaneille läpimurtoille, kuten kvanttihallitehoste ja varauskytketty laite (CCD), vaikka itse MOSFETista ei koskaan myönnetty Nobel-palkintoa. Vuonna 2018 muistion Jack Kilby n Nobelin fysiikan puolestaan keksinnössä integroidun piirin Royal Swedish Academy of Sciences mainitaan erityisesti MOSFET ja mikroprosessori muita tärkeitä keksintöjen kehityksessä mikroelektroniikan . MOSFET on myös mukana elektroniikan IEEE -virstanpylväiden luettelossa, ja sen keksijät Mohamed Atalla ja Dawon Kahng pääsivät National Inventors Hall of Fameen vuonna 2009.

Sävellys

Valokuva kahdesta metalli-portin MOSFET: stä testikuviossa. Kaksi porttia ja kolme lähde/tyhjennysolmua sisältävät mittapäät on merkitty.

Yleensä valittu puolijohde on pii . Jotkut sirunvalmistajat, erityisesti IBM ja Intel , ovat viime aikoina alkaneet käyttää piin ja germaniumin ( SiGe ) kemiallista yhdistettä MOSFET -kanavissa. Valitettavasti monet puolijohteet, joiden sähköiset ominaisuudet ovat parempia kuin pii, kuten gallium-arseeni , eivät muodosta hyviä puolijohde-eriste-rajapintoja, eivätkä siksi sovellu MOSFET-laitteille. Tutkimusta jatketaan sellaisten eristimien luomisesta, joilla on hyväksyttävät sähköiset ominaisuudet muille puolijohdemateriaaleille.

Portin virran vuotamisesta johtuvan tehonkulutuksen kasvun voittamiseksi käytetään piidioksidin sijasta korkean κ: n dielektristä hilaeristettä, kun taas monipii korvataan metalliovilla (esim. Intel , 2009).

Portti on erotettu kanavasta ohuella eristekerroksella, joka on perinteisesti piidioksidia ja myöhemmin piioksinitridiä . Jotkut yritykset ovat alkaneet ottaa käyttöön korkean κ eriste- ja metalliporttiyhdistelmän 45 nanometrin solmussa.

Kun portin ja rungon liittimien väliin syötetään jännitettä, syntyvä sähkökenttä tunkeutuu oksidin läpi ja luo inversiokerroksen tai -kanavan puolijohde-eristin-rajapintaan, minkä vuoksi tämä osa on vähemmän p-tyyppinen ja tasoittaa tietä johtumiseen virta, joka johtaa jännitteen nousuun portin ja rungon välillä, joka työntää reiät pois ja muodostaa kerroksen liikkumattomia kantajia, jotka on ladattu negatiivisesti. Käänteiskerros tarjoaa kanavan, jonka kautta virta voi kulkea lähde- ja tyhjennysliittimien välillä. Portin ja rungon välisen jännitteen muuttaminen moduloi tämän kerroksen johtavuutta ja säätelee siten virtausta viemärin ja lähteen välillä. Tätä kutsutaan parannustilaksi.

Operaatio

Metalli-oksidi-puolijohderakenne p-tyypin piillä

Metalli -oksidi -puolijohderakenne

Perinteinen metalli -oksidi -puolijohde (MOS) -rakenne saadaan kasvattamalla piidioksidikerros ( SiO)
2
) piialustan päälle, tavallisesti lämpöhapetuksella ja kerrostamalla metalli- tai monikiteistä piitä (jälkimmäistä käytetään yleisesti). Koska piidioksidi on dielektrinen materiaali, sen rakenne vastaa tasomaista kondensaattoria , ja yksi elektrodeista on korvattu puolijohteella .

Kun jännite kohdistetaan MOS -rakenteeseen, se muuttaa varausten jakautumista puolijohteessa. Jos tarkastelemme p-tyypin puolijohdetta (jossa on vastaanottimien tiheys , p reikien tiheys; p = N A neutraalissa irtotavarana), positiivinen jännite portista runkoon (katso kuva) luo tyhjennyskerroksen pakottamalla positiivisesti varautuneet reiät kaukana portti-eristin/puolijohderajapinnasta, jättäen alttiiksi kantoaaltovapaan alueen liikkumattomia, negatiivisesti varautuneita vastaanottajaioneja (katso doping (puolijohde) ). Jos se on riittävän korkea, suuri negatiivisten varauskantoaineiden pitoisuus muodostuu inversiokerroksessa, joka sijaitsee ohuessa kerroksessa puolijohteen ja eristimen välisen rajapinnan vieressä.

Perinteisesti hilajännitettä, jolla käänteiskerroksen elektronien tilavuustiheys on sama kuin rungon reikien tilavuustiheyttä, kutsutaan kynnysjännitteeksi . Kun transistoriportin ja lähteen ( V GS ) välinen jännite ylittää kynnysjännitteen ( V th ), ero tunnetaan nimellä overdrive jännite .

Tämä rakenne, jossa on p-tyyppinen runko, on n-tyypin MOSFETin perusta, joka edellyttää n-tyypin lähde- ja tyhjennysalueiden lisäämistä.

MOS -kondensaattorit ja kaavio

MOS -kondensaattorirakenne on MOSFETin sydän. Harkitse MOS-kondensaattoria, jossa piipohja on p-tyyppistä. Jos porttiin syötetään positiivinen jännite, p-tyypin alustan pinnalla olevat reiät hylkivät syötetyn jännitteen tuottaman sähkökentän. Aluksi reiät yksinkertaisesti hylkivät ja pinnalle jäävät akseptorityypin liikkumattomat (negatiiviset) atomit, mikä luo pinnalle ehtymisalueen. Muista, että reiän muodostaa hyväksyjäatomi, esim. Boori, jossa on yksi elektroni vähemmän kuin pii. Voidaan kysyä, miten reiät voidaan torjua, jos ne ovat itse asiassa ei-kokonaisuuksia? Vastaus on, että mitä todella tapahtuu, ei ole se, että reikä hylätään, vaan positiivisen kentän vetovoima vie elektronit ja täyttää nämä reiät ja luo tyhjennysalueen, jossa ei ole varauskantoaineita, koska elektroni on nyt kiinnitetty atomiin ja liikkumaton.

Kun portin jännite kasvaa, tulee kohta, jossa tyhjennysalueen yläpuolella oleva pinta muuttuu p-tyypistä n-tyypiksi, koska suuremmalta sähkökentältä alkavat houkutella irtotavaran alueen elektronit. Tätä kutsutaan käänteiseksi . Kynnysjännite, jolla tämä muunnos tapahtuu, on yksi MOSFETin tärkeimmistä parametreista.

P-tyyppisen irtotavaran tapauksessa käänteinen tapahtuu, kun pinnan luontainen energiataso pienenee kuin Fermin taso pinnalla. Tämän voi nähdä bändikaaviosta. Muista, että Fermi -taso määrittää keskustelussa käytettävän puolijohteen tyypin. Jos Fermi -taso on sama kuin luontainen taso, puolijohde on luontaista tai puhdasta tyyppiä. Jos Fermi-taso on lähempänä johtuskaistaa (valenssikaista), puolijohdetyyppi on n-tyyppinen (p-tyyppi). Siksi, kun portin jännitettä lisätään positiivisessa mielessä (tässä esimerkissä), tämä "taivuttaa" sisäisen energiatason kaistan niin, että se kaartuu alaspäin kohti valenssikaistaa. Jos Fermi-taso on lähempänä valenssikaistaa (p-tyypille), on kohta, jolloin luontainen taso alkaa ylittää Fermi-tason ja kun jännite saavuttaa kynnysjännitteen, luontainen taso ylittää Fermi-tason , ja sitä kutsutaan inversioksi. Siinä vaiheessa puolijohteen pinta käännetään p-tyypistä n-tyyppiseksi. Muista, että kuten edellä mainittiin, jos Fermi-taso on luontaisen tason yläpuolella, puolijohde on n-tyyppinen, joten käänteisessä vaiheessa, kun luontainen taso saavuttaa ja ylittää Fermi-tason (joka on lähempänä valenssikaistaa), puolijohde tyyppi muuttuu pinnalla Fermin ja sisäisen energiatason suhteellisten sijaintien mukaan.

Rakenne ja kanavan muodostus

Kanava muodostuminen nMOS MOSFET esitetty bändi kaavio : Top paneelit: Sovellettu hilajännitteen mutkia bändejä, heikentäviä reikiä pinnasta (vasen). Taivutusta aiheuttava varaus tasapainotetaan negatiivisen hyväksyntäionivarauksen kerroksella (oikealla). Pohjapaneeli: Suurempi jännite kuluttaa reikiä entisestään, mutta johtuskaista alentaa tarpeeksi energiaa johtavan kanavan täyttämiseksi
C – V -profiili irtotavarana MOSFETille, jolla on erilainen oksidipaksuus. Käyrän vasemmanpuoleisin osa vastaa kertymistä. Keskellä oleva laakso vastaa ehtymistä. Oikealla oleva käyrä vastaa inversiota

MOSFET perustuu modulaatioon varauksen pitoisuus, MOS välinen kapasitanssi rungon elektrodin ja hilan elektrodi sijaitsee rungon yläpuolelle ja eristetty kaikista muista laitteesta alueilla jonka portti dielektrisen kerroksen. Jos käytetään muita dielektrisiä kuin oksidia, laitetta voidaan kutsua metallieriste-puolijohde FET: ksi (MISFET). MOS -kondensaattoriin verrattuna MOSFET sisältää kaksi lisäliitintä ( lähde ja tyhjennys ), joista jokainen on kytketty yksittäisiin erittäin seostettuihin alueisiin, jotka on erotettu kehon alueesta. Nämä alueet voivat olla joko p- tai n -tyyppisiä, mutta molempien on oltava samaa tyyppiä ja vastakkaista tyyppiä kuin kehon alue. Lähde ja tyhjennys (toisin kuin keho) ovat erittäin seostettuja, mikä on merkitty "+" -merkillä dopingtyypin jälkeen.

Jos MOSFET on n-kanavainen tai nMOS FET, lähde ja tyhjennys ovat n+ -alueita ja runko on p- alue. Jos MOSFET on p-kanava tai pMOS FET, lähde ja tyhjennys ovat p+ -alueita ja runko on n- alue. Lähde on nimetty niin, koska se on kanavan läpi virtaavien varauskantajien lähde (elektronit n-kanavalle, reiät p-kanavalle); samoin tyhjennys on paikka, jossa varauskantajat poistuvat kanavasta.

Puolijohteen energiakaistojen varaus määräytyy Fermi-tason aseman suhteessa puolijohteiden energiakaistan reunoihin.

Riittävällä porttijännitteellä valenssinauhan reuna ajetaan kauas Fermi -tasosta ja reiät rungosta ajetaan pois portista.

Suuremmassa portin esijännityksessä edelleen, puolijohdepinnan lähellä, johtavuuskaistan reuna tuodaan lähelle Fermi-tasoa ja täytetään pinta elektronilla inversiokerroksessa tai n-kanavalla p-alueen ja oksidin välisellä rajapinnalla. Tämä johtava kanava ulottuu lähteen ja viemärin väliin, ja virta johdetaan sen läpi, kun jännite syötetään kahden elektrodin väliin. Portin jännitteen lisääminen johtaa suurempiin elektronitiheyksiin inversiokerroksessa ja lisää siten virran virtausta lähteen ja tyhjennyksen välillä. Kynnysarvon alapuolella olevilla porttijännitteillä kanava on kevyesti asuttu, ja vain hyvin pieni alikynnyksen vuotovirta voi virrata lähteen ja viemärin välillä.

Kun käytetään negatiivista portti-lähde-jännitettä, se luo p-kanavan n-alueen pintaan, joka on analoginen n-kanavaisen tapauksen kanssa, mutta varausten ja jännitteiden napaisuudet ovat vastakkaiset. Kun kynnysarvoa (negatiivinen jännite p-kanavalle) alhaisempi jännite asetetaan portin ja lähteen väliin, kanava katoaa ja vain hyvin pieni alikynnysvirta voi virrata lähteen ja viemärin välillä. Laite voi käsittää piitä eristyslaitteessa , jossa ohuen puolijohdekerroksen alle on muodostettu haudattu oksidi. Jos hilaeristeen ja haudatun oksidialueen välinen kanava -alue on hyvin ohut, kanavaan viitataan erittäin ohuena kanava -alueena, jonka lähde- ja tyhjennysalueet on muodostettu kummallekin puolelle ohutta puolijohdekerrosta tai sen yläpuolelle. Muita puolijohdemateriaaleja voidaan käyttää. Kun lähde- ja viemärialueet muodostetaan kokonaan tai osittain kanavan yläpuolelle, niitä kutsutaan kohotetuiksi lähde-/tyhjennysalueiksi.

