MOSFET เป็นทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามโลหะ - ออกไซด์ - เซมิคอนดักเตอร์ หรือโลหะ-ฉนวน-สารกึ่งตัวนำ ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์จะขยายการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของกระแสที่ปลายอินพุต และส่งออกการเปลี่ยนแปลงกระแสขนาดใหญ่ที่ปลายเอาต์พุต อัตราขยายของทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนของเอาต์พุตต่อกระแสอินพุต (เบต้า) ทรานซิสเตอร์อีกประเภทหนึ่งเรียกว่าทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนาม (FET) แปลงการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าขาเข้าเป็นการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟขาออก อัตราขยายของ FET เท่ากับการแปลงตัวนำ ซึ่งกำหนดเป็นอัตราส่วนของการเปลี่ยนแปลงกระแสไฟขาออกต่อการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าขาเข้า ชื่อของ FET ยังมาจากอินพุต (เรียกว่าเกต) ซึ่งส่งผลต่อกระแสที่ไหลผ่านทรานซิสเตอร์โดยการฉายสนามไฟฟ้าบนชั้นฉนวน ที่จริงแล้วไม่มีกระแสไหลผ่านฉนวนนี้ ดังนั้นกระแสเกตของ FET จึงมีขนาดเล็กมาก FET ที่พบมากที่สุดใช้ชั้นบางๆ ของซิลิคอนไดออกไซด์เป็นฉนวนใต้ GATE ทรานซิสเตอร์ดังกล่าวเรียกว่าทรานซิสเตอร์แบบโลหะ-ออกไซด์-เซมิคอนดักเตอร์ (MOS) หรือทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กแบบโลหะ-ออกไซด์-เซมิคอนดักเตอร์ (MOSFET) เนื่องจาก MOSFET มีขนาดเล็กกว่าและประหยัดพลังงานมากกว่า จึงได้เข้ามาแทนที่ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ในการใช้งานหลายอย่าง

มอสคืออะไร? ผลกระทบคืออะไร?

คุณสามารถไปที่ Baidu Encyclopedia ได้โดยตรงเพื่อตรวจสอบข้อมูลของ MOSFET

MOSFET คือทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามโลหะ-ออกไซด์-เซมิคอนดักเตอร์ หรือโลหะ-ฉนวน-เซมิคอนดักเตอร์ แหล่งที่มาและการระบายของ MOSFET สามารถย้อนกลับได้ และพวกมันคือขอบเขตประเภท N ทั้งหมดที่เกิดขึ้นในแบ็คเกตประเภท P ในกรณีส่วนใหญ่ ทั้งสองบริเวณนี้จะเหมือนกัน แม้ว่าปลายทั้งสองข้างจะกลับด้าน แต่ก็จะไม่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์ อุปกรณ์ดังกล่าวถือว่าสมมาตร

ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์จะขยายการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของกระแสที่ปลายอินพุต และส่งออกการเปลี่ยนแปลงกระแสขนาดใหญ่ที่ปลายเอาต์พุต อัตราขยายของทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนของเอาต์พุตต่อกระแสอินพุต (เบต้า) ทรานซิสเตอร์อีกประเภทหนึ่งเรียกว่าทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนาม (FET) แปลงการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าขาเข้าเป็นการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟขาออก อัตราขยายของ FET เท่ากับการแปลงตัวนำ ซึ่งกำหนดเป็นอัตราส่วนของการเปลี่ยนแปลงกระแสไฟขาออกต่อการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าขาเข้า

ชื่อของ FET ยังมาจากอินพุต (เรียกว่าเกต) ซึ่งส่งผลต่อกระแสที่ไหลผ่านทรานซิสเตอร์โดยการฉายสนามไฟฟ้าบนชั้นฉนวน ที่จริงแล้วไม่มีกระแสไหลผ่านฉนวนนี้ ดังนั้นกระแสเกตของ FET จึงมีขนาดเล็กมาก FET ที่พบมากที่สุดใช้ชั้นบางๆ ของซิลิคอนไดออกไซด์เป็นฉนวนใต้ GATE ทรานซิสเตอร์ดังกล่าวเรียกว่าทรานซิสเตอร์แบบโลหะ-ออกไซด์-เซมิคอนดักเตอร์ (MOS) หรือทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กแบบโลหะ-ออกไซด์-เซมิคอนดักเตอร์ (MOSFET) เนื่องจาก MOSFET มีขนาดเล็กกว่าและประหยัดพลังงานมากกว่า จึงได้เข้ามาแทนที่ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ในการใช้งานหลายอย่าง

