MOSFET — metall-oksiid-pooljuhtväljatransistor: määratlus ja toimimine

MOSFET — metall-oksiid-pooljuhtväljatransistor: selge määratlus ja toimimispõhimõte. Kuidas värav juhib allikat ja äravoolu ning miks MOSFETid on kaasaegse elektroonika tuum.

MOSFET tähistab metall-oksiid-pooljuhtväljatransistorit (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor). Transistorid on väikesed elektrilised seadmed, mida kasutatakse muu hulgas äratuskellades, kalkulaatorites ja, mis on ehk kõige tuntum, arvutites; need on moodsa elektroonika kõige põhilisemad ehitusplokid. Mõned MOSFETid võimendavad või töötlevad analoogsignaale, kuid enamik neist kasutatakse digitaalelektroonikas (loogikalülitused, mikroprotsessorid) ning ka võimendites ja toitekonverterites.

Struktuur ja nimetus

Nimi MOSFET kirjeldab seadme ülesehitust ja põhimõtet. MOS viitab metallile (värava kontakt), oksiidile (tavaliselt ränioksiid SiO2, mis toimib isolatsioonikihina) ja pooljuhile (substraat, allikas ja äravool). FET (field-effect transistor) tähendab, et värava poolt tekitatud elektriväli juhib laengukandjate liikumist kanalil, mis ühendab allikat ja äravoolu. Värav (gate) on sisend, allikas (source) on tavaliselt laengukandjate allikas ja äravool (drain) on väljapääs.

Kuidas MOSFET töötab

Väravasse saadetakse elektriline signaal, mis tekitab värava-oksiidi ja pooljuhikihi vahel elektrivälja. See elektriväli mõjutab pooljuhi pindmises kihis olevaid laengukandjaid: tekib või hälvatakse juhtiv kanal (inversion layer), mille kaudu vool saab liikuda allika ja äravoolu vahel. Peamised töörežiimid on:

• Tugevdamise (enhancement) režiim: tavaline kaasaegne MOSFET on sisse lülitatud ainult siis, kui värav on piisava pinge all (üle künnispinge Vth), moodustades kanali.
• Vähendamise (depletion) režiim: on olemas ka tüübid, mis on iseenesest juhtivad ja mida saab värava pingega kinni suruda.

Tavaliselt eristatakse ka n-kanali (N-MOSFET) ja p-kanali (P-MOSFET) seadmeid — n-kanalis liiguvad vabadeks kandjateks elektronid, p-kanalis augud. N-kanalid annavad sageli parema juhitavuse (madalam Rds(on)) samal mõõtmel.

Põhimõisted ja mõõdetavad parameetrid

• Künnispinge (Vth): väravapinge, mille juures tekib juhtiv kanal.
• Rds(on): sisselülitatud MOSFETi sisemine takistus (allikas–äravool), oluline võimsusel ja soojusjuhtivusel.
• Transkonduktants (gm): näitab, kui efektiivselt väravapinge muudab äravoolu voolu — oluline võimendustegelane.
• Värava laeng (Qg) ja lülitusaeg: määravad, kui kiiresti transistor saab ümber lülituda; olulised kiiretes digitaalrakendustes ja võimsuselektronikas.
• Keha- või südamik-diood: paljudel MOSFETidel on parasiit-diood (nt võimsus-MOSFETis), mis mõjutab alalis- ja pöördvoolusid.

Tüüpilised rakendused

MOSFETe kasutatakse laialdaselt:

• integraallülitustes ja mikroprotsessorites (CMOS-tehnoloogia kasutab komplementaarseid n- ja p-kanali MOSFETe, et vähendada staatilist võimsuskadu), integraallülitustes;
• digitaalses loogikas ja mäluelementides;
• võimsuselektronikas (toiteallikad, mootori juhtimine, inveretrid), kus kasutatakse spetsiaalseid võimsus-MOSFETe;
• analoogvõimendites ja signaaliprotsessimises.

Ajalugu ja areng

MOSFET-i põhimõtteid ja praktilist rakendamist arendasid 1960. aastatel Mohamed Atalla ja Dawon Kahng Bell Labsis; MOS-tehnoloogia võimaldas kiire miniaturiseerimise, mis omakorda viis suure arvutiintegraalide ja mikroprotsessoriteni. Peale selle võimaldas MOS-oksidi tehnoloogia väga õhukeste isolatsioonikihiga väravaid, mis suurendas seadme tihedust ja kiirust.

