MOSFET

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
MOSFET-transistoreita

Metallioksidi-puolijohdekanavatransistori eli eristehilatransistori (engl. Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) (lyh. MOSFET, MOS-FET tai MOS FET) on kaikkein yleisin kanavatransistori. Sitä käytetään sekä digitaalisissa että analogisissa piireissä. MOSFET koostuu n-tyypin tai p-tyypin puolijohdekanavasta (semiconductor devices) ja sitä kutsutaan näin yleisesti nimityksillä: NMOSFET / PMOSFET, nMOSFET / pMOSFET, NMOS FET / PMOS FET, nMOS FET / pMOS FET ja jopa NMOS / PMOS.

Nimityksen osana oleva termi metalli on anakronismi varhaisista malleista, joissa hilat (engl. gate) todella olivat metallointia. Modernit integroidut piirit käyttävät polypii-hiloja.

FET:it ovat jänniteohjatun luonteensa ansiosta melko pitkälle elektroniputkien kaltaisia, kun taas bipolaaritransistorit eivät niinkään ole.

IGFET (insulated-gate field-effect transistor) on melkein synonyymi "MOSFET":ille vaikka se voi myös viitata FET:eihin joiden hila-eriste ei ole oksidia. Jotkut kirjoittavat suosivat "IGFET" termiä tarkoittaessaan komponentteja joissa on polypii-hilat, mutta useimmille ne ovat silti MOSFET:ejä.

MOSFET:n komponentit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

NMOS-tyyppinen MOSFET-transistori koostuu n-tyypin lähteestä (S) ja nielusta (D) sekä p-tyypin substraattiin kiinnitetystä hilasta (G).

MOSFET-transistori koostuu puolijohdesubstraatista, jossa on ohut kerros eristeoksidia. Oksidin yläosaan on asetettu johtava hilaelektrodi (G). Hilan kummallekin puolelle substraattiin on lisätty kaksi vahvasti seostettua aluetta: lähde (S) ja nielu (D), jotka on sijoitettu osittain koskettamaan hilaa. Lähteen ja nielun välistä tilaa kutsutaan kanava-alueeksi.[1]

Lähde ja nielu ovat samaa varaustyyppiä (joko p tai n), ja jos seokset ovat voimakkaita, lisätään '+'-merkki seostyypin kirjaimen perään. Substraattirunko on vastakkaista tyyppiä kuin lähde ja nielu eikä substraatin seos ole voimakasta. Lähde on saanut nimensä siitä, että siitä varauksenkuljettajat (elektronit N-kanavalla, aukot P-kanavalla) tulevat kanavaan ja vastaavasti nielusta varauksenkuljettajat poistuvat kanavasta.

Piirrosmerkit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

MOSFET:istä käytetään useita erilaisia piirrosmerkkejä. Perussymbolissa on tavallisesti viiva kanavana, johon lähde ja nielu liittyvät kohtisuorassa ja kääntyvät myöhemmin kanavan viivan suuntaisiksi. Joskus kanavan viiva on pätkinä viitaten avaustilaiseen (enhancement mode) puolijohteeseen ja yhtenäisenä viitaten tyhjennystilaiseen (depletion mode) puolijohteeseen, mutta koska katkoviivan piirto on hankalahkoa tätä seikkaa ei yleensä piirretä. Kanavan rinnalle sitä koskettamatta piirretään toinen viiva hilaksi.

Jos transistori on rakenteeltaan sellainen, että siinä on ns. bulk-liitäntä (planaarisella valmistusprosessilla ohuelle levylle tehtynä), se kerrotaan yleensä kanavan keskivaiheille laitettavalla nuolella joka merkitsee PMOS tai NMOS rakennetta. Nuoli osoittaa aina P:stä N:ään, eli NMOS (n-kanava) tapauksessa nuolen kärki osoittaa kanavaan. Jos bulk on kiinni lähteessä, joka on tavallista yksittäisten komponenttien kanssa, nuoli kytketään lähde-kontaktiin. Joskus bulkkia ei piirretä ollenkaan (tavallista IC-piirien sisäisissä kytkennöissä joissa on yhteinen bulk), inversion symbolina oleva pieni ympyrä esittää usein PMOSia.

