טרנזיסטור אפקט שדה מסוג MOSFET הוא טרנזיסטור אפקט שדה מסוג מתכת-תחמוצת-מוליך למחצה. הטרנזיסטור הדו-קוטבי מגביר את השינוי הקטן בזרם בקצה הקלט ומוציא שינוי זרם גדול בקצה היציאה. ההגבר של טרנזיסטור דו-קוטבי מוגדר כיחס בין זרם היציאה לזרם הקלט (בטא). סוג אחר של טרנזיסטור, הנקרא טרנזיסטור אפקט שדה (FET), ממיר שינויים במתח הקלט לשינויים בזרם היציאה. ההגבר של FET שווה למוליכות שלו, המוגדרת כיחס בין השינוי בזרם היציאה לשינוי במתח הקלט. שמו של ה-FET מגיע גם מהקלט שלו (הנקרא שער) המשפיע על הזרם הזורם דרך הטרנזיסטור על ידי הקרנת שדה חשמלי על שכבת בידוד. למעשה, זרם לא זורם דרך מבודד זה, ולכן זרם השער של ה-FET קטן מאוד. ה-FET הנפוץ ביותר משתמש בשכבה דקה של סיליקון דו-חמצני כמבודד מתחת לשער. טרנזיסטורים כאלה נקראים טרנזיסטורי מתכת-תחמוצת-מוליך למחצה (MOS), או טרנזיסטורי אפקט שדה של מתכת-תחמוצת-מוליך למחצה (MOSFET). מכיוון ש-MOSFET קטנים יותר ויעילים יותר באנרגיה, הם החליפו טרנזיסטורים דו-קוטביים ביישומים רבים.

מה זה MOS? מה ההשפעה

אתה יכול לגשת ישירות לאנציקלופדיה של באידו כדי לבדוק את המידע על MOSFET.

טרנזיסטור אפקט שדה מסוג מתכת-תחמוצת-מוליך למחצה, או טרנזיסטור מתכת-מבודד-מוליך למחצה. המקור והניקוז של ה-MOSFET ניתנים להיפוך, וכולם אזורים מסוג N הנוצרים בשער האחורי מסוג P. ברוב המקרים, שני אזורים אלה זהים, וגם אם שני הקצוות הפוכים, הדבר לא ישפיע על ביצועי ההתקן. התקנים כאלה נחשבים סימטריים.

הטרנזיסטור הדו-קוטבי מגביר את השינוי הקטן של הזרם בקצה הקלט ומוציא שינוי זרם גדול בקצה המוצא. הרווח של טרנזיסטור דו-קוטבי מוגדר כיחס בין הפלט לזרם הכניסה (בטא). סוג אחר של טרנזיסטור, הנקרא טרנזיסטור אפקט שדה (FET), ממיר שינויים במתח הכניסה לשינויים בזרם המוצא. הרווח של FET שווה להמוליכות שלו, המוגדרת כיחס בין השינוי בזרם המוצא לשינוי במתח הכניסה.

שמו של ה-FET מגיע גם מהקלט שלו (הנקרא שער) שמשפיע על הזרם הזורם דרך הטרנזיסטור על ידי הקרנת שדה חשמלי על שכבת בידוד. למעשה, זרם לא זורם דרך מבודד זה, ולכן זרם השער של ה-FET קטן מאוד. ה-FET הנפוץ ביותר משתמש בשכבה דקה של סיליקון דו-חמצני כמבודד מתחת ל-GATE. טרנזיסטורים כאלה נקראים טרנזיסטורי מתכת-תחמוצת-מוליך למחצה (MOS), או טרנזיסטורי אפקט שדה מתכת-תחמוצת-מוליך למחצה (MOSFETs). מכיוון ש-MOSFET קטנים יותר ויעילים יותר באנרגיה, הם החליפו טרנזיסטורים דו-קוטביים ביישומים רבים.

ראשית, נסתכל על התקן פשוט יותר - קבל MOS - כדי להבין טוב יותר את ה-MOSFET. להתקן שתי אלקטרודות, אחת ממתכת והשנייה מסיליקון חיצוני, המופרדות על ידי שכבה דקה של סיליקון דו-חמצני. קוטב המתכת הוא ה-GATE, וההדק של המוליך למחצה הוא הגוף או השער האחורי. שכבת התחמוצת המבודדת ביניהם נקראת שער דיאלקטרי. להתקן המוצג יש שער אחורי העשוי מסיליקון מסוג P מסומם קלות. ניתן להסביר את המאפיינים החשמליים של קבל MOS זה על ידי חיבור השער האחורי לאדמה וחיבור השער למתחים שונים. פוטנציאל ה-GATE של קבל ה-MOS הוא 0V. ההבדל בפונקציית העבודה בין שער מתכת לשער אחורי מוליך למחצה יוצר שדה חשמלי קטן על הדיאלקטרי. בהתקן, שדה חשמלי זה גורם לקטבי המתכת להיות חיוביים מעט ולסיליקון מסוג P להיות שליליים. שדה חשמלי זה מושך אלקטרונים מהשכבות התחתונות של הסיליקון אל פני השטח, והוא דוחה חורים מפני השטח בו זמנית. שדה חשמלי זה חלש מדי, ולכן השינוי בריכוז הנושא קטן מאוד, וההשפעה על המאפיינים הכוללים של המכשיר גם היא קטנה מאוד.