N- ja p-tyyppisten MOSFET-laitteiden vertailu
Parametri nMOSFET pMOSFET
Lähde/tyhjennystyyppi n-tyyppi p-tyyppi
Kanavatyyppi
(MOS -kondensaattori)
n-tyyppi p-tyyppi
Portin
tyyppi
Monipii n+ p+
Metalli φ m ~ Si johtava kaista va m ~ Si valenssibändi
Hyvin tyyppi p-tyyppi n-tyyppi
Kynnysjännite, V th
Taivutus Alaspäin Ylöspäin
Inversiokerroksen kantoaallot Elektronit Reiät
Alustan tyyppi p-tyyppi n-tyyppi

Toimintatavat

Lähde sidottu runkoon, jotta kehon harhaa ei esiinny: alaraja (vasen yläkulma), ohminen tila (ylhäällä oikealla), aktiivinen tila puristumisen alkaessa (vasen alareuna) ja aktiivinen tila hyvin puristumiseen (oikea oikea alaosa). Kanavan pituuden modulaatio on ilmeinen.
Esimerkki n-kanavan MOSFET-sovelluksesta. Kun kytkintä painetaan, LED syttyy.

MOSFETin toiminta voidaan jakaa kolmeen eri tilaan liittimien jännitteistä riippuen. Seuraavassa keskustelussa käytetään yksinkertaistettua algebrallista mallia. Nykyaikaiset MOSFET -ominaisuudet ovat monimutkaisempia kuin tässä esitetty algebrallinen malli.

Varten lisälaite-tilassa, n-kanava MOSFET , kolme toimintamoodia ovat:

Katkaisu-, alikynnys ja heikko käänteinen tila (n-kanavainen MOSFET)

Kun V GS < V th :

missä on portti-lähde-esijännite ja laitteen kynnysjännite .

Peruskynnysmallin mukaan transistori on kytketty pois päältä, eikä viemärin ja lähteen välillä ole johtumista. Tarkempi malli ottaa huomioon lämpöenergian vaikutuksen elektronienergian Fermi -Dirac -jakautumiseen , mikä mahdollistaa joidenkin lähteen energisempiä elektroneja pääsemään kanavaan ja virtaamaan viemäriin. Tämä johtaa alikynnysvirtaan, joka on portti -lähdejännitteen eksponentiaalinen funktio. Vaikka tyhjennyksen ja lähteen välisen virran tulisi mieluiten olla nolla, kun transistoria käytetään sammutuskytkimenä, on heikko käänteisvirta, jota joskus kutsutaan alikynnyksen vuotoksi.

Heikossa käännöksessä, jossa lähde on sidottu irtotavaraan, virta vaihtelee eksponentiaalisesti, kuten seuraavista:

jossa = virta at , lämpöjännite ja kaltevuuskerroin n annetaan:

jossa = tyhjennyskerroksen kapasitanssi ja = oksidikerroksen kapasitanssi. Tätä yhtälöä käytetään yleisesti, mutta se on vain riittävä likimääräinen summa irtokappaleeseen sidotulle lähteelle. Lähteelle, joka ei ole sidottu irtotavaraan, tyhjennysvirran kylläisyyskynnyksen yhtälö on

missä on kanavanjakaja, jonka antaa:

jossa = tyhjennyskerroksen kapasitanssi ja = oksidikerroksen kapasitanssi. Pitkäkanavaisessa laitteessa ei ole virtaa riippuvuutta virtasta kerran , mutta kanavan pituuden pienentyessä tyhjennyksen aiheuttama esteen alentaminen tuo käyttöön tyhjennysjännitteen riippuvuuden, joka riippuu monimutkaisesti laitteen geometriasta (esimerkiksi kanavasoppaus , risteyksen doping ja niin edelleen). Usein tämän tilan kynnysjännite V th määritellään porttijännitteeksi, jolla esiintyy valittu virran arvo I D0 , esimerkiksi I D0 = 1 μA, joka ei välttämättä ole sama V : n arvo, jota käytetään yhtälöissä seuraavat tilat.  

Jotkut analogiset mikropiiripiirit on suunniteltu hyödyntämään kynnyksen alaista johtumista. Työskennellessään heikon käänteisalueella näiden piirien MOSFET-laitteet tuottavat suurimman mahdollisen transkonduktanssi-virran suhteen, nimittäin: melkein bipolaarisen transistorin.

Alempi kynnys I - V -käyrä riippuu eksponentiaalisesti kynnysjännitteestä, mikä aiheuttaa vahvan riippuvuuden kaikista kynnysjännitteeseen vaikuttavista valmistusvaihteluista; esimerkiksi: vaihtelut oksidin paksuudessa, risteyksen syvyydessä tai rungon dopingissa, jotka muuttavat tyhjennyksen aiheuttaman esteen laskun asteen. Tästä johtuva herkkyys valmistusvaihteluille vaikeuttaa vuotojen ja suorituskyvyn optimointia.

MOSFET-tyhjennysvirta vs. tyhjennys-lähde-jännite useille arvoille ; lineaarisen ( ohmisen ) ja kylläisyyden ( aktiivisen ) tilan välinen raja osoitetaan ylöspäin kaartuvalla paraabelilla
Poikkileikkaus lineaarisella (ohmisella) alueella toimivasta MOSFETista; voimakas inversioalue läsnä jopa viemärin lähellä
Poikkileikkaus MOSFET -laitteesta, joka toimii kyllästysalueella (aktiivinen); kanavalla on kanavan puristuksia viemärin lähellä
Trioditila tai lineaarinen alue, joka tunnetaan myös nimellä ohminen tila (n-kanavainen MOSFET)

Kun V GS > V th ja V DS < V GS  - V th :

Transistori on kytketty päälle, ja on luotu kanava, joka sallii virran viemärin ja lähteen välillä. MOSFET toimii kuin vastus, jota ohjaa portin jännite suhteessa sekä lähde- että tyhjennysjännitteisiin. Virta viemäristä lähteeseen mallinnetaan seuraavasti:

jossa on varaus-kantaja todellista liikkuvuutta, on portti leveys, on portti pituus ja on portti oksidi kapasitanssi pinta-alayksikköä kohti. Siirtyminen eksponentiaalisesta alaraja -alueesta triodialueeseen ei ole niin terävä kuin yhtälöt viittaavat.

Kylläisyys tai aktiivinen tila (n-kanavainen MOSFET)

Kun V GS > V th ja V DS ≥ (V GS  - V th ):

Kytkin on kytketty päälle ja on luotu kanava, joka sallii virran tyhjennyksen ja lähteen välillä. Koska tyhjennysjännite on korkeampi kuin lähdejännite, elektronit leviävät ja johtuminen ei tapahdu kapean kanavan kautta, vaan leveämmän, kaksi- tai kolmiulotteisen virranjakauman kautta, joka ulottuu pois rajapinnasta ja syvemmälle alustassa. Tämän alueen puhkeaminen tunnetaan myös nimellä pinch-off, joka osoittaa kanava-alueen puuttumisen viemärin lähellä. Vaikka kanava ei ulotu laitteen koko pituudelle, viemärin ja kanavan välinen sähkökenttä on erittäin korkea ja johtuminen jatkuu. Tyhjennysvirta on nyt heikosti riippuvainen tyhjennysjännitteestä ja sitä ohjaa pääasiassa portti -lähdejännite, ja se on mallinnettu suunnilleen seuraavasti:

Lisätekijä, johon sisältyy λ, kanavanpituusmodulaatioparametri, mallintaa virran riippuvuutta tyhjennysjännitteestä kanavan pituuden modulaation vuoksi , joka on käytännössä samanlainen kuin bipolaaristen laitteiden aikainen vaikutus . Tämän yhtälön mukaan MOSFET -transkonduktanssi on suunnittelun keskeinen parametri:

jossa yhdistelmää V ov = V GS  - V th kutsutaan ylikäytön jännitteeksi ja missä V DSsat = V GS  - V th muodostaa pienen epäjatkuvuuden, jossa muutoin esiintyisi siirtymässä triodi- ja kylläisyysalueiden välillä.

Toinen tärkeä suunnittelun parametri on MOSFET -lähdön vastus, jonka antaa:

.

r out on käänteinen g DS missä . I D on ilmaisu kylläisyysalueella.

Jos λ lasketaan nollaksi, tuloksena oleva ääretön lähtövastus voi yksinkertaistaa piiri -analyysiä, mutta tämä voi johtaa epärealistisiin piiriennusteisiin, erityisesti analogisissa piireissä.

Kun kanavan pituus tulee hyvin lyhyeksi, näistä yhtälöistä tulee melko epätarkkoja. Uusia fyysisiä vaikutuksia syntyy. Esimerkiksi kantoaallon siirto aktiivitilassa voi rajoittua nopeuden kyllästymiseen . Kun nopeussaturaatio hallitsee, kyllästysviemärivirta on lähes lineaarinen kuin toisen asteen V GS . Vielä lyhyemmillä matkoilla kuljettajat kuljettavat lähes nollahajonnalla, joka tunnetaan kvasiballistisena kuljetuksena . Ballistisessa järjestelmässä kantoaallot kulkevat ruiskutusnopeudella, joka voi ylittää kyllästymisnopeuden, ja lähestyy Fermin nopeutta suurella käänteisvaraustiheydellä. Lisäksi tyhjennyksen aiheuttama esteen laskeminen lisää virran katkaisuvirtaa ja vaatii kynnysjännitteen lisäämistä kompensoimiseksi, mikä puolestaan ​​vähentää kylläisyysvirtaa.

Kehon vaikutus

Bändikaavio, joka näyttää kehon vaikutuksen. V SB jakaa Fermi -tasot F n elektroneille ja F p reikille, mikä vaatii suuremman V GB: n täyttämään johtuskaista nMOS MOSFETissa

Puolijohteen energiakaistojen varaus määräytyy Fermi-tason aseman suhteessa puolijohteiden energiakaistan reunoihin. Lähteen ja substraatin välisen käänteisen esijännityksen käyttäminen lähde-rungon pn-liitoksessa tuo jaon Fermi-tasojen välillä elektronien ja reikien osalta, siirtäen kanavan Fermi-tasoa kauemmaksi kaistan reunasta, mikä alentaa kanavan käyttöasteita. Vaikutus lisää kanavan muodostamiseen tarvittavaa hilajännitettä, kuten kuvassa näkyy. Tätä kanavan voimakkuuden muutosta käänteisen esijännityksen avulla kutsutaan kehon vaikutukseksi.

Yksinkertaisesti sanottuna, käyttämällä nMOS-esimerkkiä, portti-runko-esijännitys V GB sijoittaa johtuskaistan energiatasot, kun taas lähde-runko-esijännitys V SB sijoittaa elektronin Fermi-tason rajapinnan lähelle ja päättää näiden tasojen käyttöasteen lähellä käyttöliittymä ja siten inversiokerroksen tai -kanavan vahvuus.

Rungon vaikutusta kanavaan voidaan kuvata käyttämällä kynnysjännitteen muutosta, joka on arvioitu seuraavalla yhtälöllä:

VTB = VT0, jos VSB = 0 eli kynnysjännite portin ja rungon liittimille oikosulkuun.

jossa V TB on kynnysjännite, jossa on substraatin esijännite, ja V T0 on kynnysjännitteen nolla- V SB- arvo, on kehon vaikutusparametri ja 2 φ B on likimääräinen potentiaalipudotus pinnan ja irtotavaran välillä tyhjennyskerroksen yli, kun V SB = 0 ja portin esijännitys riittää varmistamaan, että kanava on läsnä. Kuten tämä yhtälö osoittaa, käänteinen esijännitys V SB > 0 aiheuttaa kynnysjännitteen V TB nousun ja vaatii siksi suurempaa hilajännitettä ennen kanavan täyttymistä.

Runkoa voidaan käyttää toisena porttina, ja sitä kutsutaan joskus "takaportiksi"; kehon vaikutusta kutsutaan joskus "takaportin vaikutukseksi".

Piirin symbolit

MOSFET- ja JFET -piirisymbolit
P-kanava JFET P-Channel Labeled.svg IGFET P-Ch Enh Labeled.svg IGFET P-Ch Enh Merkitty yksinkertaistettu.svg Mosfet P-Ch Sedra.svg IGFET P-Ch Dep Labeled.svg
N-kanava JFET N-Channel Labeled.svg IGFET N-Ch Enh Labeled.svg IGFET N-Ch Enh Merkitty yksinkertaistettu.svg Mosfet N-Ch Sedra.svg IGFET N-Ch Dep Labeled.svg
JFET MOSFET
lisälaite
tila
MOSFET
-parannustila
(ei irtotavarana)
MOSFET
ehtyminen
tila

MOSFETissa käytetään erilaisia ​​symboleja. Perusrakenne on yleensä linja kanavalle, jossa lähde ja viemäri jättävät sen suorassa kulmassa ja sitten taivutetaan takaisin suorassa kulmassa samaan suuntaan kuin kanava. Joskus kolmea rivisegmenttiä käytetään parannustilassa ja yhtenäistä viivaa ehtymistilassa (katso tyhjennys- ja parannustilat ). Toinen viiva vedetään yhdensuuntaisesti portin kanavan kanssa.