Vertailussa avaus- ja tyhjennysmoodisten FETien piirrosmerkit, sekä JFET:in symbolit:

JFET P-Channel Labelled.svg IGFET P-Ch Enh Labelled.svg IGFET P-Ch Enh Labelled simplified.svg IGFET P-Ch Dep Labelled.svg P-kanava
JFET N-Channel Labelled.svg IGFET N-Ch Enh Labelled.svg IGFET N-Ch Enh Labelled simplified.svg IGFET N-Ch Dep Labelled.svg N-kanava
JFET MOSFET enh MOSFET dep


Materiaalit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Yleensä puolijohdemateriaaliksi on valittu pii, mutta jotkin piirivalmistajat ovat alkaneet käyttää MOSFET:n kanavassa piin ja germaniumin sekoitetta (SiGe). Valitettavasti monet sähköisesti paremmat puolijohdemateriaalit eivät kuitenkaan muodosta hyviä eristeoksideja (esim. galliumarsenidi) eivätkä näin ole soveliaita MOSFETien valmistukseen.

Kanavan päällä hilaliitäntä on kerros polypiitä. Se eristetään kanavasta erittäin ohuella (satoja nanometrejä) eristekerroksella, joka tavallisimmin on piidioksidia (kvartsia) tai se voidaan korvata pii-happi-nitridillä.

MOSFET:n toiminta[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

MOS-rakenne[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

MOS-rakenne muodostaa kondensaattorin, jonka elektrodeina toimivat hila (G) ja seostettu puolijohde, joiden välissä oleva piioksidi on eriste.

MOS-rakenne koostuu kolmesta alueesta: hilasta, eristeenä toimivasta piioksidista (kvartsi) ja pii-puolijohteesta. Hila on nykyisin yleensä monikiteistä ns. polypiitä eikä metallia. Koska kvartsi on eriste, rakenne vastaa kondensaattoria, jossa yksi elektrodeista on korvattu puolijohteella.

Kun MOS-rakenteen yli tuodaan jännite, se aikaansaa varausjakauman muutoksen puolijohdeaineessa.

P-tyypin puolijohteessa (jossa \scriptstyle N_{\rm A} on aukkojen tiheys) hilan (G) ja puolijohteen välinen positiivinen jännite \scriptstyle V_{\rm GB} (katso kuvaa) vähentää aukkojen tiheyttä ja lisää vapaiden elektronien tiheyttä. Jos \scriptstyle V_{\rm GB} on kyllin suuri, negatiivisten varauksenkuljettajien (elektronien) tiheys hilan lähellä ylittää positiivisten varauksenkuljettajien (aukot) tiheyden, jolloin päädytään ns. inversio-kerroksen muodostumiseen.

Tässä rakenteessa P-tyypin perusmateriaali on perustana N-tyypin MOSFET:ille, joka tarvitsee lisäksi N-tyypin lähde- ja nielualueet.

MOSFET:n toiminnan perusteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

MOSFET:in toiminta perustuu siis MOS-kapasitanssin läheisyydessä olevan varaustiheyden ohjaukseen. Kun hilan ja lähteen välille luodaan jännite-ero \scriptstyle V_{\rm {GS}}, sen sähkökenttä läpäisee oksidin aina alla olevaan kanavaan asti ja luo sinne ns. "käänteisen kanavan" ("inversion channel"). Tämä "käänteinen kanava" on samaa tyyppiä (P- tai N-tyyppiä) kuin lähde ja nielu, jolloin se muodostaa kanavan jota pitkin virta voi kulkea. Jännitettä \scriptstyle V_{\rm {GS}} muuttamalla voidaan säätää kanavan johtavuutta ja nieluvirran \scriptstyle I_{\rm D} suuruutta.