מה קורה כאשר ה-GATE של קבל ה-MOS מוטה קדימה ביחס ל-BACKGATE. השדה החשמלי על פני ה-GATE DIELECTRIC מתעצם, ועוד אלקטרונים נמשכים למעלה מהמצע. במקביל, חורים נדחים מפני השטח. ככל שמתח ה-GATE גדל, יהיו יותר אלקטרונים מאשר חורים על פני השטח. בגלל עודף האלקטרונים, משטח הסיליקון נראה כמו סיליקון מסוג N. היפוך קוטביות הסימום נקרא היפוך, ושכבת הסיליקון ההפוכה נקראת תעלה. ככל שמתח ה-GATE ממשיך לעלות, יותר ויותר אלקטרונים מצטברים על פני השטח, והתעלה הופכת להיפוך חזק. המתח בו נוצר הערוץ נקרא מתח הסף Vt. כאשר הפרש המתח בין GATE ל-BACKGATE קטן ממתח הסף, לא נוצר ערוץ. כאשר הפרש המתח עולה על מתח הסף, הערוץ מופיע.

קבלים של MOS: (A) לא מוטים (VBG=0V), (B) הפוכים (VBG=3V), (C) מצטברים (VBG=-3V).

האמצע הוא המקרה כאשר ה-GATE של קבל ה-MOS הוא מתח שלילי ביחס לשער האחורי. השדה החשמלי הפוך, מושך חורים אל פני השטח ודוחה אלקטרונים. משטח הסיליקון נראה מסומם יותר, והמכשיר נחשב במצב צבירה.

ניתן להשתמש במאפיינים של קבלי MOS ליצירת טרנזיסטורי MOS. שער, דיאלקטרי ושער אחורי נשארים כפי שהם. משני צידי ה-GATE שני אזורים נוספים מסוממים באופן סלקטיבי. אחד מהם נקרא מקור והשני נקרא ניקוז. נניח שהמקור וגם השער האחורי מקורקעים, והניקוז מחובר למתח חיובי. כל עוד המתח בין GATE ל-BACKGATE עדיין נמוך ממתח הסף, לא יווצר ערוץ. צומת ה-PN בין הניקוז לשער האחורי מוטה הפוכה, כך שרק כמות קטנה של זרם זורמת מהניקוז אל השער האחורי. אם מתח ה-GATE חורג ממתח הסף, מופיע ערוץ מתחת לדיאלקטרי ה-GATE. תעלה זו היא כמו שכבה דקה של סיליקון מסוג N המקצרת את הניקוז והמקור. זרם המורכב מאלקטרונים זורם מהמקור דרך התעלה לניקוז. באופן כללי, יהיה זרם ניקוז רק כאשר מתח השער למקור V חורג ממתח הסף Vt.

ב-MOSFET סימטרי, הסימון של source ו-drain הוא שרירותי במידה מסוימת. מעצם הגדרתם, נושאי מטען זורמים החוצה מה-source אל תוך ה-drain. לכן, הזהות של source ו-drain נקבעת על ידי ההטיה של ההתקן. לפעמים מתח ההטיה על הטרנזיסטור אינו קבוע, ושני המוליכים יתחלפו תפקידים זה עם זה. במקרה זה, מתכנן המעגל חייב לציין שאחד הוא drain והשני הוא source.

רכיבי המקור והניקוז הם טרנזיסטורי MOSFET אסימטריים עם סימום שונה וצורות גיאומטריות שונות. ישנן סיבות רבות לייצר טרנזיסטורים אסימטריים, אך לכולן יש את אותה התוצאה הסופית. מסוף מוביל אחד מותאם כניקוז והשני מותאם כמקור. אם הניקוז והמקור מוחלפים, ההתקן לא יפעל כראוי.

לטרנזיסטורים יש תעלה מסוג N ולכן הם נקראים MOSFET מסוג N, או NMOS. קיים גם שפופרת MOS מסוג P (PMOS), שהיא P-MOSFET המורכב מ-BACKGATE מסוג N מסומם קלות ומ-source ו-drain מסוג P. אם ה-GATE של טרנזיסטור זה מוטה קדימה ביחס ל-BACKGATE, אלקטרונים נמשכים לפני השטח וחורים נדחים ממנו. פני השטח של הסיליקון מצטברים, ולא נוצרת תעלה. אם ה-GATE מוטה לאחור ביחס ל-BACKGATE, חורים נמשכים לפני השטח ונוצרת תעלה. לכן, מתח הסף של טרנזיסטור PMOS הוא שלילי. מכיוון שמתח הסף של NMOS חיובי ומתח הסף של PMOS הוא שלילי, מהנדסים בדרך כלל מסירים את הסימן שלפני מתח הסף. מהנדס עשוי לומר, "PMOS Vt עולה מ-0.6V ל-0.7V", כאשר למעשה PMOS Vt יורד מ-0.6V- ל-0.7V-.