Der MOSFET ist ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor. Oder Metall-Isolator-Halbleiter. Der Bipolartransistor verstärkt die kleine Stromänderung am Eingang und gibt eine große Stromänderung am Ausgang aus. Die Verstärkung eines Bipolartransistors ist definiert als das Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsstrom (Beta). Ein anderer Transistortyp, Feldeffekttransistor (FET), wandelt Änderungen der Eingangsspannung in Änderungen des Ausgangsstroms um. Die Verstärkung eines FET ist gleich seiner Steilheit, die definiert ist als das Verhältnis der Änderung des Ausgangsstroms zur Änderung der Eingangsspannung. Der Name des FET leitet sich auch von seinem Eingang (Gate genannt) ab, der den durch den Transistor fließenden Strom beeinflusst, indem er ein elektrisches Feld auf eine Isolierschicht projiziert. Tatsächlich fließt durch diesen Isolator kein Strom, daher ist der Gate-Strom des FET sehr gering. Der gängigste FET verwendet eine dünne Schicht Siliziumdioxid als Isolator unter dem GATE. Solche Transistoren heißen Metalloxid-Halbleiter-Transistoren (MOS) oder Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs). Da MOSFETs kleiner und energieeffizienter sind, haben sie in vielen Anwendungen Bipolartransistoren ersetzt.

Was ist MOS? Was ist der Effekt?

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Der MOSFET ist ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (oder Metall-Isolator-Halbleiter). Source und Drain des MOSFET können vertauscht werden und sind alle N-Typ-Bereiche, die im P-Typ-Backgate gebildet werden. In den meisten Fällen sind diese beiden Bereiche identisch. Selbst wenn die beiden Enden vertauscht werden, hat dies keine Auswirkungen auf die Leistung des Geräts. Solche Geräte gelten als symmetrisch.

Der Bipolartransistor verstärkt die kleine Stromänderung am Eingangsende und gibt am Ausgangsende eine große Stromänderung aus. Die Verstärkung eines Bipolartransistors ist definiert als das Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsstrom (Beta). Eine andere Art von Transistor, ein sogenannter Feldeffekttransistor (FET), wandelt Änderungen der Eingangsspannung in Änderungen des Ausgangsstroms um. Die Verstärkung eines FET entspricht seiner Transkonduktanz, definiert als das Verhältnis der Änderung des Ausgangsstroms zur Änderung der Eingangsspannung.

Der Name des FET leitet sich auch von seinem Eingang (Gate) ab, der den durch den Transistor fließenden Strom beeinflusst, indem er ein elektrisches Feld auf eine Isolierschicht projiziert. Tatsächlich fließt kein Strom durch diesen Isolator, daher ist der Gate-Strom des FET sehr gering. Der gängigste FET verwendet eine dünne Schicht Siliziumdioxid als Isolator unter dem Gate. Solche Transistoren werden Metall-Oxid-Halbleiter-Transistoren (MOS) oder Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) genannt. Da MOSFETs kleiner und energieeffizienter sind, haben sie in vielen Anwendungen Bipolartransistoren ersetzt.

Um den MOSFET besser zu verstehen, sehen wir uns zunächst ein einfacheres Gerät an – den MOS-Kondensator. Das Gerät hat zwei Elektroden, eine aus Metall und die andere aus extrinsischem Silizium, die durch eine dünne Schicht Siliziumdioxid getrennt sind. Der Metallpol ist das GATE und der Halbleiteranschluss ist das Backgate oder der Body. Die isolierende Oxidschicht dazwischen wird Gate-Dielektrikum genannt. Das abgebildete Gerät hat ein Backgate aus leicht dotiertem P-Typ-Silizium. Die elektrischen Eigenschaften dieses MOS-Kondensators lassen sich erklären, indem man das Backgate an Masse und das Gate an unterschiedliche Spannungen anschließt. Das GATE-Potenzial des MOS-Kondensators beträgt 0 V. Der Unterschied in der AUSARBEITSARBEIT zwischen dem metallischen GATE und dem Halbleiter-BACKGATE erzeugt ein kleines elektrisches Feld auf dem Dielektrikum. In dem Gerät bewirkt dieses elektrische Feld, dass die Metallpole leicht positiv und das P-Typ-Silizium negativ sind. Dieses elektrische Feld zieht Elektronen aus den unteren Schichten des Siliziums an die Oberfläche und stößt gleichzeitig Löcher von der Oberfläche ab. Dieses elektrische Feld ist zu schwach, sodass die Änderung der Trägerkonzentration sehr gering ist und auch der Einfluss auf die Gesamteigenschaften des Geräts sehr gering ist.