Jos MOSFET on N-kanavatyyppiä, silloin lähde ja nielu ovat 'N+' alueita ja runko on 'P' aluetta. Kun hila-lähde-jännite (VGS) on positiivinen, se luo N-kanavan rungon P-materiaalin pintaan välittömästi oksidikerroksen alle. Tämä N-kanava on sähköjohde lähteen ja nielun välillä. Kun nolla tai negatiivinen jännite vaikuttaa hilan ja lähteen välillä, kanava katoaa ja virtaa ei kulje lähteestä nieluun.

P-kanavatyypin MOSFET:illa lähde ja nielu ovat 'P+'-alueita ja runko on 'N'-aluetta. Kun hila-lähde-jännite on negatiivinen (positiivinen lähde-hila suuntaan), se luo P-kanavan rungon N-alueen pintaan, jne. kuten edellä.

Runkovaikutus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Runkovaikutus (engl. body effect) kuvaa kynnysjännitteen \scriptstyle V_{TO} muutosta riippuen lähde-runko -jännitteestä \scriptstyle V_{SB} ja se voidaan esittää yhtälöllä

V_{TN} = V_{TO} + \gamma \left( \sqrt{V_{SB} + 2\phi} - \sqrt{2\phi} \right),

missä:

  • \scriptstyle V_{TO} on kynnysjännite bias-jännitteen ollessa nolla
  • \scriptstyle \gamma on runkovaikutusparametri
  • \scriptstyle 2\phi on pintapotentiaali.

Runkoa voi hallita toisella hilalla, jota usein kutsutaan näin takahilaksi ("back gate") ja runkovaikutusta kutsutaan joskus näin joskus nimellä: "back-gate effect".[2]

Toimintamuodot[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

MOSFET:in nieluvirran voimakkuuksia useilla VDS jännitteillä ja VGS-Vth arvoilla
MOSFETin poikkileikkaus sen toimiessa lineaarisella alueella
MOSFETin poikkileikkaus sen toimiessa avausalueella

MOSFET:in toiminta voidaan jaotella kolmeen eri moodiin riippuen sen yli vaikuttavista jännitteistä. Avaustilaiselle n-kanava MOSFETille (enhancement mode, n-channel MOSFET):

Cut-off tai sub-threshold moodi
Kun \scriptstyle V_{GS} < V_{th} missä \scriptstyle V_{th} on FET:in kynnysjännite.
Kynnysmallin mukaan suljettu transistori ei johda lähteen ja nielun välillä. Todellisuudessa elektronien energioiden Bolzmann-jakauma sallii suurempienergiaisten elektronien kulkea kanava-alueen kautta tuottaen sub-threshold-virran jonka suuruus on hila-lähde-jännitteen eksponenttifunktio. Vaikkakin kytkinkäytössä suljetun transistorin läpi ei pitäisi kulkea mitään virtaa, kulkee siellä heikko virta jota kutsutaan vuotovirraksi (subthreshold leakage).
Triodi- tai lineaarinen -moodi
Kun VGS > Vth ja VDS < VGS - Vth
Transistori on johtava ja on muodostanut kanavan joka sallii virran lähteeltä nielulle. MOSFET toimii vastuksen tapaan ja sitä ohjataan hilajännitteellä. Virta nielulta lähteelle (drain → source) on:
I_D= \mu_n C_{ox}\frac{W}{L} \left( (V_{GS}-V_{th})V_{DS}-\frac{V_{DS}^2}{2} \right)
missä \scriptstyle \mu_n on varauksen kuljettajien liikkuvuus, \scriptstyle W on hilan leveys, \scriptstyle L hilan pituus ja \scriptstyle C_{ox} on hilaoksidin kapasitanssi per yksikköala. Muutos eksponenttiaalisesta sub-treshold-moodista triodimoodiin ei ole aivan niin äkkinäinen kuin yhtälö antaa ymmärtää.
Kyllästystilassa (ts. saturaatiossa)
Kun VGS > Vth ja VDS > VGS - Vth
Kytkin on johtava ja kanava sallii virran kulun nielulta lähteelle (drain → source). Koska nielujännite (VD) on korkeampi kuin hilajännite, osa kanavasta on suljettu. Tämän toimintatilan alku tunnetaan nimellä pinch-off. Nieluvirta on nyt melko lailla riippumaton nielun jännitteestä (ainakin likiarvona) ja virtaa ohjaa vain hilan jännite:
I_D = \frac{\mu_n C_{ox}}{2}\frac{W}{L}(V_{GS}-V_{th})^2
kertomalla edellinen yhtälö \scriptstyle (1+\lambda V_{DS}) otetaan huomioon kanavan pituuden vaikutus (Early-efekti, James M. Early).