Irtotavarana tai elimen yhteydessä, jos on esitetty, on esitetty kytketty takaisin kanavan merkitty nuolella pMOS tai nMOS. Nuolet osoittavat aina P: stä N: ään, joten NMOS: n (N-kanava P-kuopassa tai P-substraatissa) nuoli osoittaa (massasta kanavaan). Jos suurin osa on kytketty lähteeseen (kuten yleensä erillisten laitteiden tapauksessa), se on joskus kulmassa kohdatakseen transistorista lähtevän lähteen. Jos joukkoa ei näytetä (kuten usein tapahtuu IC -suunnittelussa, koska ne ovat yleensä yleisiä irtotavarana), joskus käytetään inversiomerkkiä PMOS: n osoittamiseen, tai vaihtoehtoisesti lähteen nuolta voidaan käyttää samalla tavalla kuin bipolaarisia transistoreita ( ulos nMOS, sisään pMOS).

Tämän osan taulukossa on vertailu parannustilan ja ehtymistilan MOSFET-symboleihin sekä JFET- symboleihin. Symbolien suunta, etenkin lähteen sijainti suhteessa tyhjennykseen, on sellainen, että kaavamaisella sivulla näkyy enemmän positiivisia jännitteitä kuin vähemmän positiivisia jännitteitä, mikä tarkoittaa, että sivu virtaa "alas".

Kaavioissa, joissa G, S ja D ei ole merkitty, symbolin yksityiskohtaiset ominaisuudet osoittavat, mikä päätelaite on lähde ja mikä tyhjennys. Parannus- ja ehtymistilan MOSFET-symboleissa (sarakkeissa kaksi ja viisi) lähdeterminaali on liitetty nuolenpäähän. Lisäksi tässä kaaviossa portti on esitetty "L" -muodossa, jonka sisääntulo on lähempänä S: ää kuin D, mikä osoittaa myös, mikä on mikä. Nämä symbolit on kuitenkin usein piirretty "T" -muotoisella portilla (kuten muualla tällä sivulla), joten lähdeterminaalin osoittamiseen on nojattava.

Symboleille, joissa päätelaite tai runko -terminaali on esitetty, se on tässä esitetty sisäisesti liitettynä lähteeseen (eli sarakkeiden 2 ja 5 kaavioiden musta nuolenpää). Tämä on tyypillinen kokoonpano, mutta ei suinkaan ainoa tärkeä kokoonpano. Yleensä MOSFET on nelinapainen laite, ja integroiduissa piireissä monilla MOSFET-laitteilla on runkoliitäntä, joka ei välttämättä ole kytketty kaikkien transistorien lähdeliittimiin.

MOSFET -tyypit

PMOS- ja NMOS -logiikka

P-kanavainen MOS (PMOS) -logiikka käyttää p-kanavaisia MOSFETeja logiikkaporttien ja muiden digitaalipiirien toteuttamiseen . N-kanavainen MOS (NMOS) -logiikka käyttää n-kanavaisia MOSFETeja logiikkaporttien ja muiden digitaalipiirien toteuttamiseen.

Laitteilla, joilla on sama virrankulutuskyky, n-kanavaiset MOSFETit voidaan tehdä pienemmiksi kuin p-kanavaisia ​​MOSFET-laitteita, koska p-kanavaiset varauskantajat ( reiät ) ovat vähemmän liikkuvia kuin n-kanavaiset varauskantajat ( elektronit ) ja tuottavat vain yhden MOSFET -tyyppi piialustalla on halvempaa ja teknisesti yksinkertaisempaa. Nämä olivat lähtökohtana NMOS-logiikan suunnittelussa, joka käyttää yksinomaan n-kanavaisia ​​MOSFET-laitteita. Toisin kuin CMOS -logiikka ( vuotovirran laiminlyönti ), NMOS -logiikka kuluttaa kuitenkin virtaa, vaikka kytkintä ei tapahdu.

Mohamed Atalla ja Dawon Kahng esittivät alun perin vuonna 1960 sekä pMOS- että nMOS -laitteet, joiden porttien pituus oli 20 µm ja sitten 10 µm . Alkuperäisten MOSFET -laitteiden hilaoksidin paksuus oli myös 100 nm . Kuitenkin nMOS -laitteet olivat epäkäytännöllisiä, ja vain pMOS -tyypit olivat käytännöllisiä työlaitteita. Käytännöllisempi NMOS -prosessi kehitettiin useita vuosia myöhemmin. NMOS oli aluksi nopeampi kuin CMOS , joten NMOSia käytettiin laajemmin tietokoneissa 1970 -luvulla. Tekniikan kehityksen myötä CMOS-logiikka syrjäytti NMOS-logiikan 1980-luvun puolivälissä ja siitä tuli digitaalisten sirujen ensisijainen prosessi.

Täydentävä MOS (CMOS)

MOSFETia käytetään digitaalisessa komplementaarisessa metallioksidi-puolijohde ( CMOS ) -logiikassa, joka käyttää p- ja n-kanavaisia ​​MOSFET-laitteita rakennuspalikoina. Ylikuumeneminen on suuri ongelma integroiduissa piireissä, koska yhä enemmän transistoreita pakataan yhä pienempiin siruihin. CMOS -logiikka vähentää virrankulutusta, koska virta ei virtaa (mieluiten), joten virtaa ei kuluteta, paitsi silloin kun logiikkaporttien tuloja vaihdetaan. CMOS vähentää tätä virrankulutusta täydentämällä jokaisen nMOSFETin pMOSFET: llä ja yhdistämällä molemmat portit ja molemmat viemärit yhteen. Porttien korkea jännite saa nMOSFETin johtamaan ja pMOSFET ei johtamaan, ja porttien matala jännite aiheuttaa päinvastaisen. Kytkentäajan aikana, kun jännite siirtyy tilasta toiseen, molemmat MOSFET -laitteet toimivat lyhyesti. Tämä järjestely vähentää merkittävästi virrankulutusta ja lämmöntuotantoa.

CMOS kehitti Chih-Tang Sah ja Frank Wanlass klo Fairchild Semiconductor 1963. CMOS oli pienempi virrankulutus, mutta oli aluksi hitaammin kuin NMOS, jota käytetty laajemmin tietokoneille 1970-luvulla. Vuonna 1978 Hitachi esitteli kaksikaivoisen CMOS-prosessin, jonka avulla CMOS pystyi vastaamaan NMOS: n suorituskykyä pienemmällä virrankulutuksella. Kaksikaivoinen CMOS-prosessi ohitti lopulta NMOS : n 1980-luvulla yleisintä puolijohteiden valmistusprosessia varten tietokoneille. 1970–1980-luvulle mennessä CMOS-logiikka kuluttaa yli 7  kertaa vähemmän virtaa kuin NMOS-logiikka ja noin 100 000 kertaa vähemmän virtaa kuin bipolaarinen transistori-transistorilogiikka (TTL).

Tyhjennystila

On olemassa tyhjennystilan MOSFET-laitteita, joita käytetään harvemmin kuin jo kuvattuja tavallisia parannustilan laitteita. Nämä ovat MOSFET -laitteita, jotka on seostettu niin, että kanava on olemassa jopa nollasta jännitteestä portista lähteeseen. Kanavan ohjaamiseksi porttiin syötetään negatiivinen jännite (n-kanavaiselle laitteelle), joka tyhjentää kanavan, mikä vähentää laitteen läpi kulkevaa virtaa. Pohjimmiltaan tyhjennystilan laite vastaa normaalisti suljettua (päällä) -kytkintä, kun taas parannustilan laite vastaa normaalisti auki (pois) -kytkintä.

Alhaisen kohinaluku on RF- alueella, ja parempi vahvistuksen , nämä laitteet ovat usein edullista bipolars on RF-päät , kuten TV- sarjaa.

Tyhjennystilan MOSFET-perheisiin kuuluvat Siemensin ja Telefunkenin BF960 ja Philipsin BF980 1980-luvulla (myöhemmin NXP Semiconductors ), jonka johdannaisia ​​käytetään edelleen AGC- ja RF- sekoittimien käyttöliittymissä.

Metalli-eristin-puolijohdekenttävaikutransistori (MISFET)

Metalli-eristin-puolijohdekenttävaikutransistori tai MISFET on yleisempi termi kuin MOSFET ja synonyymi eristetyn portin kenttävaikutransistorille (IGFET). Kaikki MOSFETit ovat MISFET -laitteita, mutta kaikki MISFET -laitteet eivät ole MOSFET -laitteita.

MISFETin hilaeristyseriste on piidioksidi MOSFETissa , mutta myös muita materiaaleja voidaan käyttää. Hilaeristeen piilee suoraan alla hilaelektrodin ja yläpuolella kanava on MISFET. Termiä metalli käytetään historiallisesti porttimateriaalina, vaikka nykyään se on yleensä erittäin seostettua monipiiä tai jotakin muuta ei-metallia .

Eristystyypit voivat olla:

  • Piidioksidi, MOSFET -laitteissa
  • Orgaaninen eristeet (esim, seostamaton trans- polyasetyleeni , syaanietyyli pullulaani , CEP), orgaanisten perustuva FET.

Kelluva portti MOSFET (FGMOS)

Kelluva-portin MOSFET (FGMOS) on eräänlainen MOSFET, jossa portti on sähköisesti eristetty, luo kelluva solmun DC ja useita toissijaisia portteja tai tulot on talletettu yläpuolella kelluvan hilan (FG) ja on sähköisesti eristetty siitä. Ensimmäisen raportin kelluvasta portista MOSFETista (FGMOS) tekivät Dawon Kahng (alkuperäisen MOSFETin keksijä) ja Simon Min Sze vuonna 1967.

FGMOSia käytetään yleisesti kelluvan portin muistisoluna , digitaalisena tallennuselementtinä EPROM- , EEPROM- ja flash-muisteissa . Muita FGMOS-käyttötarkoituksia ovat neuronaalinen laskentaelementti hermoverkkoissa , analoginen tallennuselementti, digitaaliset potentiometrit ja yhden transistorin DAC-laitteet .

Virta MOSFET

Kaksi mosfetteja in D2PAK pintaliitoskomponenteille paketteja. Toimimalla kytkiminä jokainen näistä komponenteista voi ylläpitää 120 V : n estojännitettä pois päältä -tilassa ja voi johtaa 30 A : n jatkuvavirtaa  päällä -tilassa, joka haihtuu jopa noin 100  W ja ohjaa yli 2000 W: n kuormitusta. Kuvassa on tulitikku mittakaavassa. 
Poikkileikkaus teho MOSFETista , neliön muotoisilla kennoilla. Tyypillinen transistori koostuu useista tuhansista soluista

Power MOSFET -laitteilla on erilainen rakenne. Kuten useimmissa virtalaitteissa, rakenne on pystysuora eikä tasomainen. Pystysuoran rakenteen avulla transistori voi ylläpitää sekä suurta estojännitettä että suurta virtaa. Transistorin jänniteluokitus on N- epitaksiaalisen kerroksen seostamisen ja paksuuden funktio (katso poikkileikkaus), kun taas nykyinen luokitus on kanavan leveyden funktio (mitä leveämpi kanava, sitä suurempi virta). Tasomaisessa rakenteessa virta- ja katkaisujännitearvot ovat molemmat kanavan mittojen (vastaavasti kanavan leveyden ja pituuden) funktio, mikä johtaa "piirakenteen" tehottomaan käyttöön. Pystysuoralla rakenteella komponenttialue on suunnilleen verrannollinen virtaan, jota se voi ylläpitää, ja komponentin paksuus (itse asiassa N-epitaksiaalisen kerroksen paksuus) on verrannollinen hajoamisjännitteeseen.

Sivuttaisrakenteisia Power MOSFET -laitteita käytetään pääasiassa huippuluokan äänivahvistimissa ja suuritehoisissa PA-järjestelmissä. Niiden etuna on parempi käyttäytyminen kylläisellä alueella (vastaa bipolaarisen transistorin lineaarista aluetta ) kuin pystysuorat MOSFETit. Pystysuorat MOSFETit on suunniteltu sovellusten vaihtamiseen.

Power MOSFET, jota yleisesti käytetään tehoelektroniikassa , kehitettiin 1970 -luvun alussa. Power MOSFET mahdollistaa pienen porttikäytön tehon, nopean kytkentänopeuden ja edistyneen rinnastusominaisuuden.

Kaksoishajotettu metalli-oksidi-puolijohde (DMOS)

On olemassa VDMOS (pystysuora kaksoishajotettu metallioksidipuolijohde) ja LDMOS (lateraalinen kaksoishajotettu metallioksidipuolijohde). Useimmat MOSFET -virtalähteet valmistetaan tätä tekniikkaa käyttäen.

MOS -kondensaattori

MOS -kondensaattori on osa MOSFET -rakennetta, jossa MOS -kondensaattorin reunassa on kaksi pn -liitosta . MOS-kondensaattoria käytetään laajalti muistisirujen tallennuskondensaattorina ja vara-kytkettyjen laitteiden (CCD) perusrakenneosana kuva-anturitekniikassa . In DRAM (dynaaminen hakumuisti ), kukin muistisolu käsittää tyypillisesti MOSFET ja MOS-kondensaattorin.

Ohutkalvotransistori (TFT)

Ohutkalvotransistori (TFT) on eräänlainen MOSFET eroaa standardin irtotavarana MOSFET. Ensimmäisen TFT: keksi Paul K. Weimer on RCA 1962, pohjalta aiempaa työtä Atalla ja Kahng on MOSFET.

