MOSFET
Wikipedia
Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET, MOS-FET, or MOS FET), on kaikkein yleisin field-effect transistori jota käytetään sekä digitaalisissa että analogisissa piireissä, MOSFET koostuu n-tyypin tai p-tyypin puolijohdekanavasta (ks. artikkelia en: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 'metalli' sana on anakronismi varhaisista malleista joissa hilat (gate) todella olivat metallointia, mutta modernit integroidut piirit käyttävä poly-pii (en:polysilicon) hiloja. Myös hila (gate) -sana on anakronismi ja tulee elektroniputkien ajoilta joissa verkkomainen hila sääti putken läpi kulkevaa virtaa. Joka tapauksessa FET:it ovat jänniteohjatun luonteensa ansiosta melko pitkälle elektroniputkien kaltaisia, kun taas bipolaaritransistorit eivät niinkään ole.
IGFET on läheinen hieman yleisempi termi merkiten insulated-gate field-effect transistor ja se on melkein synonyymi "MOSFET":ille vaikka se voi myöskin viitata FET:eihin joiden hila-eriste ei ole oksidia. Jotkut kirjoittavat suosivat "IGFET" termiä tarkoittaessaan komponentteja joissa on poly-pii hilat, mutta useimmille ne ovat silti MOSFET:ejä.
Yleensä puolijohdemateriaalivalinta osuu pii:hin, mutta jotkin piirivalmistajat ovat tuottaneet uusia valmistusprosesseja joissa piitä ja germanium:ia sekoitetaan (SiGe) MOSFET:in kanavassa. Valitettavasti monet sähköisesti paremmat puolijohdemateriaalit eivät kuitenkaan muodosta hyviä eriste-oksideja (esim. gallium arsenidi) eivätkä näin ole soveliaita MOSFETien tekoon.
Hila-liitäntänä on kerros poly-piitä (monikiteistä piitä, käytön syistä tarkemmin alempana) joka sijoitetaan kanavan päälle, mutta joka eristetään kanavasta erittäin ohiella eristekerroksella joka tavallisimmin on pii-dioksidia ( = kvartsi ) mutta joka voidaan myös korvata pii-happi-nitridillä.
Kun hila- (gate-) ja lähde- (source) -liitäntöjen väliin tuodaan jännite-ero, sen sähkökenttä läpäisee oksidin aina alla olevaan kanavaan asti ja luo sinne ns. "käänteisen kanavan" ("inversion channel"). Tämä "käänteinen kanava" on samaa tyyppiä (P- tai N-tyyppiä) kuin lähde (source) ja nielu (drain) jolloin se muodostaa kanavan jota pitkin virta voi kulkea. Tämän jännite-eron suuruuden vaihtelu säätää kanavan johtavuutta ja siten mahdollistaa virran suuruuden säätelyn.
Sisällysluettelo |
[muokkaa] Piirrosmerkit
MOSFET:istä käytetään useita erilaisia piirrosmerkkejä. Perussymbolissa on tavallisesti viiva kanavana johon lähde ja nielu liittyy kohtisuorassa kääntyen 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 (source) joka on tavallista diskreettien komponenttien kanssa, nuoli kytketään lähde- (source-) -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:
 |
 |
 |
 |
P-kanava |
 |
 |
 |
 |
N-kanava |
| JFET | MOSFET enh | MOSFET dep | ||
[muokkaa] MOSFET toiminta
[muokkaa] Metal-oxide-semiconductor rakenne
MOS-rakenne tehdään kerrostamalla seostettujen pii-rakenteiden päälle ohut kerros pii-dioksidia (= kvartsia) ja sen päälle kerros metallia (nykyisin yleensä monikiteistä ns. poly-piitä eikä metallia). Koska kvartsi on eriste, rakenne vastaa kondensaattoria jossa yksi elektrodeista on korvattu puolijohteella.
Kun MOS-rakenteen yli tuodaan jännite, se aikaansaa varausjakauman muutosta puolijohdeaineessa.
P-tyypin puolijohdetta ajatellessa (jossa NA on aukkojen tiheys), positiivinen VGB (katso kuvaa) pyrkii vähentämään aukkojen tiheuttä ja lisäämään vapaiden/ylimääräisten elektronien tiheyttä. Jos VGB on kyllin suuri, negatiivisten varauksenkuljettajien (elektronien) tiheys hilan (gate) lähellä ylittää positiivisten varauksenkuljettajien (aukot) tiheyden, jolloin päädytään ns. inversio-kerroksen muodostumiseen.
Tässä rakenteessa P-tyypin perusmateriaali on perustana N-tyypin MOSFETille, joka tarvitsee lisäksi N-tyypin lähde ja nielu (source ja drain) alueet.
[muokkaa] MOSFET rakenne
MOSFET:in toiminta perustuu siis MOS-kapasitanssin läheisyydessä olevan varaustiheyden ohjaukseen. Se muodostuu kahdesta kontaktista (lähde ja nielu, englanniksi: source ja drain) jotka molemmat on kytketty voimakkaasti seostettuihin alueisiin. Nämä alueet ovat joko P- tai N-tyyppiä, mutta molempien pitää olla samaa. Voimakkaasti seostamista kuvataan yleensä lisäämällä '+'-merkki seostyypin kirjaimen perään. Näitä kahta liitosaluetta erottaa vastakkaista tyyppiä oleva seosalue jota kutsutaan nimellä "runko" (englanniksi body). Tämä alue ei ole voimakkaasti seostettu ja se kerrotaan yleensä jättämällä '+'-merkki pois. Aktiiviseen alueeseen kuuluu myös MOS-kapasitanssi sekä kolmas kontakti jotka tunnetaan nimellä hila (englanniksi: gate) joka sijaitsee runkoalueen päällä ja jonka erottaa muista alueista ohut oksidikerros.