MOSFETin kehitys ja käyttö[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

MOSFETin keksivät Bell Laboratorioissa työskennelleet Dawon Kahng ja Martin Atalla vuonna 1960. MOSFET valmistettiin laittamalla puolijohteen pinnalle eristekerros ja sen päälle metallinen hila. Tuotantomenetelmän edullisuus ja integroinnin helppous tekivät siitä oitis kiinnostavan tekniikan. Lisäksi kun MOSFET ei kehitä piin ja piidioksidin väliseen pintaansa paikallisia elektroniloukkuja (engl: interface states), niistä ei ole haittaa samaan tapaan kuin aiemmille transistorien valmistustekniikoille.

Tällaisen onnekkaan sattuman ansiosta MOSFET on nykypäivän tärkein valmistustekniikka integroitujen piirien tekoon.

Digitaaliset sovellukset[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Digitaalisten teknologioiden kehitystarve (kuten esim. mikroprosessorit) on painostanut kehittämään MOSFET-teknologiaa nopeammin kuin mitään muuta piipohjaista transistorityyppiä. Saavutetun menestyksen syynä on ollut erityisesti CMOS-logiikan kehittäminen, mikä käyttää p- ja n-kanavaisia MOSFETejä rakennuspalikoinaan.

CMOS-logiikan merkittävä etu on, että ilman tilamuutoksia se ei kuluta virtaa (vuotovirtoja lukuun ottamatta). Tilamuutosten tapahtuessa tapahtuu lyhytaikainen virran kulku CMOS:in molempien komplementtiparin transistorien kautta — joka näyttää oikosululta käyttösähkön ja maapotentiaalin välillä. Niinpä CMOS:in virrankulutus määräytyy kytkimien ajamien kapasitanssien suuruudesta ja siitä määrästä, mitä tilamuutoksia tapahtuu samanaikaisesti. Lisäksi tietysti kellotaajuuden nostaminen (tilamuutosten määrän lisäys aikayksikköä kohti) nostaa virrankulutusta.

CMOS-logiikalla on myös suuri ottoimpedanssi ja melko matala antoimpedanssi — verrattuna vaikkapa [[TTL (logiikka)

|TTL-logiikkaan]] yksi lähtö-CMOS kykenee ohjaamaan useampia CMOS-ottoja kuin TTL-systeemi. Koskapa MOSFET:in hila on kapasitanssi, taajuuden noustessa sen esittämä impedanssi alenee ja siten se tarvitsee isompaa ajotehoa → taajuuden nousessa ajokyky heikkenee.

Analogiset sovellukset[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

MOSFET:in edut digitaalisten piirien pääratkaisuna eivät kuitenkaan ole sellaisenaan edullisia analogisissa piireissä. Bipolaaritransistoreita on perinteisesti käytetty analogisten systeemien transistoreina pääasiassa niiden korkean transkonduktanssin ja ainutlaatuisten ominaisuuksien vuoksi, mutta kyllä MOSFET:eilläkin on analogiset käyttötarkoituksensa.

Eräät MOSFET:in edut johtuvat sen positiivisesta lämpötilakertoimesta. Ne eivät koe samanlaista hallitsematonta ylikuumenemista kuin bipolaariset transistorit. Lisäksi MOSFET:ejä voi lineaarisella toiminta-alueellaan käyttää tarkkaan aseteltavina vastuksina, joiden säätöalue on myös bipolaareja paljon laajempi. MOSFET:ejä voi myös käyttää kondensaattoreina ja sopivalla operaatiovahvistinkytkennällä ne voidaan saada näyttämään keloilta. Kaikkiaan MOSFET:illa voidaan simuloida kaikki komponentit diodeja lukuun ottamatta — jotka ovat diskreetteinä MOSFETeja pienempiä. Tämä mahdollistaa täydellisten analogisten kytkentöjen teon integroituna piille hyvin pieneen tilaan. Jotkin integroidut piirit sisältävät analogisia ja digitaalisia MOSFET rakenteita pienentäen piirikortin kokotarvetta.