Was passiert, wenn das GATE des MOS-Kondensators in Bezug auf das BACKGATE in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist? Das elektrische Feld über dem GATE DIELECTRIC verstärkt sich und mehr Elektronen werden aus dem Substrat herausgezogen. Gleichzeitig werden Löcher von der Oberfläche abgestoßen. Wenn die GATE-Spannung steigt, gibt es mehr Elektronen als Löcher auf der Oberfläche. Aufgrund der überschüssigen Elektronen sieht die Siliziumoberfläche wie Silizium vom N-Typ aus. Die Umkehrung der Dotierungspolarität wird als Inversion bezeichnet, und die umgekehrte Siliziumschicht wird als Kanal bezeichnet. Wenn die GATE-Spannung weiter ansteigt, sammeln sich immer mehr Elektronen an der Oberfläche an und der Kanal wird stark invertiert. Die Spannung, bei der der Kanal gebildet wird, wird als Schwellenspannung Vt bezeichnet. Wenn die Spannungsdifferenz zwischen GATE und BACKGATE kleiner als die Schwellenspannung ist, wird kein Kanal gebildet. Wenn die Spannungsdifferenz die Schwellenspannung überschreitet, wird der Kanal angezeigt.

MOS-Kondensatoren: (A) unvoreingenommen (VBG=0V), (B) invertiert (VBG=3V), (C) akkumuliert (VBG=-3V).

Die Mitte ist der Fall, wenn am GATE des MOS-Kondensators eine negative Spannung gegenüber dem Backgate anliegt. Das elektrische Feld wird umgekehrt, wodurch Löcher an die Oberfläche gezogen und Elektronen abgestoßen werden. Die Siliziumoberfläche scheint stärker dotiert zu sein und das Gerät befindet sich vermutlich in einem Akkumulationszustand.

Die Eigenschaften von MOS-Kondensatoren können zur Bildung von MOS-Transistoren genutzt werden. Gate, Dielektrikum und Backgate bleiben unverändert. Auf beiden Seiten des GATE befinden sich zwei zusätzliche selektiv dotierte Bereiche. Einer davon heißt Quelle und der andere heißt Abfluss. Gehen Sie davon aus, dass sowohl Source als auch Backgate geerdet sind und Drain an eine positive Spannung angeschlossen ist. Solange die Spannung zwischen GATE und BACKGATE noch kleiner als die Schwellenspannung ist, wird kein Kanal gebildet. Der PN-Übergang zwischen Drain und Backgate ist in Sperrichtung vorgespannt, sodass nur eine geringe Strommenge vom Drain zum Backgate fließt. Wenn die GATE-Spannung die Schwellenspannung überschreitet, erscheint ein Kanal unter dem GATE-Dielektrikum. Dieser Kanal ist wie eine dünne Schicht aus Silizium vom N-Typ, die Drain und Source kurzschließt. Ein aus Elektronen bestehender Strom fließt von der Quelle durch den Kanal zum Drain. Im Allgemeinen gibt es nur dann einen Drain-Strom, wenn die Gate-Source-Spannung V die Schwellenspannung Vt überschreitet.

Bei einem symmetrischen MOSFET ist die Bezeichnung von Source und Drain eher willkürlich. Per Definition fließen Ladungsträger von der Source in den Drain. Daher wird die Identität von Source und Drain durch die Vorspannung des Bauelements bestimmt. Manchmal ist die Vorspannung am Transistor nicht festgelegt, und die beiden Anschlüsse tauschen ihre Rollen. In diesem Fall muss der Schaltungsentwickler angeben, dass einer der Anschlüsse der Drain und der andere die Source ist.

Source und Drain sind asymmetrische MOSFETs mit unterschiedlicher Dotierung und unterschiedlicher geometrischer Form. Es gibt viele Gründe für die Herstellung asymmetrischer Transistoren, aber alle führen zum gleichen Endergebnis. Ein Anschluss ist als Drain und der andere als Source optimiert. Werden Drain und Source vertauscht, funktioniert das Gerät nicht ordnungsgemäß.

Transistoren haben einen N-Typ-Kanal und werden daher N-Kanal-MOSFET oder NMOS genannt. Es gibt auch eine P-Kanal-MOS-Röhre (PMOS), einen P-MOSFET, der aus einem leicht dotierten N-Typ-BACKGATE sowie einem P-Typ-Source- und -Drain-Anschluss besteht. Ist das GATE dieses Transistors im Vergleich zum BACKGATE in Durchlassrichtung vorgespannt, werden Elektronen von der Oberfläche angezogen und Löcher von der Oberfläche abgestoßen. Die Siliziumoberfläche akkumuliert, und es entsteht kein Kanal. Ist das GATE im Vergleich zum BACKGATE in Rückwärtsrichtung vorgespannt, werden Löcher von der Oberfläche angezogen und ein Kanal entsteht. Daher ist die Schwellenspannung des PMOS-Transistors negativ. Da die Schwellenspannung von NMOS positiv und die Schwellenspannung von PMOS negativ ist, entfernen Ingenieure üblicherweise das Vorzeichen vor der Schwellenspannung. Ein Ingenieur könnte sagen: „Die Vt des PMOS steigt von 0.6 V auf 0.7 V“, während die Vt des PMOS tatsächlich von -0.6 V auf -0.7 V fällt.