MOSFET

MOS-transistoreita

MOS-transistori eli MOSFET (engl. metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) on kanavatransistori, jossa hilaelektrodi on eristetty kanavasta. Sitä käytetään sekä digitaalisissa että analogisissa piireissä.

Sanatarkasti ymmärrettynä MOS-transistori eli metallioksidi-puolijohdekanavatransistori kattaa vain tapaukset, jossa eriste on metallioksidi. Eristyshilainen kanavatransistori eli IGFET (insulated-gate field-effect transistor) on tällöin MOSFETiä yleisempi termi, joka käsittää myös tapaukset, joissa eriste ei ole metallioksidi. Tällaista erottelua ei kuitenkaan käytännössä yleensä noudateta, vaan kaikkia eristyshilaisia kanavatransistoreita kutsutaan MOSFETeiksi.^lähde? Nykyaikaisissa integroiduissa piireissä käytetään eristeenä yleensä monikiteistä piitä.

Historia

Mohamed Atalla ja Dawon Kahng keksivät MOSFETin (yleisesti lyhyesti MOS) Bell Labsissa vuonna 1959. Kahng ja Atalla valmistivat PMOS- ja NMOS-tekniikalla, mutta vain PMOS-laitteet toimivat.

Ennen kuin Bell Labs esitteli toimivaa MOS-transistoria Paul K. Weimer ja J. Torkel Wallmark RCA:n laboratorioissa tekivät pohjatyön ohutkalvoihin perustuville MOS-transistoreille.

MOS-transistorit korvasivat bipolaaritransistorit 99 prosentissa tapauksista.

Osat

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

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

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

Piirrosmerkit

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

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

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

				P-kanava
				N-kanava
JFET	MOSFET enh		MOSFET dep

Materiaalit

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

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

Toiminta

MOS-rakenne

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

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

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

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

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

Perusteet

MOSFETin toiminta perustuu siis MOS-kapasitanssin läheisyydessä olevan varaustiheyden ohjaukseen. Kun hilan ja lähteen välille luodaan jännite-ero $V_{\rm {GS}}$, 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 $V_{\rm {GS}}$ muuttamalla voidaan säätää kanavan johtavuutta ja nieluvirran $I_{\rm {D}}$ suuruutta.

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

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

Runkovaikutus

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

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

missä:

• $V_{TO}$ on kynnysjännite esijännitteen ollessa nolla
• $\gamma$ on runkovaikutusparametri
• $2\phi$ on pintapotentiaali.

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

Toimintamuodot

MOSFETin nieluvirran voimakkuuksia useilla V_DS jännitteillä ja V_GS-V_th arvoilla

MOSFETin poikkileikkaus sen toimiessa lineaarisella alueella

MOSFETin poikkileikkaus sen toimiessa avausalueella

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

Cut-off tai kynnyksen alittava tila

Kun $V_{GS}<V_{th}$ missä $V_{th}$ on FET:in kynnysjännite.

Kynnysmallin mukaan suljettu transistori ei johda lähteen ja nielun välillä. Todellisuudessa elektronien energioiden Bolzmann-jakauma sallii suurempienergisten elektronien kulkea kanava-alueen kautta tuottaen kynnyksen alittavan (engl. sub-threshold) virran, jonka suuruus on hilan ja lähteen välisen jännitteen eksponenttifunktio. Vaikkakin kytkinkäytössä suljetun transistorin läpi ei pitäisi kulkea mitään virtaa, kulkee siellä heikko virta jota kutsutaan vuotovirraksi (subthreshold leakage).

Triodi- tai lineaarinen tila

Kun V_GS > V_th ja V_DS < V_GS - V_th

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 $\mu _{n}$ on varauksenkuljettajien liikkuvuus, $W$ on hilan leveys, $L$ hilan pituus ja $C_{ox}$ on hilaoksidin kapasitanssi per yksikköala. Muutos eksponenttiaalisesta kynnyksen alittavasta tilasta trioditilaan ei ole aivan niin äkkinäinen kuin yhtälö antaa ymmärtää.

Kyllästystilassa (ts. saturaatiossa)

Kun V_GS > V_th ja V_DS > V_GS - V_th

Kytkin on johtava, ja kanava sallii virran kulun nielulta lähteelle (drain → source). Koska nielujännite (V_D) on korkeampi kuin hilajännite, osa kanavasta on suljettu. Tämän toimintatilan alku tunnetaan nimellä kanavan sulkeutuminen (engl. pinch-off). Nieluvirta on nyt melko lailla riippumaton nielun jännitteestä (ainakin likiarvona) ja virtaa ohjaa vain hilan jännite:

$I_{D}={\frac {\mu _{n}C_{ox}}{2}}{\frac {W}{L}}(V_{GS}-V_{th})^{2}$

kertomalla edellinen yhtälö $(1+\lambda V_{DS})$ otetaan huomioon kanavan pituuden vaikutus (Early-ilmiö, James M. Early).

Kehitys ja käyttö

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

Näistä syistä MOSFET on nykypäivän tärkein valmistustekniikka integroitujen piirien tekoon.

Digitaaliset sovellukset

Digitaalisten teknologioiden kehitystarve (kuten esim. mikroprosessorit) on luonut tarpeen kehittää MOSFET-teknologiaa nopeammin kuin mitään muuta piipohjaista transistorityyppiä. Menestyksen syynä on ollut erityisesti p- ja n-kanavaisia MOSFETejä rakennuspalikoinaan käyttävän CMOS-logiikan kehitys.