Ajatus TFT-pohjainen nestekidenäyttö (LCD) on suunniteltu Bernard Lechner ja RCA Laboratories vuonna 1968. Lechner, FJ Marlowe, EO Nester ja J. Tults osoitti käsite 1968 kanssa 18x2 matriisi dynaamisen sironnan LCD että käytetään tavalliset erilliset MOSFETit, koska TFT -suorituskyky ei ollut riittävä silloin.

Bipolaariset - MOS -transistorit

BiCMOS on integroitu piiri, joka yhdistää BJT- ja CMOS -transistorit yhdelle sirulle.

IGBT (IGBT) on tehotransistorin , joilla on sekä MOSFET ja bipolaarinen liitostransistori (BJT).

MOS -anturit

On kehitetty useita MOSFET -antureita fyysisten , kemiallisten , biologisten ja ympäristöparametrien mittaamiseen . Aikaisintaan MOSFET-anturit ovat auki-FET (OGFET) käyttöön Johannessen vuonna 1970 ioniherkkää kanavatransistori (ISFET) keksi Piet Bergveld Vuonna 1970 adsorptio FET (ADFET) patentoitu PF Cox 1974, ja vedyn herkkä MOSFET osoittaa I. Lundström, MS Shivaraman, CS Svenson ja L. lundkvist 1975. ISFET on erityinen MOSFET portin tietyllä etäisyydellä, ja jossa metalli portti on korvattu ioni -herkkä kalvo , elektrolyyttiliuos ja vertailuelektrodi .

1980-luvun puoliväliin mennessä oli kehitetty lukuisia muita MOSFET-antureita, mukaan lukien kaasuanturi FET (GASFET), pintapääsy FET (SAFET), varausvirtaustransistori (CFT), paineanturi FET (PRESSFET), kemiallinen kenttävaikutustransistori ( ChemFET), viite ISFET (REFET), biosensori FET (BioFET), entsyymimodifioitu FET (ENFET) ja immunologisesti modifioitu FET (IMFET). Mukaan 2000-luvun alussa, BioFET tyyppejä kuten DNA kanavatransistori (DNAFET), geeni-modifioitu FET (GenFET) ja solu-potentiaali BioFET (CPFET) oli kehitetty.

Kaksi päätyyppiä kuva-antureita , joita käytetään digitaalisen kuvantamisen teknologia ovat charge-coupled device (CCD) ja aktiivisen pikselin anturi (CMOS). Sekä CCD- että CMOS -anturit perustuvat MOS -tekniikkaan, CCD perustuu MOS -kondensaattoreihin ja CMOS -anturi MOS -transistoreihin.

Moniporttinen kenttävaikutransistori (MuGFET)

FinFET (fin kanavatransistorin), tyyppi monihilaista MOSFET .

Dual-portti MOSFET (DGMOS) on tetrode kokoonpano, jossa molemmat portit valvoa nykyistä laitteessa. Sitä käytetään yleisesti pienisignaalilaitteissa radiotaajuussovelluksissa, joissa tyhjennyspuolen portin esijännitys vakiopotentiaalissa vähentää Miller-tehosteen aiheuttamaa vahvistuksen häviämistä ja korvaa kaksi erillistä transistoria cascode- kokoonpanossa. Muita yleisiä käyttötapoja RF -piireissä ovat vahvistuksen säätö ja sekoitus (taajuusmuunnos). Vaikka tetrodin kuvaus on tarkka, se ei toista alipaineputkitetrodia. Alipaineputkitetrodeilla, jotka käyttävät seulaverkkoa, on paljon pienempi ruudukkolevyn kapasitanssi ja paljon suurempi lähtöimpedanssi ja jännitevoitto kuin triode- tyhjiöputkilla . Nämä parannukset ovat yleensä suuruusluokkaa (10 kertaa) tai huomattavasti enemmän. Tetroditransistoreissa (olipa bipolaarinen risteys tai kenttävaikutus) ei ole niin suuria parannuksia.

FinFET on kaksinkertainen-portin silicon-on-insulator laite, yksi useista geometrioita otetaan käyttöön vaikutusten lieventämiseksi lyhyiden kanavien ja vähentää valua aiheuttama este alentamalla. Fin viittaa kapeaan kanavan välillä lähteen ja nielun. Ohut eristysoksidikerros evien molemmilla puolilla erottaa sen portista. SOI FinFETs paksu oksidi päälle fin kutsutaan kahden portin ja ne, joilla on ohut oksidikerros päälle sekä sivuilla kutsutaan triple-portti FinFETs.

Kaksinkertainen-portti MOSFET-transistorin osoitettiin ensimmäisen vuonna 1984 sähkötekniikan Laboratory tutkijoiden Toshihiro Sekigawa ja Yutaka Hayashi. GAAFET (gate-kaikki-noin MOSFET), tyyppi monihilaista ei-tasomainen 3D transistori , osoitettiin ensimmäisen vuonna 1988, jonka Toshiba tutkijaryhmä lukien Fujio Masuoka , H. Takato ja K. Sunouchi. FinFET (FIN kanavatransistorin), eräänlainen 3D ei-tasomaisille kaksinkertainen gate MOSFET, peräisin tutkimukseen Stadigh Hisamoto ja hänen ryhmänsä Hitachi Central Research Laboratory vuonna 1989. kehittämisessä nanowire monihilaista MOSFETs ovat sittemmin tulee nanoelektroniikan perustavaksi .

Quantum field-effect transistor (QFET)

Kvantti kanavatransistori (QFET) tai kvantti hyvin kanavatransistori (QWFET) on eräänlainen MOSFET hyödyntää kvantti tunnelointi suuresti nopeuttaa transistorin toiminnan.

Suunniteltu säteilykarkaistu (RHBD)

Puolijohdemikrofoni- ja nanomittaripiirit ovat ensisijainen huolenaihe normaalin toleranssin rajoissa toimimisessa ankarissa säteilyolosuhteissa, kuten ulkoavaruudessa . Yksi suunnittelutavoista säteilykarkaistun (RHBD) laitteen valmistamiseksi on suljettu asettelutransistori (ELT). Normaalisti MOSFETin portti ympäröi viemärin, joka on sijoitettu ELT: n keskelle. MOSFETin lähde ympäröi porttia. Toinen RHBD MOSFET on nimeltään H-Gate. Molemmilla näistä transistoreista on erittäin pieni vuotovirta säteilyn suhteen. Ne ovat kuitenkin kooltaan suuria ja vievät enemmän piitä kuin tavallinen MOSFET. Vanhemmissa STI -rakenteissa (matalan kaivantojen eristys) säteilyiskujen lähellä piioksidialuetta aiheuttavat kanavan kääntymisen standardin MOSFET -kulmissa säteilyn aiheuttamien varautuneiden varausten kertymisen vuoksi. Jos varaukset ovat riittävän suuria, kertyneet varaukset vaikuttavat STI -pinnan reunoihin kanavan lähellä standardin MOSFET -kanavan rajapinnan (portin) lähellä. Siten laitteen kanavan vaihtaminen tapahtuu kanavan reunoja pitkin ja laite luo pois päältä vuotoväylän aiheuttaen laitteen käynnistymisen. Joten piirien luotettavuus heikkenee vakavasti. ELT tarjoaa monia etuja. Näitä etuja ovat luotettavuuden parantaminen vähentämällä ei -toivottua pinnan kääntymistä portin reunoilla, mitä tapahtuu tavallisessa MOSFETissa. Koska portin reunat on suljettu ELT: hen, portin oksidireunaa (STI porttirajapinnassa) ei ole, ja siten transistorin off-state-vuoto vähenee huomattavasti. Pienitehoiset mikroelektroniset piirit, mukaan lukien tietokoneet, viestintälaitteet ja valvontajärjestelmät avaruussukkulaan ja satelliitteihin, ovat hyvin erilaisia ​​kuin mitä käytetään maan päällä. Ne vaativat säteilyä (nopeat atomipartikkelit, kuten protoni ja neutroni , auringonpurkauksen magneettisen energian hajoaminen Maan avaruudessa, energiset kosmiset säteet, kuten röntgen- , gammasäde jne.). Nämä erityiset elektroniikat on suunniteltu käyttämällä erilaisia ​​tekniikoita käyttämällä RHBD MOSFET -laitteita, jotta astronautit voivat matkustaa turvallisemmin ja kävellä avaruudessa.

Sovellukset

MOSFET muodostaa yleensä nykyaikaisen elektroniikan perustan digitaalisten piirien ja analogisten integroitujen piirien hallitsevana transistorina . Se on perustana lukuisille nykyaikaisille tekniikoille, ja sitä käytetään yleisesti monenlaisiin sovelluksiin. Jean-Pierre Colingen mukaan lukuisia moderneja tekniikoita ei olisi olemassa ilman MOSFETia, kuten nykyaikainen tietokoneala , digitaaliset tietoliikennejärjestelmät , videopelit , taskulaskimet ja digitaaliset rannekellot .

Erillisiä MOSFET-laitteita käytetään laajalti sovelluksissa, kuten kytkentätilavirtalähteissä , taajuusmuuttajissa ja muissa tehoelektroniikan sovelluksissa, joissa kukin laite saattaa vaihtaa tuhansia wattia. Radiotaajuiset vahvistimet UHF- spektriin asti käyttävät MOSFET-transistoreita analogisina signaaleina ja tehovahvistimina. Radiojärjestelmät käyttävät myös MOSFET -taajuusmuuttajia tai sekoittimia taajuuksien muuntamiseen. MOSFET-laitteita käytetään myös äänitaajuisissa tehovahvistimissa kaiutinjärjestelmiin, äänenvahvistukseen sekä koti- ja autojärjestelmiin.

Integroitujen piirien MOSFETit ovat tietokoneprosessorien , puolijohdemuistin , kuva -antureiden ja useimpien muiden integroitujen piirien ensisijaisia ​​elementtejä .

MOS -integroitu piiri (MOS IC)

MOSFET on laajimmin käytetty transistorityyppi ja integroitujen piirien (IC) sirujen kriittisin laiteosa. Monoliittinen integroitu piiri siru on aktivoitu, jonka pinta passivointi prosessi, joka sähköisesti stabiloitu pii pintojen kautta terminen hapetus , jolloin on mahdollista valmistaa monoliittinen integroitu piiri siruja käyttäen piitä. Pinnan passivointi prosessi on kehitetty Mohamed M. Atalla on Bell Labs vuonna 1957. Tämä oli perusta planaariprosessissa kehittämä Jean Hoerni on Fairchild Semiconductor alussa 1959, joka oli kriittinen keksinnön monoliittisen integroidun piirin sirulle Robert Noyce myöhemmin vuonna 1959. Samana vuonna Atalla keksi pinnan passivointiprosessin avulla MOSFETin Dawon Kahngin kanssa Bell Labsissa. Tämän jälkeen kehitettiin puhtaita huoneita saastumisen vähentämiseksi tasolle, jota ei koskaan pidetty tarpeellisena, ja samaan aikaan kehitettiin fotolitografia, joka yhdessä pinnan passivoinnin ja tasoprosessin kanssa mahdollisti piirien tekemisen muutamassa vaiheessa.

Mohamed Atalla ehdotti ensimmäisen kerran MOS -integroidun piirin (MOS IC) sirun konseptia vuonna 1960 ja totesi, että MOSFETin helppo valmistus teki siitä hyödyllisen integroiduille piireille. Toisin kuin bipolaariset transistorit, jotka vaativat useita vaiheita transistorien p -n -liitoseristykseen sirulle, MOSFETit eivät vaatineet tällaisia ​​vaiheita, mutta ne voidaan helposti eristää toisistaan. Sen etu integroituja piirejä on uudelleen iteroidaan Dawon Kahng 1961. Si - SiO 2 järjestelmä hallussaan tekninen nähtävyyksiä alhaiset tuotantoa (per piiri perusteella) ja helpottaa integraation. Nämä kaksi tekijää yhdessä nopeasti skaalautuvan pienennyksen ja alhaisen energiankulutuksen kanssa johtivat siihen, että MOSFETista tuli IC -sirujen yleisimmin käytetty transistorityyppi.

Varhaisin kokeellinen MOS-IC oli 16-transistorinen siru, jonka Fred Heiman ja Steven Hofstein rakensivat RCA: ssa vuonna 1962. General Microelectronics esitteli myöhemmin ensimmäiset kaupalliset MOS-integroidut piirit vuonna 1964, jotka koostuivat 120 p- kanavatransistorista. Se oli 20-bittinen siirtorekisteri , jonka ovat kehittäneet Robert Norman ja Frank Wanlass . Vuonna 1968 Fairchild Semiconductor -tutkijat Federico Faggin ja Tom Klein kehittivät ensimmäisen pii-gate MOS IC: n.