Tällainen tuo tarvetta eristää analogisia ja digitaalisia rakenteita piiritasolla. Siihen on luotu tekniikoiksi eristämisrenkaita ja Silicon-On-Insulator (SOI). Bipolaaritransistorin etu MOSFETiin nähden on Bipolaarin kyky käsitellä isompaa virtaa pienemmällä alalla. Valmistustekniikat on olemassa bipolaaristen transistorien ja MOSFETien integrointiin samalle piipalalle. Tällaisia sekatransistoritekniikkapiirejä kutsutaan Bi-FET:eiksi (Bipolar-FET) jos niissä on vain yhden sorttisia bipolaareja ja FETejä, sekä BiCMOS (Bipolar-CMOS) jos niissä on komplementaarisia rakenteita. Tällaiset rakenteet tuovat yleensä molempien edut: eristetty hila ja korkea virrankäsittelykyky.

Bipolaaritransistorilla on myös hieman etuja MOSFETiin nähden. Bipolaarit ovat parempia ainakin kahdessa tehtävässä:

Nopeissa kytkintehtävissä, jossa hilan kapasitanssin varaustarve hidastaa MOSFETia.
Ajettavan MOSFETin hilan kapasitanssi kerrottuna ajavan MOSFETin kanavan resistanssilla antaa valmistustekniikkakohtaisen aikavakion.
Tämä tekniikkapohjainen aikavakio rajoittaa MOSFETin kytkentänopeutta, koska se alipäästösuodattaa korkeammat taajuudet pois.
MOSFETin kanavan leventäminen pienentää sen vastusta, mutta nostaa sen kapasitanssia täsmälleen samassa suhteessa.
MOSFETin kanavan kaventaminen lisää sen vastusta, mutta pienentää sen kapasitanssia täsmälleen samassa suhteessa.
R * C = Tc1, 0.5R * 2C = Tc1, 2R * 0.5C = Tc1
Tätä valmistusprosessista tulevaa ominaisaikavakiota ei voi muuttaa muuttamatta prosessia. Prosessia muuttamalla, erilaisella kanavapituudella, kanavan paksuudella, hilan paksuudella ja materiaaleilla saadaan erilainen ominaisaikavakio.
Bipolaareilla ei näitä ongelmia ole, kun siinä ei ole hilaa.
Ohjauskyky
Ajavan MOSFETin kanavan vastus on sarjassa ajettavien MOSFETien hilan kapasitanssin kanssa joka muodostaa oman aikavakionsa: Tc2
Viivepiireissä käytetään tätä vastusten ja kapasitanssien säätämistä pienempien ja joskus isompien viiveiden tekoon.
Tämä toinen aikavakio on minimoitavissa lisäämällä ajavan MOSFETin kanavan leveyttä kaventaen sen vastusta ja kaventaen ajettavan FETn kanavan leveyttä pienentäen niiden kapasitanssia. Haittana on tietysti, että ajavan FETin kapasitanssi suurenee joka vaikuttaa kytkentään sisäisesti.
Bipolaarit ovat parempia hilaohjaimia koska ne kykenevät ajamaan enemmän virtaa kuin MOSFETit mahdollistaen niiden käsitellä kohdekapasitansseja nopeammin.

Monet mikropiirit käyttävätkin MOSFET inputteja ja BiCMOS outputteja.

MOSFETin kutistaminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kuluneiden vuosikymmenten aikana MOSFETia on kutistettu; tyypilliset MOSFET kanavapituudet olivat aiemmin useita mikrometrejä mutta modernit integroidut piirit käyttävät mittakaavoja jotka ovat alle 0.1 mikrometriä. Vuonna 2006 on yleisesti otettu teollisuuskäyttöön 0.065 mikrometrin (65 nanometrin) mittakaavan rakenteet.