Jos MOSFET on N-kanavatyyppiä, silloin lähde ja nielu ovat 'N+' alueita ja runko on 'P' aluetta. Kun positiivinen hila-lähde-jännite (VGS) on tarjolla, 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 negatiivinen hila-lähde-jännite on tarjolla (positiivinen lähde-hila suuntaan), se luo P-kanavan rungon N-alueen pintaan, jne. kuten edellä.
Lähde (englanniksi source) on saanut nimensä siitä, että se on lähde mistä varauksenkuljettajat (elektronit N-kanavalla, aukot P-kanavalla) tulevat kanavaan ja vastaavasti nielu (englanniksi drain) on se paikka mistä varauksenkuljettajat poistuvat kanavasta.
[muokkaa] Runkovaikutus
Runkovaikutus (engl. body effect) kuvaa kynnysjännitteen muutosta riippuen lähde-runko jännitteestä ja sitä kuvaa suunnilleen seuraava yhtälö:
missä:
- VTO is the zero substrate bias
- γ is the body effect parameter
- 2φ is the surface potential parameter.
Runkoa voi hallita toisella hilalla, jota usein kutsutaan näin takahila:ksi ("back gate") ja runkovaikutusta kutsutaan joskus näin joskus nimellä: "back-gate effect". (http://equars.com/~marco/poli/phd/node20.html)
[muokkaa] Toimintamuodot
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 VGS < Vth missä Vth 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:
- missä μn on varauksen kuljettajien liikkuvuus, W on hilan leveys, L hilan pituus ja Cox on hilaoksidin kapasitanssi per yksikköala. Muutos eksponenttiaalisesta sub-treshold-moodista triodimoodiin ei ole aivan niin äkkinäinen kuin yhtälö antaa ymmärtää.
- Kyllästystilassa
- Kun VGS > Vth ja VDS > VGS - Vth
- Kytkin on johtava ja kanava sallii virran kulun nielulta lähteelle (drain → source). Koskapa nielujännite (VD) on korkeampi kuin hilajännite, osa kanavasta on suljettu. Tämän toimintatilan alku tunnetaan nimellä pinch-off. Nieluvirta on nyt melkolailla riippumaton nielun jännitteestä (ainakin likiarvona) ja virtaa ohjaa vain hilan jännite:
- kertomalla edellinen yhtälö (1 + λVDS) otetaan huomioon kanavan pituuden vaikutus (Early-efekti).
[muokkaa] MOSFETin kehitys ja käyttö
MOSFET transistorin keksi 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: en:interface states), niistä ei ole sille haittaa samaan tapaan kuin aiemmille transistorien valmistustekniikoille.
Tällaisen onnekkaan sattuman ansiosta MOSFET on nykypäivän tärkein valmistustekniikka integroitujen piirien tekoon.
[muokkaa] Digitaaliset sovellukset
Digitaalisten teknologioiden kehitystarve (kuten esim. mikroprosessorit) on antanut yllykken kehittää MOSFET teknologiaa nopeammin kuin mitään muuta tyyppiä pii-pohjaisia transistoreita. Saavutetun menestyksen perustoina 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 komplementaatiparin 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-logiikkaan yksi lähtö CMOS kykenee ohjaamaan useampia CMOS ottoja kuin TTL systeemi. Koskapa MOSFET transistorin hila on kapasitanssi, taajuuden noustessa sen esittämä impedanssi alenee ja siten se tarvitsee isompaa ajotehoa → taajuuden nousessa ajokyky heikkenee.
[muokkaa] Analogiset sovellukset
MOSFETin edut digitaalisten piirien pääratkaisuna eivät kuitenkaan ole sellaisenaan edullisia analogisissa piireissä. Bipolaaritransistoreita on perinteisesti käytetty analogisten systeemien transistoreina pääasiassa johtuen sen korkeasta transkonduktanssista ja ainutlaatuisista ominaisuuksista, mutta kyllä MOSFETeilläkin on analogiset käyttötarkoituksensa.
Eräät MOSFETin edut johtuvat sen positiivisesta lämpötilakertoimesta. Ne eivät koe samanlaista hallitsematonta ylikuumenemista kuin bipolaariset transistorit. Lisäksi MOSFETejä voi lineaarisella toiminta-alueellaan käyttää tarkkaan aseteltavina vastuksina joiden säätöalue on myös bipolaareja paljon laajempi. MOSFETtejä voi myös käyttää kondensaattoreina ja sopivalla operaatiovahvistinkytkennällä ne voidaan saada näyttämään keloilta. Kaikkiaan MOSFETilla 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. Tälläisiä 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.
[muokkaa] MOSFETin kutistaminen
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.
[muokkaa] Syitä MOSFETin kutistamiselle
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 ...)
[muokkaa] MOSFETin kutistamisen luomat hankaluudet
MOSFETien teko siten, että kanavan pituus on alle mikrometrin on erittäin haastavaa ja puolijohteiden valmistusteknologian vaikeudet ovat rajoittavana tekijänä. Aivan viimeaikoina pienikokoisuus on tuonut omia ongelmiaan MOSFETeille.
[muokkaa] subthreshold-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 moodissa jolloin on olemassa kanavaa pitkin kulkee 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.
[muokkaa] Yhdyslankojen kapasitanssi
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.
[muokkaa] Lämmöntuotto
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.