MOS-laajamittainen integrointi (MOS LSI)

Kanssa sen suuri skaalautuvuus , ja paljon pienempi virrankulutus ja suurempi tiheys kuin bipolaarisia, MOSFET oli mahdollista rakentaa korkean tiheyden IC-sirut. Vuoteen 1964 mennessä MOS -sirut olivat saavuttaneet korkeamman transistoritiheyden ja alhaisemmat valmistuskustannukset kuin kaksisuuntaiset sirut. MOS-sirujen monimutkaisuus lisääntyi edelleen Mooren lain ennustamalla nopeudella , mikä johti laajamittaiseen integraatioon (LSI) satojen MOSFET-laitteiden kanssa sirulle 1960-luvun loppuun mennessä. MOS-tekniikka mahdollisti yli 10 000 transistorin yhdistämisen yhdelle LSI-sirulle 1970-luvun alkuun mennessä, ennen kuin mahdollisti myöhemmin erittäin laajamittaisen integroinnin (VLSI).

Mikroprosessorit

MOSFET on jokaisen mikroprosessorin perusta , ja se vastasi mikroprosessorin keksimisestä. Sekä mikroprosessorin että mikrokontrollerin alkuperä voidaan jäljittää MOS -tekniikan keksimiseen ja kehittämiseen. MOS LSI -sirujen soveltaminen tietojenkäsittelyyn oli perusta ensimmäisille mikroprosessoreille, kun insinöörit alkoivat tunnistaa, että täydellinen tietokoneprosessori voi olla yhdessä MOS LSI -sirussa.

Varhaisimmat mikroprosessorit olivat kaikki MOS pelimerkkejä, rakennettu MOS LSI piirejä. Ensimmäiset monisiruiset mikroprosessorit, nelivaiheiset järjestelmät AL1 vuonna 1969 ja Garrett AiResearch MP944 vuonna 1970, kehitettiin useilla MOS LSI-siruilla. Ensimmäisen kaupallisen yksisiruisen mikroprosessorin, Intel 4004: n , kehitti Federico Faggin käyttäen silikoniporttista MOS-IC-tekniikkaa yhdessä Intelin insinöörien Marcian Hoffin ja Stan Mazorin sekä Busicom- insinöörin Masatoshi Shiman kanssa . Saapumista CMOS mikroprosessorien 1975, termi "MOS mikroprosessorit" alkoi viitata sirut on valmistettu kokonaan PMOS logiikka tai valmistettu kokonaan NMOS , vastakohtana "CMOS mikroprosessorit" ja "kaksisuuntainen bit-slice prosessorit".

CMOS -piirit

Digitaalinen

Mikroprosessorin kaltaisten digitaaliteknologioiden kasvu on antanut motivaatiota kehittää MOSFET-tekniikkaa nopeammin kuin mikään muu piipohjainen transistori. Digitaalisen kytkennän MOSFET -laitteiden suuri etu on, että portin ja kanavan välinen oksidikerros estää tasavirran virtaamisen portin läpi, mikä vähentää edelleen virrankulutusta ja antaa erittäin suuren tuloimpedanssin. Eristysoksidi portin ja kanavan välillä eristää tehokkaasti MOSFETin yhdessä logiikkavaiheessa aiemmista ja myöhemmistä vaiheista, mikä mahdollistaa yhden MOSFET -lähdön ohjaamaan huomattavan määrän MOSFET -tuloja. Bipolaarisella transistoripohjaisella logiikalla (kuten TTL ) ei ole niin suurta fanout-kapasiteettia. Tämän eristämisen ansiosta suunnittelijoiden on myös helpompi jättää jossain määrin huomiotta kuormitusvaikutukset loogisten vaiheiden välillä itsenäisesti. Tämä laajuus määräytyy toimintataajuuden mukaan: taajuuksien kasvaessa MOSFET -laitteiden tuloimpedanssi pienenee.

Analoginen

MOSFETin edut digitaalisissa piireissä eivät muutu ylivoimaiseksi kaikissa analogisissa piireissä . Kaksi piirityyppiä hyödyntävät transistorin käyttäytymisen eri ominaisuuksia. Digitaalipiirit kytkeytyvät ja viettävät suurimman osan ajastaan ​​joko kokonaan tai kokonaan pois päältä. Siirtyminen yhdestä toiseen huolestuttaa vain nopeutta ja vaadittua latausta. Analogiset piirit riippuvat toiminnasta siirtymäalueella, jossa pienet muutokset V gs: iin voivat moduloida lähtövirtaa. JFET ja bipolaarinen risteystransistori (BJT) ovat suositeltavia (integroitujen piirien viereisten laitteiden) täsmälliseen sovittamiseen, suurempaan transkonduktanssiin ja tiettyihin lämpötilaominaisuuksiin, jotka yksinkertaistavat suorituskyvyn ennustamisen, kun piirin lämpötila vaihtelee.

Siitä huolimatta MOSFET-laitteita käytetään laajalti monentyyppisissä analogisissa piireissä niiden omien etujen vuoksi (nollaportti, korkea ja säädettävä lähtöimpedanssi ja parempi kestävyys verrattuna BJT-laitteisiin, jotka voivat heikentyä pysyvästi jopa kevyesti hajottamalla emitteripohjan). Monien analogisten piirien ominaisuuksia ja suorituskykyä voidaan suurentaa tai pienentää muuttamalla käytettyjen MOSFET -laitteiden kokoja (pituus ja leveys). Vertailun vuoksi bipolaarisissa transistoreissa laitteen koko ei vaikuta merkittävästi sen suorituskykyyn. MOSFET-laitteiden ihanteelliset ominaisuudet, jotka koskevat porttivirtaa (nolla) ja tyhjennyslähteen offset-jännitettä (nolla), tekevät niistä myös lähes ihanteelliset kytkinelementit ja tekevät myös kytkettyjen kondensaattoreiden analogisista piireistä käytännöllisiä. Lineaarisella alueellaan MOSFET -laitteita voidaan käyttää tarkkuusvastuksina, joilla voi olla paljon suurempi hallittu vastus kuin BJT: llä. Suuritehoisissa piireissä MOSFET -laitteilla on toisinaan se etu, että ne eivät kärsi lämpöhäiriöistä kuten BJT: t. Lisäksi MOSFET-laitteet voidaan konfiguroida toimimaan kondensaattoreina ja gyraattoripiireinä, joiden avulla niistä valmistetut op-vahvistimet voivat näkyä induktorina, jolloin kaikki normaalit analogiset laitteet ovat sirulla (lukuun ottamatta diodeja, jotka voidaan tehdä pienemmiksi kuin MOSFET joka tapauksessa) rakentaa kokonaan MOSFET -laitteista. Tämä tarkoittaa, että täydelliset analogiset piirit voidaan valmistaa piisirulle paljon pienemmässä tilassa ja yksinkertaisemmilla valmistustekniikoilla. MOSFETS sopii erinomaisesti induktiivisten kuormien vaihtamiseen induktiivisen takapotkun sietokyvyn vuoksi.

Jotkut mikropiirit yhdistävät analogisen ja digitaalisen MOSFET-piirin yhdelle yhdistelmäsignaalille , mikä tekee tarvittavasta levytilasta vieläkin pienemmän. Tämä luo tarpeen eristää analogiset piirit digitaalisista piireistä sirutasolla, mikä johtaa eristysrenkaiden ja piitä eristeen (SOI) käyttöön. Koska MOSFET -laitteet vaativat enemmän tilaa tietyn tehomäärän käsittelyyn kuin BJT, valmistusprosessit voivat sisällyttää BJT: t ja MOSFET -laitteet yhteen laitteeseen. Sekatransistorilaitteita kutsutaan bi-FET: ksi (bipolar FET), jos ne sisältävät vain yhden BJT-FET: n ja BiCMOS: n (bipolaarinen CMOS), jos ne sisältävät täydentäviä BJT-FET: iä. Tällaisilla laitteilla on sekä eristettyjen porttien että suuremman virrantiheyden edut.

1980-luvun lopulla, Asad Abidi edelläkävijä RF CMOS- teknologiaa, joka käyttää MOS VLSI piirejä, työskennellessään UCLA . Tämä muutti tapaa, jolla RF -piirit suunniteltiin, poispäin erillisistä kaksisuuntaisista transistoreista ja kohti CMOS -integroituja piirejä. Vuodesta 2008 lähtien kaikkien langattomien verkkolaitteiden ja nykyaikaisten matkapuhelimien radiolähetinvastaanottimet ovat massatuotannossa RF CMOS -laitteita. RF -CMOS -tekniikkaa käytetään myös lähes kaikissa nykyaikaisissa Bluetooth- ja langattomissa lähiverkkolaitteissa (WLAN).

MOS -muisti

Kynnyksellä MOSFET mahdollisti käytännössä MOS-transistorien kuin muistisolun varastointi elementtejä, funktiona aikaisemmin palvelee magneettisydäntä on tietokoneen muistiin . Ensimmäinen moderni tietokoneen muisti otettiin käyttöön vuonna 1965, kun John Schmidt Fairchild Semiconductorissa suunnitteli ensimmäisen MOS- puolijohdemuistin , 64-bittisen MOS SRAM -muistin (staattinen hajamuistimuisti ). SRAM: stä tuli vaihtoehto magneettisydänmuistille , mutta se vaati kuutta MOS-transistoria kutakin bittiä kohti.

MOS-tekniikka on DRAMin (dynaaminen hajamuisti ) perusta . Vuonna 1966 tohtori Robert H. DENNARD on IBM: Thomas J. Watsonin tutkimuskeskus työskenteli MOS muistiin . Tutkiessaan MOS -tekniikan ominaisuuksia hän havaitsi, että se pystyy rakentamaan kondensaattoreita ja että varauksen tai varauksen tallentaminen MOS -kondensaattorille voi edustaa bitin 1 ja 0, kun taas MOS -transistori voi ohjata varauksen kirjoittamista kondensaattori. Tämä johti hänen kehittämään yhden transistorin DRAM-muistisolun. Vuonna 1967 Dennard haki IBM: ltä patentin MOS-tekniikkaan perustuvaan yksitransistoriseen DRAM-muistisoluun (dynamic random-access memory). MOS-muisti mahdollisti paremman suorituskyvyn, oli halvempi ja kulutti vähemmän virtaa kuin magneettinen ydinmuisti , mikä johti siihen, että MOS-muisti ohitti magneettisen ydinmuistin hallitsevana tietokonemuistitekniikkana 1970-luvun alussa.

Frank Wanlass , kun taas tutkimalla MOSFET rakenteet 1963, huomattava liike maksun kautta oksidi päälle portti . Vaikka hän ei harjoittanut sitä, tästä ideasta tulee myöhemmin perusta EPROM - tekniikalle (poistettava ohjelmoitava vain luku -muisti ). Vuonna 1967 Dawon Kahng ja Simon Min Sze ehdottivat, että kelluvia portteja sisältäviä muistisoluja, jotka koostuvat kelluvista porteista (FGMOS), voitaisiin käyttää uudelleenohjelmoitavan ROM - levyn ( vain lukumuisti ) tuottamiseen. Kelluvan portin muistikennoista tuli myöhemmin perusta haihtumattoman muistin (NVM) tekniikoille, mukaan lukien EPROM, EEPROM (sähköisesti pyyhittävä ohjelmoitava ROM) ja flash-muisti .

Viihde-elektroniikka

MOSFET -laitteita käytetään laajalti kulutuselektroniikassa . Yksi varhaisimmista MOS LSI -piirien mahdollistamista kulutuselektroniikkatuotteista oli elektroninen taskulaskin , koska MOS LSI -tekniikka mahdollisti suuren määrän laskentatoimintoja pienissä pakkauksissa. Vuonna 1965 Victor 3900 -pöytälaskin oli ensimmäinen MOS -laskin , jossa oli 29 MOS -sirua. Vuonna 1967 Texas Instruments Cal-Tech oli ensimmäinen prototyyppinen elektroninen kämmenlaskin , jossa oli kolme MOS LSI-sirua, ja se julkaistiin myöhemmin Canon Pocketronic-nimisenä vuonna 1970. Sharp QT-8D -työpöytälaskin oli ensimmäinen massatuotanto LSI MOS laskin vuonna 1969, ja Sharp EL-8 , jossa käytetään neljää MOS-LSI-sirut oli ensimmäinen kaupallinen elektroninen laskin 1970. ensimmäinen aito elektroninen taskulaskin oli Busicom LE-120A KÄTEVÄT LE, joka käyttää yhden MOS LSI laskin-on -a-siru päässä Mostek , ja julkaistiin vuonna 1971. vuonna 1972 MOS-LSI piirit oli kaupallistettu lukuisiin muihin sovelluksiin.

MOSFETit ovat tieto- ja viestintätekniikan (ICT) perusta , mukaan lukien nykyaikaiset tietokoneet , moderni tietojenkäsittely , tietoliikenne , viestintäinfrastruktuuri , Internet , digitaalinen puhelin , langaton tietoliikenne ja mobiiliverkot . Colingen mukaan nykyaikainen tietokoneala ja digitaaliset tietoliikennejärjestelmät eivät olisi olemassa ilman MOSFET -järjestelmää. Ennakot MOS on ollut tärkein osasyynä nopea nousu verkon kaistanleveyttä vuonna tietoliikenneverkkoja , joissa kaistanleveys kaksinkertaistui 18 kuukauden välein, mistä bittiä sekunnissa ja Terabits sekunnissa ( Edholm laki ).