Syitä MOSFETin kutistamiselle[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pienikokoisemmat MOSFETit ovat haluttuja kolmesta syystä:

  • Pienempi MOSFET sallii isomman virran kulkea kanavavastuksen pienentyessä.
  • Pienemmillä MOSFETeillä on pienemmät hilat ja siten pienempi hila-kapasitanssi.
    • Näistä tulee pienempi R*C aikavakio joka mahdollistaa korkeammat toimintanopeudet.
  • Kolmas etu on pienempi pinta-ala joka merkitsee että samaan tilaan minne ennen mahtui 1 MOSFET, nyt mahtuu vaivatta 100 kpl. Näin piirejä voidaan kutistaa pienemmälle piipalalle joka puolestaan tarkoittaa että samalle valmistuspohjalle (piikiekolle) saadaan enemmän lopputuotteita mikä puolestaan alentaa lopputuotteen hintaa aavistuksen.
    • Vaihtoehtoisesti nyt saadaan tehtyä 100 miljoonaa transistoria sisältäviä rakenteita, kun aiemmin raja oli ensin miljoonassa, sitten 10 miljoonassa. Mitä enemmän transistoreja, sitä enemmän toiminnallisuutta (tai muistia, tai...)

MOSFETin kutistamisen luomat hankaluudet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

MOSFETien teko siten, että kanavan pituus on alle mikrometrin on erittäin haastavaa ja puolijohteiden valmistusteknologian vaikeudet ovat rajoittavana tekijänä. Aivan viime aikoina pienikokoisuus on tuonut omia ongelmiaan MOSFETeille.

Subthreshold-vuotovirta[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pienten mittojen takia hilalle tulevaa jännitettä pitää pienentää piirin luotettavuuden ylläpitämiseksi. Jotta piirillä on suorituskykyä, MOSFETin kynnysjännitettä pitää myös alentaa. Kun kynnysjännitettä lasketaan, transistoria ei saa kokonaan suljettua, eli se toimii ns. weak-inversion moodissa jolloin on olemassa kanavaa pitkin kulkeva pieni virta. Aiemmin tämä virta oli niin olematon että se voitiin jättää huomiotta, mutta nykyisin se muodostaa helposti jopa puolet modernin tehokkaan (kompleksisen) VLSI-piirin tehonkulutuksesta.

Yhdyslankojen kapasitanssi[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Perinteisesti kytkentäaika oli suunnilleen yksinomaan riippuva hilojen hilakapasitanssista. Nyttemmin hilakapasitanssit ovat kutistuneet huomattavasti ja yhdyslankojen hajakapasitanssit ovat vähintään samaa luokkaa kuin hilakapasitanssit. Tämä yhdysjohtojen hajakapasitanssi vaikuttaa kytkentänopeutta alentavasti.

Lämmöntuotto[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

MOSFETien alati kasvava tiheys tuottaa ongelmia huomattavan paikallisen lämmönmuodostuksen muodossa, mikä saattaa haitata piirien toimintaa. Piirit toimivat hitaammin korkeissa lämpötiloissa ja niillä on huonontunut luotettavuus ja lyhyemmät eliniät. Tämän takia tarvitaan yhä tehokkaampia jäähdytyskeinoja (jäähdytyssiilejä yms) piireillä.

Teho-MOSFETeillä on vaarana ns. terminen karkaus. Kun niiden auki-asennon vastus kasvaa lämpötilan kasvaessa, liitoksen tehohukka kasvaa vastaavasti tuottaen lisää lämpöä. Jos jäähdytystekniikka pettää, puolijohdemateriaali saattaa kuumeta katastrofaalisen nopeasti jolloin laite tuhoaa itsensä.

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Narain Arora: Mosfet Modeling for Vlsi Simulation: Theory and Practice, s. 69. World Scientific, 2007. ISBN 9789812568625. (englanniksi)
  2. Equars.com Body effect: threshold variation and its approximation. (englanniksi)

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]