Praktilised kaalutlused ja piirangud

MOSFETide disainimisel ja kasutamisel tuleb arvestada mitmete piirangutega:

• Värava-oksiidi õhenemine toob kaasa riskid nagu oksidi purunemine ja hot carrier-efekt, mis võib vähendada seadme tööiga.
• Kehaefekt ja substradi sidumine mõjutavad künnispinget ja seega seadme käitumist.
• Võimsusrakendustes on oluline soojusjuhtivus, Rds(on) ja pagasivoolud (avalanšš-pinge/purustusenergia).
• Skaleerimisel (minimeerimisel) on piirid materjali ja lekkivoolude tõttu — see mõjutab ka Moore’i seaduse praktilisi piire.

Miks MOSFET on oluline

MOSFETi populaarsus tuleneb selle lihtsusest, suurest sisendtakistusest (värav imab peaaegu nulli püsivoolu), sobivusest integreerimiseks ning heast kiirus–võimsuse suhtest. Just MOS-tehnoloogia võimaldas tänapäevaseid mikroprotsessoreid ja taskuseadmeid, kuid selle kasutusala ulatub ka suurvõimsuse ja analoogsüsteemideni.

Kui soovite süveneda spetsiifilistesse valdkondadesse (nt võimsus-MOSFETide parameetrid, CMOS-loogika põhimõtted või MOSFETide valmistamine ja usaldusväärsus), võin lisada näiteid, skeeme ja rohkem tehnilisi andmeid.

Teooria

MOSFETide valmistamiseks pooljuhtidel on palju erinevaid viise. Kõige lihtsam meetod on näidatud käesoleva teksti paremal pool asuval joonisel. Sinine osa tähistab P-tüüpi räni, punane osa aga N-tüüpi räni. Nende kahe tüübi ristumine moodustab dioodi. Ränipooljuhtides on omapära, mida nimetatakse "ammendumispiirkonnaks". Kui legeeritud räni üks osa on legeeritud N-tüüpi ja teine osa on legeeritud P-tüüpi, tekib nende kahe ristumiskohas loomulikult ammendumispiirkond. See on tingitud nende aktseptoritest ja doonoritest. P-tüüpi ränil on aktseptorid, mida nimetatakse ka aukudeks, mis tõmbavad elektronid enda poole. N-tüüpi ränil on doonorid ehk elektronid, mis tõmbavad ligi auke. Nende kahe piiril täidavad N-tüüpi elektronid P-tüüpi augud. Selle tulemusel muutuvad akseptorid ehk P-tüüpi aatomid negatiivselt laetud ja kuna negatiivsed laengud tõmbavad positiivseid laenguid, voolavad akseptorid ehk augud "ristumiskoha" suunas. N-tüüpi poolel on positiivne laeng, mille tulemusel voolavad doonorid ehk elektronid "ristmiku" suunas. Kui nad sinna jõuavad, tõrjub neid negatiivne laeng teisel pool ristmikku, sest samasugused laengud tõrjuvad. Sama juhtub ka P-tüüpi poolel, doonorid ehk augud tõrjutakse N-tüüpi poolel oleva positiivse ala poolt. Nende kahe vahel ei saa voolata elektrit, kuna elektronid ei saa liikuda teisele poole.

MOSFETid kasutavad seda ära. MOSFETi "keha" toidetakse negatiivselt, mis laiendab tühjenemisala, kuna augud täidetakse uute elektronidega, nii et N-poolel olevatele elektronidele vastupidine jõud muutub palju suuremaks. MOSFETi "allikas" saab negatiivse voolu, mis kahandab N-tüüpi tühjenemistsooni täielikult, kuna seal on piisavalt elektrone, et täita positiivne tühjenemistsoon. "Drain" on positiivse toitega. Kui "Gate" on varustatud positiivse toitega, teeb see väikese elektromagnetvälja, mis eemaldab kahanemistsooni otse värava all, kuna tekib aukude "pihustus", mis teeb midagi, mida nimetatakse "N-kanaliks". N-kanal on ajutine piirkond P-tüüpi räni piirkonnas, kus ei ole ammendumistsooni. Positiivne elektriväli neutraliseerib kõik varuelektronid, mis moodustavad ammendumistsooni. Allikapiirkonna elektronidel on siis vaba tee liikuda "Drainisse", mis paneks elektri voolama allikast äravoolu.

Lihtsa MOSFETi skeem

Küsimused ja vastused

K: Mis on MOSFET?

K: Milleks kasutatakse transistoreid?

K: Kuidas töötab MOSFET?

K: Mida tähendab nimetus "MOSFET"?

K: Kus kasutatakse peaaegu kõiki MOSFETSe?

K: Kui palju transistoreid mahub tänapäeval integraallülitusele võrreldes 1970. aastaga?

Otsing