MOS -anturit

MOS -antureita , joita kutsutaan myös MOSFET -antureiksi, käytetään laajalti fyysisten , kemiallisten , biologisten ja ympäristöparametrien mittaamiseen . Esimerkiksi ioniherkkää kenttävaikutransistoria (ISFET) käytetään laajalti biolääketieteellisissä sovelluksissa. MOS chemiresistors ja MOSFET on myös laajasti osoitettu olevan lupaavia sovelluksia on kaasun tunnistus joko yhdellä anturilla laitteissa tai komponenttien kemiallinen anturiryhmää .

MOSFET -laitteita käytetään myös laajalti mikroelektromekaanisissa järjestelmissä (MEMS), koska pii -MOSFET -laitteet voivat olla vuorovaikutuksessa ja kommunikoida ympäristön kanssa ja käsitellä asioita, kuten kemikaaleja , liikkeitä ja valoa . Varhainen esimerkki MEMS-laitteesta on resonanssiportitransistori, MOSFET-muunnos, jonka on kehittänyt Harvey C. Nathanson vuonna 1965.

MOS-tekniikka on perusta nykyaikaisille kuva-antureille , mukaan lukien latauskytketty laite (CCD) ja aktiivisen pikselin CMOS -anturi (CMOS-sensori), joita käytetään digitaalisessa kuvantamisessa ja digitaalikameroissa . Willard Boyle ja George E. Smith kehittivät CCD: n vuonna 1969. MOS -prosessia tutkiessaan he ymmärsivät, että sähkövaraus oli magneettikuplan analogia ja että se voidaan tallentaa pieneen MOS -kondensaattoriin. Koska oli melko yksinkertaista valmistaa sarja MOS -kondensaattoreita peräkkäin, ne kytkivät niihin sopivan jännitteen, jotta varausta voitaisiin porrastaa yhdestä toiseen. CCD on puolijohdepiiri, joka käytettiin myöhemmin ensimmäiseen digitaaliset videokamerat ja televisiolähetysten .

MOS aktiivinen--kuvapisteanturi (APS) on kehittänyt Tsutomu Nakamura klo Olympus vuonna 1985. CMOS aktiivinen--kuvapisteanturi myöhemmin kehittänyt Eric Fossum ja hänen ryhmänsä NASA : n Jet Propulsion Laboratory 1990-luvun alussa.

MOS -kuvakennoja käytetään laajalti optisessa hiiritekniikassa . Ensimmäinen optinen hiiri, keksi Richard F. Lyon nimellä Xerox 1980, käytettiin 5  um: n NMOS- anturi siru. Ensimmäisen kaupallisen optisen hiiren, IntelliMouse, joka esiteltiin vuonna 1999, jälkeen useimmat optiset hiirilaitteet käyttävät CMOS -antureita.

Virta MOSFETit

MOSFET on yleisimmin käytetty Virtalähde maailmassa. Etuja bipolaarisia sisään tehoelektroniikan ovat MOSFET ei vaadita jatkuva ohjausvirran jäädä PÄÄLLÄ-tilassa, joka tarjoaa korkeamman kytkennän nopeuksilla, alentaa kytkentä tehohäviöt, alempi-vastusten, ja alentunut herkkyys lämmönkarkaamisvaikutuksen. Power MOSFET vaikutti virtalähteisiin , mikä mahdollisti korkeammat käyttötaajuudet, koon ja painon pienentämisen sekä volyymituotannon lisäämisen.

Kytkentävirtalähteet ovat yleisimpiä sovelluksia virtamOSFET -laitteille. Niitä käytetään myös laajalti MOS RF -tehovahvistimissa , mikä mahdollisti matkaviestinverkkojen siirtymisen analogisista digitaalisiin 1990 -luvulla. Tämä johti laajaan langattomien matkapuhelinverkkojen leviämiseen, mikä mullisti tietoliikennejärjestelmät . Erityisesti LDMOS on yleisimmin käytetty tehovahvistin matkaviestinverkoissa, kuten 2G , 3G , 4G ja 5G . Yli 50  miljardia erillisen tehon MOSFET -laitetta toimitetaan vuosittain vuodesta 2018 alkaen. Niitä käytetään laajalti erityisesti auto- , teollisuus- ja viestintäjärjestelmissä . Power MOSFET -laitteita käytetään yleisesti autoelektroniikassa , erityisesti kytkentälaitteina elektronisissa ohjausyksiköissä ja tehonmuuntimina nykyaikaisissa sähköajoneuvoissa . IGBT (IGBT), hybridi MOS-bipolaaritransistori, käytetään myös erilaisia sovelluksia.

Rakentaminen

Portin materiaali

Porttimateriaalin ensisijainen kriteeri on, että se on hyvä johtava . Erittäin seostettu monikiteinen pii on hyväksyttävä, mutta ei varmasti ihanteellinen johdin, ja sillä on myös joitain teknisiä puutteita roolissaan vakiona. Siitä huolimatta polysilikon käyttöä suositellaan useista syistä:

  1. Kynnys jännite (ja siten valua lähde-virta) on modifioitu työfunktio ero portin materiaalin ja kanavan materiaali. Koska monipii on puolijohde, sen työtehtävää voidaan moduloida säätämällä dopingin tyyppiä ja tasoa. Lisäksi, koska monipii -piillä on sama kaistaetäisyys kuin alla olevalla piikanavalla, on melko yksinkertaista virittää työtoiminto alhaisen kynnysjännitteen saavuttamiseksi sekä NMOS- että PMOS -laitteille. Sitä vastoin metallien työfunktioita ei ole helppo moduloida, joten työtoiminnon virittämisestä matalan kynnysjännitteen (LVT) saamiseksi tulee merkittävä haaste. Lisäksi matalan kynnyksen laitteiden hankkiminen sekä PMOS- että NMOS-laitteisiin edellyttää joskus eri metallien käyttöä kullekin laitetyypille. Vaikka bimetalliset integroidut piirit (eli yksi metallityyppi NFETS -porttielektrodeille ja toinen metallityyppi PFETS -porttielektrodeille) eivät ole yleisiä, ne tunnetaan patenttikirjallisuudessa ja tarjoavat jonkin verran hyötyä sähköpiirien virittämisessä sähköinen suorituskyky.
  2. Pii-SiO 2 käyttöliittymä on hyvin tutkittu ja tiedetään suhteellisen vähän virheitä. Sitä vastoin monet metalli-eristinliitännät sisältävät merkittäviä vikoja, jotka voivat johtaa Fermi-tason kiinnitykseen , lataukseen tai muihin ilmiöihin, jotka lopulta heikentävät laitteen suorituskykyä.
  3. MOSFET IC: n valmistusprosessissa on suositeltavaa kerätä hilamateriaali ennen tiettyjä korkean lämpötilan vaiheita tehokkaampien transistorien valmistamiseksi. Tällaiset korkean lämpötilan vaiheet sulattavat joitakin metalleja, mikä rajoittaa metallityyppejä, joita voidaan käyttää metalliporttipohjaisessa prosessissa.

Vaikka monipii -portit ovat olleet tosiasiallinen standardi viimeisten 20 vuoden aikana, niillä on joitain haittoja, jotka ovat johtaneet niiden todennäköiseen korvaamiseen tulevaisuudessa metalliovilla. Näitä haittoja ovat:

  • Monipii ei ole suuri johtava (noin 1000 kertaa vastustuskykyisempi kuin metallit), mikä vähentää signaalin etenemisnopeutta materiaalin läpi. Resistiivisyyttä voidaan alentaa lisäämällä seostustasoa, mutta jopa erittäin seostettu monipii ei ole yhtä johtava kuin useimmat metallit. Johtavuuden parantamiseksi edelleen korkean lämpötilan metallia, kuten volframia , titaania , kobolttia ja viime aikoina nikkeliä seostetaan monipii-pinnan yläkerrosten kanssa. Tällaista sekoitettua materiaalia kutsutaan silidiksi . Silikidi-polysilikoniyhdistelmällä on paremmat sähköiset ominaisuudet kuin monikiteisellä piillä, eikä se silti sulaa myöhemmässä käsittelyssä. Myös kynnysjännite ei ole merkittävästi korkeampi kuin pelkällä monipii: llä, koska silidimateriaali ei ole lähellä kanavaa. Prosessia, jossa silidiä muodostuu sekä hilaelektrodille että lähde- ja tyhjennysalueille, kutsutaan toisinaan salisidiksi , itseliimautuvaksi silidiksi.
  • Kun transistorit on pienennetty äärimmäisen pieneksi, on välttämätöntä tehdä portin dielektrisestä kerroksesta erittäin ohut, noin 1 nm huipputeknologiassa. Tässä havaittu ilmiö on ns. Polydepletion , jossa hilakerros muodostuu hilapolysilikonikerrokseen hilaeristeen viereen transistorin ollessa inversiossa. Tämän ongelman välttämiseksi halutaan metalliportti. Käytetään erilaisia ​​metalliportteja, kuten tantaalia , volframia, tantaalinitridiä ja titaaninitridiä , yleensä yhdessä korkean κ-dielektristen elementtien kanssa . Vaihtoehtona on käyttää täysin silikattuja monipii -portteja, prosessi, joka tunnetaan nimellä FUSI.

Nykyiset korkean suorituskyvyn suorittimet käyttävät metalliporttitekniikkaa yhdessä korkean κ-eristeiden kanssa , yhdistelmä, joka tunnetaan nimellä high-k, metal gate (HKMG). Metalliporttien haitat voitetaan muutamalla tekniikalla:

  1. Kynnysjännite viritetään sisällyttämällä ohut "työfunktion metalli" -kerros suuren κ-dielektrisen ja päämetallin väliin. Tämä kerros on riittävän ohut, jotta sekä metallin pää- että ohutmetallityötoiminnot vaikuttavat portin kokonaistyötehtävään (joko seoksen vuoksi hehkutuksen aikana tai yksinkertaisesti siksi, että ohut metalli on suorittanut epätäydellisen seulonnan). Kynnysjännitettä voidaan siis säätää ohuen metallikerroksen paksuuden mukaan.
  2. Korkea-k-dielektrisiä aineita tutkitaan nyt hyvin ja niiden viat ymmärretään.
  3. On olemassa HKMG -prosesseja, jotka eivät vaadi metalleilta korkean lämpötilan hehkutusta; muut prosessit valitsevat metalleja, jotka kestävät hehkutusvaiheen.

Eristin

Kun laitteita pienennetään, eristekerrokset ohentuvat, usein lämpöhapetuksen tai piin ( LOCOS ) paikallisen hapetusvaiheen kautta . Nano-skaalatuille laitteille tapahtuu jossain vaiheessa kantoaaltojen tunnelointi eristimen läpi kanavasta hilaelektrodiin. Tuloksena olevan vuotovirran pienentämiseksi voidaan eristää ohuemmaksi valitsemalla materiaali, jolla on suurempi dielektrisyysvakio. Nähdäksesi kuinka paksuus ja dielektrisyysvakio liittyvät toisiinsa, huomaa, että Gaussin laki yhdistää kentän varaukseen seuraavasti:

jossa Q = varaustiheys, κ = dielektrisyysvakio, ε 0 = tyhjän tilan läpäisevyys ja E = sähkökenttä. Tämän lain mukaan näyttää siltä, ​​että sama varaus voidaan pitää kanavalla alemmalla kentällä edellyttäen, että κ kasvaa. Portin jännite saadaan:

jossa V G = portin jännite, V ch = jännite eristimen kanavapuolella ja t ins = eristimen paksuus. Tämä yhtälö osoittaa, että portin jännite ei kasva, kun eristimen paksuus kasvaa, edellyttäen, että κ kasvaa pitämään t ins / κ = vakiona (katso yksityiskohtaisempi artikkeli korkean κ: n dielektrikoista ja tämän artikkelin porttioksidivuoto ).

Eristeen MOSFET on dielektrinen, joka voidaan joka tapauksessa olla piioksidia, muodostuu LOCOS mutta monet muut dielektrisiä materiaaleja käytetään. Yleinen termi dielektrille on porttieriste, koska dielektrinen elementti sijaitsee suoraan hilaelektrodin alla ja MOSFET -kanavan yläpuolella.

Liitoksen suunnittelu

MOSFET, jossa on matalat risteyspidennykset, korotettu lähde ja tyhjennys sekä haloimplantti. Korotettu lähde ja viemäri erotettu portista oksidien välikappaleilla

Lähteen ja rungon väliset liitännät ja viemäri-rungon liitokset ovat suuren huomion kohteena kolmen tärkeän tekijän vuoksi: niiden rakenne vaikuttaa laitteen virta-jännite ( I-V ) -ominaisuuksiin , alentaa lähtövastusta ja myös nopeutta laitteen läpi lastaus vaikutus liitoksen kapasitanssit , ja lopuksi komponentti stand-by aiheuttama tehohäviö risteyksessä vuoto.