CMOS-logiikan merkittävä etu on, että ilman tilamuutoksia se ei kuluta virtaa pieniä vuotovirtoja lukuun ottamatta. Tilamuutosten tapahtuessa virta kulkee lyhytaikaisesti CMOS:in komplementtiparin molempien transistorien kautta, mikä näyttää oikosululta käyttösähkön ja maapotentiaalin välillä. Niinpä CMOS:in virrankulutus määräytyy kytkinten kapasitanssien suuruudesta ja tilamuutosten lukumäärästä aikayksikössä: kellotaajuuden kasvattaminen nostaa virrankulutusta.

CMOS-logiikalla on myös suuri ottoimpedanssi ja melko matala antoimpedanssi. Verrattuna TTL-logiikkaan yksi lähtö-CMOS kykenee ohjaamaan useampia CMOS-ottoja kuin TTL-systeemi. Koska MOSFETin hila on kapasitanssi, taajuuden noustessa sen esittämä impedanssi alenee ja siten se tarvitsee isompaa ajotehoa → taajuuden nousessa ajokyky heikkenee.

Analogiset sovellukset

MOSFETin edut digitaalisten piirien pääratkaisuna eivät kuitenkaan ole sellaisenaan edullisia analogisissa piireissä. Bipolaaritransistoreita on perinteisesti käytetty analogisten järjestelmien transistoreina pääasiassa niiden korkean transkonduktanssin ja ainutlaatuisten ominaisuuksien vuoksi, mutta MOSFETeilläkin on analogiset käyttötarkoituksensa.

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

Tällainen tuo tarvetta eristää analogisia ja digitaalisia rakenteita piiritasolla. Siihen on luotu tekniikoiksi eristämisrenkaita ja pii eristeen päällä (engl. 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.

Ohjattavan MOSFETin hilan kapasitanssi kerrottuna ohjaavan 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 = T_c1, 0,5R * 2C = T_c1, 2R * 0,5C = T_c1

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 niissä ei ole hilaa.

Ohjauskyky

Ohjattavan MOSFETin kanavan vastus on sarjassa ohjattavien MOSFETien hilan kapasitanssin kanssa, mikä muodostaa oman aikavakionsa: T_c2

Viivepiireissä käytetään tätä vastusten ja kapasitanssien säätämistä pienempien ja joskus isompien viipeiden tekoon.

Tämä toinen aikavakio on minimoitavissa lisäämällä ohjaavan MOSFETin kanavan leveyttä kaventaen sen vastusta ja kaventaen ohjattavan FETn kanavan leveyttä pienentäen niiden kapasitanssia. Haittana on, että ohjaavan FETin kapasitanssi suurenee, mikä vaikuttaa kytkentään sisäisesti.

Bipolaarit ovat parempia hilaohjaimia, koska ne kykenevät ohjaamaan suurempaa virtaa kuin MOSFETit mahdollistaen niiden kyvyn ladata ja purkaa kohdekapasitansseja nopeasti.

Monet mikropiirit käyttävätkin MOSFET inputteja ja BiCMOS outputteja.

MOSFETin kutistaminen

Kuluneiden vuosikymmenten aikana MOSFETia on kutistettu; tyypilliset MOSFET kanavapituudet olivat aiemmin useita mikrometrejä, mutta nykyaikaisissa integroiduissa piireissä käytetään pituuksia, jotka ovat alle 0,1 mikrometriä. Vuonna 2006 on yleisesti otettu teollisuuskäyttöön 0,065 mikrometrin (65 nanometrin) pituiset rakenteet.

Syitä kutistamiselle

Pienikokoiset MOSFETit ovat haluttuja kolmesta syystä:

• Pienempi MOSFET sallii isomman virran kulkea kanavavastuksen pienentyessä.
• Pienemmillä MOSFETeillä on pienemmät hilat ja siten pienempi hilakapasitanssi.
  • Näistä aiheutuu pienempi R*C aikavakio, mikä mahdollistaa suuremman toimintanopeuden.
• Kolmas etu on pienempi pinta-ala. Tällöin tilaan, johon aiemmin mahtui yksi MOSFET, mahtuu nyt useampi. Näin piirejä voidaan kutistaa pienemmälle piipalalle, mikä tarkoittaa, että samalle valmistuspohjalle (piikiekolle) saadaan enemmän lopputuotteita, mikä puolestaan alentaa lopputuotteen hintaa..
  • Vaihtoehtoisesti voidaan valmistaa esim. sata miljoonaa transistoria sisältäviä rakenteita, jos aiemmin raja oli ensin miljoonassa ja sitten kymmenessä miljoonassa. Mitä enemmän transistoreja, sitä enemmän toiminnallisuutta, muistia, y.m. voidaan mahduttaa yhteen piiriin.

Kutistamisen luomat hankaluudet

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.

Kynnyksen alittava vuotovirta

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 -tilassa, 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 nykyaikaisen tehokkaan (kompleksisen) VLSI-piirin tehonkulutuksesta.

Yhdysjohdinten kapasitanssi

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

Lämmöntuotto

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

Teho-MOSFETeillä on vaarana ns. terminen karkaaminen. 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.

Katso myös

• Puolijohdeteollisuus
• Ohutkalvon kasvatus
• IGBT
• Dennard-skaalaus eli MOSFET-skaalaus
• Kanavatransistori

Kirjallisuutta

• Salste, Mikko; Porra, Veikko: Elektroniikka: sovelletun elektroniikan ja digitaalitekniikan perusteet. Otaniemi: Otakustantamo, 1973. ISBN 951-671-053-0
• Silvonen, Kimmo: Sähkötekniikka ja elektroniikka. Helsinki: Otatieto, 2003. ISBN 951-672-335-7
• Silvonen, Kimmo; Tiilikainen, Matti; Helenius Kari: Analogiaelektroniikka. Helsinki: Edita, 2004 (2002). ISBN 951-37-3839-6