Nielu indusoi este alentamalla kynnysjännitteen ja kanavan pituus modulaatio vaikutuksia IV käyrät vähennetään käyttämällä matala risteyksessä laajennuksia. Lisäksi voidaan käyttää halo -dopingia, toisin sanoen lisäämällä hyvin ohuita, voimakkaasti seostettuja alueita, jotka ovat samaa dopingtyyppiä kuin runko tiukasti risteysseiniä vasten rajoittaakseen tyhjennysalueiden laajuutta .

Kapasitiivisia vaikutuksia rajoitetaan käyttämällä korotettuja lähde- ja tyhjennysgeometrioita, jotka tekevät suurimman osan kosketusalueen reunasta paksuksi dielektriseksi piin sijaan.

Nämä risteyksen suunnittelun eri piirteet on esitetty ( taiteellisella lisenssillä ) kuvassa.

Skaalaus

Intelin suorittimen transistorin portin pituuden trendi
MOSFET-versio vahvistuksen tehostetusta nykyisestä peilistä ; M 1 ja M 2 ovat aktiivisessa tilassa, kun taas M 3 ja M 4 ovat ohmisessa tilassa ja toimivat kuten vastukset. Operaatiovahvistin antaa palautetta, joka ylläpitää korkeaa lähtövastusta.

Viime vuosikymmenten aikana MOSFET -järjestelmää (jota käytetään digitaaliseen logiikkaan) on pienennetty jatkuvasti; tyypilliset MOSFET -kanavapituudet olivat kerran useita mikrometrejä , mutta nykyaikaiset integroidut piirit sisältävät MOSFET -kanavia, joiden kanavan pituus on kymmeniä nanometrejä. Robert Dennardin työ skaalausteorian parissa oli keskeistä, kun se tunnisti, että tämä jatkuva vähentäminen oli mahdollista. Puolijohdeteollisuus ylläpitää "etenemissuunnitelmaa", ITRS: ää , joka asettaa vauhdin MOSFETin kehittämiselle. Historiallisesti MOSFET -koon pienentämisen vaikeudet on liitetty puolijohdelaitteiden valmistusprosessiin, tarpeeseen käyttää erittäin pieniä jännitteitä ja huonompaan sähköiseen suorituskykyyn, mikä edellyttää piirin uudistamista ja innovointia (pienet MOSFET -laitteet osoittavat suurempia vuotovirtoja ja pienempää lähtövastusta) ). Kuten 2019, pienin MOSFET tuotannossa on 5 nm FinFET puolijohde solmuja , valmistaja Samsung Electronics ja TSMC .

Pienemmät MOSFETit ovat toivottavia useista syistä. Tärkein syy pienentää transistoreita on pakata yhä enemmän laitteita tietylle sirualueelle. Tämä johtaa siruun, jolla on samat toiminnot pienemmällä alueella, tai siruilla, joilla on enemmän toimintoja samalla alueella. Koska puolijohdekiekon valmistuskustannukset ovat suhteellisen kiinteät, integroituja piirejä koskevat kustannukset liittyvät pääasiassa kiekkojen valmistettavissa olevien sirujen määrään. Pienemmät IC: t mahdollistavat siis enemmän pelimerkkejä kiekkoa kohti, mikä alentaa sirun hintaa. Itse asiassa viimeisten 30 vuoden aikana transistorien määrä sirua kohti on kaksinkertaistunut 2–3 vuoden välein, kun uusi teknologiasolmu otetaan käyttöön. Esimerkiksi 45 nm: n tekniikalla valmistetussa mikroprosessorissa MOSFETien määrä voi olla kaksi kertaa suurempi kuin 65 nm: n sirussa. Tämä transistoritiheyden kaksinkertaistuminen havaittiin ensimmäisen kerran Gordon Mooren vuonna 1965, ja sitä kutsutaan yleisesti Mooren laiksi . On myös odotettavissa, että pienemmät transistorit kytkeytyvät nopeammin. Esimerkiksi yksi lähestymistapa koon pienentämiseen on MOSFETin skaalaus, joka vaatii kaikkien laitteen mittojen pienentämistä suhteellisesti. Laitteen päämitat ovat kanavan pituus, kanavan leveys ja oksidin paksuus. Kun niitä pienennetään samoilla tekijöillä, transistorikanavan vastus ei muutu, kun taas hilakapasitanssi pienenee tällä tekijällä. Näin ollen transistorin RC -viive skaalaa samanlaisella tekijällä. Vaikka näin on perinteisesti ollut vanhempien tekniikoiden tapauksessa, uusimpien MOSFET-laitteiden transistorin mittojen pienentäminen ei välttämättä johda suurempaan sirun nopeuteen, koska yhteenliittämisestä johtuva viive on merkittävämpi.

MOSFET -laitteiden tuottaminen, joiden kanavan pituus on paljon pienempi kuin mikrometri, on haaste, ja puolijohdelaitteiden valmistuksen vaikeudet ovat aina rajoittava tekijä integroidun piiritekniikan kehityksessä. Vaikka prosessit, kuten atomikerrostuma ( ALD ), ovat parantaneet pienten komponenttien valmistusta, MOSFETin pieni koko (alle muutama kymmenen nanometriä) on aiheuttanut toimintaongelmia:

Korkeampi alarajajohtavuus
Kun MOSFET -geometria kutistuu, porttiin kohdistuva jännite on alennettava luotettavuuden ylläpitämiseksi. Suorituskyvyn ylläpitämiseksi myös MOSFETin kynnysjännitettä on alennettava. Kun kynnysjännitettä pienennetään, transistoria ei voida vaihtaa täydellisestä sammutuksesta täydelliseen päälle kytkemiseen rajoitetulla jännitevaihdolla; piirin suunnittelu on kompromissi voimakkaan virran päällä -kotelossa ja matalan virran välillä pois päältä , ja sovellus päättää, suositaanko niitä toisiinsa nähden. Alempi vuotovirta (mukaan lukien alarajajohtavuus, porttioksidivuoto ja käänteisesti esijännitetty risteysvuoto), joka aiemmin jätettiin huomiotta, voi nyt kuluttaa yli puolet nykyaikaisten korkean suorituskyvyn VLSI-sirujen kokonaisvirrankulutuksesta.
Lisääntynyt porttioksidin vuoto
Porttioksidi, joka toimii eristeenä portin ja kanavan välissä, tulisi tehdä mahdollisimman ohueksi kanavan johtavuuden ja suorituskyvyn parantamiseksi transistorin ollessa päällä ja vuotojen pienentämiseksi, kun transistori on pois päältä. Kuitenkin nykyinen portti oksidien, joiden paksuus on noin 1,2  nm: n (joka on pii on ~ 5  atomia paksu) kvanttimekaniikan ilmiö elektronin tunnelointi välillä tapahtuu portin ja kanava, joka johtaa lisääntyneeseen tehonkulutukseen. Piidioksidia on perinteisesti käytetty portin eristeenä. Piidioksidilla on kuitenkin vaatimaton dielektrisyysvakio. Porttielektrisen dielektrisyysvakion lisääminen mahdollistaa paksumman kerroksen säilyttäen samalla suuren kapasitanssin (kapasitanssi on verrannollinen dielektrisyysvakioon ja kääntäen verrannollinen dielektriseen paksuuteen). Kaikki muu on yhtä suuri, suurempi dielektrinen paksuus vähentää kvanttitunnelivirtaa portin ja kanavan välisen eristeen läpi. Eristimiä, joilla on suurempi dielektrisyysvakio kuin piidioksidilla (kutsutaan korkean k-dielektriksi ), kuten ryhmän IVb metallisilikaatteja, esim. Hafnium- ja zirkoniumsilikaatteja ja -oksideja, käytetään vähentämään hilavuotoa 45 nanometrin teknologiasolmusta eteenpäin. Toisaalta uuden porttieristeen estokorkeus on tärkeä näkökohta; Puolijohteen ja eristeen välinen johtumiskaistaenergian ero (ja vastaava ero valenssikaistan energiassa) vaikuttaa myös vuotovirtaan. Perinteisen porttioksidin, piidioksidin, entinen este on noin 8 eV . Monille vaihtoehtoisille dielektrikoille arvo on merkittävästi pienempi, ja se pyrkii lisäämään tunnelivirtaa, mikä kumoaa jonkin verran korkeamman dielektrisyysvakion edun. Suurin portti -lähdejännite määräytyy sähkökentän voimakkuuden avulla, joka voidaan ylläpitää hilaeristeellä ennen merkittävää vuotoa. Kun eristyseriste on ohuempi, sen sisällä oleva sähkökentän voimakkuus kasvaa kiinteälle jännitteelle. Tämä edellyttää pienempien jännitteiden käyttöä ohuemman dielektrisen kanssa.
Lisääntynyt risteysvuoto
Laitteiden pienentämiseksi risteysrakenteesta on tullut monimutkaisempaa, mikä on johtanut korkeampiin dopingtasoihin , matalammiin risteyksiin, "halo" dopingiin ja niin edelleen, kaikki vähentämään tyhjennyksen aiheuttamaa esteen laskemista (katso osio risteyksen suunnittelusta ). Jotta nämä monimutkaiset risteykset pysyisivät paikoillaan, hehkutusvaiheita, joita aiemmin käytettiin vaurioiden ja sähköisesti aktiivisten vikojen poistamiseen, on rajoitettava, mikä lisää risteyksen vuotoa. Raskaampi doping liittyy myös ohuempiin ehtymiskerroksiin ja useampiin rekombinaatiokeskuksiin, jotka johtavat vuotovirran lisääntymiseen jopa ilman hilavaurioita.
Drain aiheuttama este alentamalla (DIBL) ja V T ro
Koska lyhyen kanavan vaikutus , kanava muodostuminen ei ole täysin tapahtuu portin, mutta nyt nielun ja lähteen myös vaikuttaa kanavan muodostumiseen. Kuten kanavan pituus pienenee, tyhjennysalueiden lähteen ja nielun tulevat lähemmäksi toisiaan ja tehdä kynnysjännite ( V T ) funktiona kanavan pituus. Tätä kutsutaan V T roll-offiksi. V T tulee myös tyhjennyslähdejännitteeseen V DS . Kun me lisätä V DS , tyhjennysalueiden koko kasvaa, ja huomattava määrä lataus on loppunut, että V DS . Hilajännite muodostamiseen tarvitaan kanava on sitten lasketaan, ja siten V- T pienenee kasvaessa V DS . Tätä vaikutusta kutsutaan tyhjennyksen esteen laskemiseksi (DIBL).
Pienempi lähtövastus
Analogista toimintaa varten hyvä vahvistus vaatii korkean MOSFET-lähtöimpedanssin, toisin sanoen MOSFET-virran tulisi vaihdella vain hieman käytetyn tyhjennys-lähteen jännitteen mukaan. Kun laitteita pienennetään, viemärin vaikutus kilpailee paremmin portin vaikutuksen kanssa näiden kahden elektrodin kasvavan läheisyyden vuoksi, mikä lisää MOSFET -virran herkkyyttä tyhjennysjännitteelle. Lähtöresistanssin pienenemisen estämiseksi piireistä tehdään monimutkaisempia, joko vaatimalla enemmän laitteita, esimerkiksi kaskoodi- ja kaskadivahvistimia , tai käyttämällä takaisinkytkentäpiirejä käyttämällä operaatiovahvistimia , esimerkiksi piirin kaltainen piiri.
Pienempi transkonduktanssi
Transkonduktanssi MOSFET päättää sen vahvistus ja on verrannollinen reiän tai elektronin liikkuvuus (laitetyypistä riippuen), ainakin vähän virtaa jännitteet. Kun MOSFET -kokoa pienennetään, kanavan kentät lisääntyvät ja lisäaineiden epäpuhtaustasot kasvavat. Molemmat muutokset vähentävät kantoaallon liikkuvuutta ja siten transkonduktanssia. Koska kanavan pituuksia pienennetään ilman suhteellista vähennystä tyhjennysjännitteeseen, mikä nostaa kanavan sähkökenttää, tuloksena on kantoaaltojen nopeus kyllästyminen, mikä rajoittaa virtaa ja transkonduktanssia.
Liitäntäkapasitanssi
Perinteisesti kytkentäaika oli suunnilleen verrannollinen porttien kapasitanssiin. Kuitenkin transistorien yhä pienempiä ja enemmän transistoreja on sijoitettu siru, interconnect kapasitanssi (kapasitanssi metalli-kerroksen yhteyksiä eri osien siru) on tulossa suuri osa kapasitanssi. Signaalien on kuljettava yhdysliitännän kautta, mikä lisää viivettä ja heikentää suorituskykyä.
Lämmön tuotanto
MOSFET-laitteiden jatkuvasti lisääntyvä tiheys integroidulla piirillä aiheuttaa ongelmia paikallisen lämmöntuotannon kannalta, mikä voi heikentää piirin toimintaa. Piirit toimivat hitaammin korkeissa lämpötiloissa, ja niiden luotettavuus on heikentynyt ja niiden käyttöikä on lyhyempi. Jäähdytyselementtejä ja muita jäähdytyslaitteita ja -menetelmiä tarvitaan nyt monille integroiduille piireille, mukaan lukien mikroprosessorit. Power MOSFET -laitteet ovat vaarassa kuumentua . Kun niiden on-state-vastus kasvaa lämpötilan myötä, jos kuorma on suunnilleen vakiovirtakuorma, tehohäviö kasvaa vastaavasti, mikä tuottaa lisää lämpöä. Jos jäähdytyselementti ei pysty pitämään lämpötilaa tarpeeksi alhaisena, risteyslämpötila voi nousta nopeasti ja hallitsemattomasti, mikä johtaa laitteen tuhoutumiseen.
Prosessin vaihtelut
Kun MOSFET: t pienenevät, piin atomien määrä, jotka tuottavat monia transistorin ominaisuuksia, vähenee, minkä seurauksena lisäaineiden lukumäärän ja sijoittelun hallinta on epävakaampaa. Sirun valmistuksen aikana satunnaiset prosessivaihtelut vaikuttavat kaikkiin transistorin mittoihin: pituuteen, leveyteen, risteyssyvyyksiin, oksidipaksuuteen jne. , Ja niistä tulee suurempi prosenttiosuus koko transistorin koosta transistorin kutistuessa. Transistorin ominaisuudet muuttuvat epävarmemmiksi, tilastollisemmiksi. Valmistuksen satunnaisuus tarkoittaa, että emme tiedä, mikä esimerkki MOSFET -laitteista todella päätyy tiettyyn piirin esiintymään. Tämä epävarmuus pakottaa vähemmän optimaalisen suunnittelun, koska suunnittelun on toimittava monenlaisten mahdollisten MOSFET -komponenttien kanssa. Katso prosessin vaihtelu , valmistettavuuden suunnittelu , luotettavuus ja tilastollinen prosessinohjaus .
Mallinnushaasteet
Nykyaikaisia ​​IC: itä simuloidaan tietokoneella tavoitteena saada käyttöpiirit ensimmäisestä valmistetusta erästä. Koska laitteet ovat pieniä, prosessin monimutkaisuus vaikeuttaa ennustaa tarkasti miltä lopulliset laitteet näyttävät, ja myös fyysisten prosessien mallinnus muuttuu haastavammaksi. Lisäksi yksinkertaisesti atomiprosessien todennäköisyysluonteesta johtuvat rakenteen mikroskooppiset vaihtelut edellyttävät tilastollisia (ei vain deterministisiä) ennusteita. Nämä tekijät yhdessä tekevät riittävän simulaation ja "heti ensimmäisellä kerralla" valmistuksen vaikeaksi.

Tähän liittyvä skaalaussääntö on Edholmin laki . Vuonna 2004, Phil Edholm havaittu, että kaistanleveys on tietoliikenneverkkojen (mukaan lukien Internetin ) kaksinkertaistuu 18 kuukauden välein. Aikana useita vuosikymmeniä, kaistanleveyksiä viestintäverkkojen on noussut bittiä sekunnissa ja Terabits sekunnissa . Televiestinnän kaistanleveyden nopea kasvu johtuu suurelta osin samasta MOSFET -skaalauksesta, joka mahdollistaa Mooren lain, koska tietoliikenneverkot rakennetaan MOSFET -laitteista.

Aikajana


PMOS ja NMOS

MOSFET -esitykset ( PMOS ja NMOS )
Päivämäärä Kanavan pituus Oksidin paksuus MOSFET -logiikka Tutkija (t) Organisaatio Viite
Kesäkuuta 1960 20000 nm 100 nm PMOS Mohamed M. Atalla , Dawon Kahng Bell Puhelinlaboratoriot
NMOS
10000 nm 100 nm PMOS Mohamed M. Atalla , Dawon Kahng Bell Puhelinlaboratoriot
NMOS
Toukokuu 1965 8000 nm 150 nm NMOS Chih-Tang Sah , Otto Leistiko, AS Grove Fairchild Semiconductor
5000 nm 170 nm PMOS
Joulukuu 1972 1000 nm ? PMOS Robert H.Dennard, Fritz H.Gaensslen, Hwa-Nien Yu IBM TJ Watsonin tutkimuskeskus
1973 7500 nm ? NMOS Sohichi Suzuki NEC
6000 nm ? PMOS ? Toshiba
Lokakuuta 1974 1000 nm 35 nm NMOS Robert H.Dennard, Fritz H.Gaensslen, Hwa-Nien Yu IBM TJ Watsonin tutkimuskeskus
500 nm
Syyskuuta 1975 1500 nm 20 nm NMOS Ryoichi Hori, Hiroo Masuda, Osamu Minato Hitachi
Maaliskuu 1976 3000 nm ? NMOS ? Intel
Huhtikuu 1979 1000 nm 25 nm NMOS William R.Hunter, LM Ephrath, Alice Cramer IBM TJ Watsonin tutkimuskeskus
Joulukuu 1984 100 nm 5 nm NMOS Toshio Kobayashi, Seiji Horiguchi, K. Kiuchi Nippon Telegraph ja puhelin
Joulukuu 1985 150 nm 2,5 nm NMOS Toshio Kobayashi, Seiji Horiguchi, M. Miyake, M. Oda Nippon Telegraph ja puhelin
75 nm ? NMOS Stephen Y. Chou, Henry I. Smith, Dimitri A. Antoniadis MIT
Tammikuu 1986 60 nm ? NMOS Stephen Y. Chou, Henry I. Smith, Dimitri A. Antoniadis MIT
Kesäkuuta 1987 200 nm 3,5 nm PMOS Toshio Kobayashi, M. Miyake, K. Deguchi Nippon Telegraph ja puhelin
Joulukuu 1993 40 nm ? NMOS Mizuki Ono, Masanobu Saito, Takashi Yoshitomi Toshiba
Syyskuuta 1996 16 nm ? PMOS Pääosissa Hisao Kawaura, Toshitsugu Sakamoto, Toshio Baba NEC
Kesäkuuta 1998 50 nm 1,3 nm NMOS Khaled Z. Ahmed, Effiong E. Ibok, Miryeong Song Kehittyneet mikrolaitteet (AMD)
Joulukuu 2002 6 nm ? PMOS Bruce Doris, Omer Dokumaci, Meikei Ieong IBM
Joulukuu 2003 3 nm ? PMOS Hitoshi Wakabayashi, Shigeharu Yamagami NEC
? NMOS

CMOS (yhden portin)

Täydentävät MOSFET ( CMOS ) -esittelyt (yhden portin )
Päivämäärä Kanavan pituus Oksidin paksuus Tutkija (t) Organisaatio Viite
Helmikuu 1963 ? ? Chih-Tang Sah , Frank Wanlass Fairchild Semiconductor
1968 20000 nm 100 nm ? RCA Laboratories
1970 10000 nm 100 nm ? RCA Laboratories
Joulukuu 1976 2000 nm ? A.Aitken, RG Poulsen, ATP MacArthur, JJ White Mitel Semiconductor
Helmikuu 1978 3000 nm ? Pääosissa Toshiaki Masuhara, Osamu Minato, Toshio Sasaki, Yoshio Sakai Hitachin keskus tutkimuslaboratorio
Helmikuu 1983 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)
Joulukuu 1983 1000 nm 22,5 nm GJ Hu, Yuan Taur, Robert H.Dennard , Chung-Yu Ting IBM TJ Watsonin tutkimuskeskus
Helmikuu 1987 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)
Syyskuuta 1987 500 nm 12,5 nm Hussein I.Hanafi, Robert H.Dennard , Yuan Taur, Nadim F.Haddad IBM TJ Watsonin tutkimuskeskus
Joulukuu 1987 250 nm ? Naoki Kasai, Nobuhiro Endo, Hiroshi Kitajima NEC
Helmikuu 1988 400 nm 10 nm M. Inoue, H. Kotani, T. Yamada, Hiroyuki Yamauchi Matsushita
Joulukuu 1990 100 nm ? Pääosissa Ghavam G.Shahidi , Bijan Davari , Yuan Taur, James D.Warnock IBM TJ Watsonin tutkimuskeskus
1993 350 nm ? ? Sony
1996 150 nm ? ? Mitsubishi Electric
1998 180 nm ? ? TSMC
Joulukuu 2003 5 nm ? Pääosissa Hitoshi Wakabayashi, Shigeharu Yamagami, Nobuyuki Ikezawa NEC

Moniporttinen MOSFET (MuGFET)

Monihilaista MOSFET ( MuGFET ) demonstraatioita
Päivämäärä Kanavan pituus MuGFET -tyyppi Tutkija (t) Organisaatio Viite
Elokuu 1984 ? DGMOS Toshihiro Sekigawa, Yutaka Hayashi Sähkötekninen laboratorio (ETL)
1987 2000 nm DGMOS Toshihiro Sekigawa Sähkötekninen laboratorio (ETL)
Joulukuu 1988 250 nm DGMOS Bijan Davari , Wen-Hsing Chang, Matthew R. Wordeman, CS Oh IBM TJ Watsonin tutkimuskeskus
180 nm
? GAAFET Fujio Masuoka , Hiroshi Takato, Kazumasa Sunouchi, N. Okabe Toshiba
Joulukuu 1989 200 nm FinFET Digh Hisamoto, Toru Kaga, Yoshifumi Kawamoto, Eiji Takeda Hitachin keskus tutkimuslaboratorio
Joulukuu 1998 17 nm FinFET Digh Hisamoto, Chenming Hu , Tsu-Jae King Liu , Jeffrey Bokor Kalifornian yliopisto (Berkeley)
2001 15 nm FinFET Chenming Hu , Yang-Kyu Choi, Nick Lindert, Tsu-Jae King Liu Kalifornian yliopisto (Berkeley)
Joulukuu 2002 10 nm FinFET Näyttävästi Ahmed, Scott Bell, Cyrus Tabery, Jeffrey Bokor Kalifornian yliopisto (Berkeley)
Kesäkuuta 2006 3 nm GAAFET Pääosissa Hyunjin Lee, Yang-kyu Choi, Lee-Eun Yu, Seong-Wan Ryu KAIST

Muut MOSFET -tyypit

MOSFET -esittelyt ( muut tyypit )
Päivämäärä Kanavan
pituus
(nm)
Oksidin
paksuus
(nm)
MOSFET
-tyyppi
Tutkija (t) Organisaatio Viite
Lokakuuta 1962 ? ? TFT Paul K. Weimer RCA Laboratories
1965 ? ? GaAs H. Becke, R. Hall, J. White RCA Laboratories
Lokakuuta 1966 100 000 100 TFT TP Brody, HE Kunig Westinghouse Electric
Elokuu 1967 ? ? FGMOS Dawon Kahng , Simon Min Sze Bell Puhelinlaboratoriot
Lokakuuta 1967 ? ? MNOS HA Richard Wegener, AJ Lincoln, HC Pao Sperry Corporation
Heinäkuu 1968 ? ? BiMOS Hung-Chang Lin , Ramachandra R.Iyer Westinghouse Electric
Lokakuuta 1968 ? ? BiCMOS Hung-Chang Lin , Ramachandra R.Iyer, CT Ho Westinghouse Electric
1969 ? ? VMOS ? Hitachi
Syyskuuta 1969 ? ? DMOS Y. Tarui, Y. Hayashi, Toshihiro Sekigawa Sähkötekninen laboratorio (ETL)
Lokakuuta 1970 ? ? ISFET Piet Bergveld Twenten yliopisto
Lokakuuta 1970 1000 ? DMOS Y. Tarui, Y. Hayashi, Toshihiro Sekigawa Sähkötekninen laboratorio (ETL)
1977 ? ? VDMOS John Louis Moll HP Labs
? ? LDMOS ? Hitachi
Heinäkuu 1979 ? ? IGBT Bantval Jayant Baliga , Margaret Lazeri General Electric
Joulukuu 1984 2000 ? BiCMOS H. Higuchi, Goro Kitsukawa, Takahide Ikeda, Y. Nishio Hitachi
Toukokuu 1985 300 ? ? K. Deguchi, Kazuhiko Komatsu, M. Miyake, H. Namatsu Nippon Telegraph ja puhelin
Helmikuu 1985 1000 ? BiCMOS H. Momose, Hideki Shibata, S. Saitoh, Jun-ichi Miyamoto Toshiba
Marraskuuta 1986 90 8.3 ? Han-Sheng Lee, LC Puzio General Motors
Joulukuu 1986 60 ? ? Ghavam G.Shahidi , Dimitri A.Antoniadis , Henry I.Smith MIT
Toukokuu 1987 ? 10 ? Bijan Davari , Chung-Yu Ting, Kie Y.Ahn, S.Basavaiah IBM TJ Watsonin tutkimuskeskus
Joulukuu 1987 800 ? BiCMOS Robert H. Havemann, RE Eklund, Hiep V. Tran Texas Instruments
Kesäkuuta 1997 30 ? EJ-MOSFET Pääosissa Hisao Kawaura, Toshitsugu Sakamoto, Toshio Baba NEC
1998 32 ? ? ? NEC
1999 8 ? ? ?
Huhtikuu 2000 8 ? EJ-MOSFET Pääosissa Hisao Kawaura, Toshitsugu Sakamoto, Toshio Baba NEC

Katso myös

Viitteet

Ulkoiset linkit