ก่อนอื่นให้ดูที่อุปกรณ์ที่เรียบง่ายกว่า - ตัวเก็บประจุ MOS - เพื่อให้เข้าใจ MOSFET ได้ดีขึ้น อุปกรณ์นี้มีอิเล็กโทรด 0 อิเล็กโทรด ตัวหนึ่งเป็นโลหะและอีกตัวเป็นซิลิคอนภายนอก แยกจากกันด้วยชั้นบาง ๆ ของซิลิคอนไดออกไซด์ เสาโลหะคือ GATE และเทอร์มินัลเซมิคอนดักเตอร์คือประตูด้านหลังหรือตัวเครื่อง ชั้นฉนวนออกไซด์ระหว่างชั้นเหล่านี้เรียกว่าอิเล็กทริกเกต อุปกรณ์ที่แสดงมีแบ็คเกตที่ทำจากซิลิคอนชนิด P ที่มีการเจือเล็กน้อย ลักษณะทางไฟฟ้าของตัวเก็บประจุ MOS นี้สามารถอธิบายได้โดยการเชื่อมต่อแบ็คเกตเข้ากับกราวด์ และเกตเข้ากับแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกัน ศักยภาพ GATE ของตัวเก็บประจุ MOS คือ XNUMXV ความแตกต่างในฟังก์ชั่นการทำงานระหว่าง GATE โลหะและ BACKGATE สารกึ่งตัวนำทำให้เกิดสนามไฟฟ้าขนาดเล็กบนอิเล็กทริก ในอุปกรณ์ สนามไฟฟ้านี้ทำให้ขั้วโลหะเป็นบวกเล็กน้อยและซิลิคอนชนิด P เป็นลบ สนามไฟฟ้านี้ดึงดูดอิเล็กตรอนจากชั้นล่างสุดของซิลิคอนมายังพื้นผิว และผลักรูออกจากพื้นผิวไปพร้อมๆ กัน สนามไฟฟ้านี้อ่อนเกินไป ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของตัวพาจึงมีน้อยมาก และอิทธิพลต่อลักษณะโดยรวมของอุปกรณ์ก็มีน้อยมากเช่นกัน

จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อ GATE ของตัวเก็บประจุ MOS มีอคติไปข้างหน้าเมื่อเทียบกับ BACKGATE สนามไฟฟ้าที่พาดผ่าน GATE DIELECTRIC มีความเข้มข้นขึ้น และอิเล็กตรอนจำนวนมากถูกดึงขึ้นมาจากซับสเตรต ในเวลาเดียวกัน รูจะถูกผลักออกจากพื้นผิว เมื่อแรงดัน GATE เพิ่มขึ้น จะมีอิเล็กตรอนมากกว่ารูบนพื้นผิว เนื่องจากมีอิเล็กตรอนมากเกินไป พื้นผิวของซิลิคอนจึงดูเหมือนซิลิคอนชนิด N การกลับขั้วของสารกระตุ้นเรียกว่าการผกผัน และชั้นซิลิคอนที่กลับด้านเรียกว่าแชนเนล เมื่อแรงดันไฟฟ้า GATE ยังคงเพิ่มขึ้นต่อไป อิเล็กตรอนจะสะสมบนพื้นผิวมากขึ้นเรื่อยๆ และช่องสัญญาณจะกลายเป็นการผกผันที่รุนแรง แรงดันไฟฟ้าที่เกิดช่องสัญญาณเรียกว่าแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ Vt เมื่อความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าระหว่าง GATE และ BACKGATE น้อยกว่าแรงดันเกณฑ์ จะไม่มีการสร้างช่องสัญญาณ เมื่อความต่างศักย์ไฟฟ้าเกินค่าเกณฑ์ ช่องสัญญาณจะปรากฏขึ้น

ตัวเก็บประจุ MOS: (A) ไม่เอนเอียง (VBG=0V), (B) กลับด้าน (VBG=3V), (C) สะสม (VBG=-3V)

ตรงกลางเป็นกรณีที่ GATE ของตัวเก็บประจุ MOS เป็นแรงดันลบเมื่อเทียบกับแบ็คเกต สนามไฟฟ้าจะกลับกัน โดยดึงดูดรูต่างๆ มาที่พื้นผิวและผลักอิเล็กตรอนออกไป พื้นผิวซิลิกอนดูเหมือนจะมีการเจือปนมากขึ้น และอุปกรณ์นี้ถือว่าอยู่ในสถานะสะสม

ลักษณะของตัวเก็บประจุ MOS สามารถใช้สร้างทรานซิสเตอร์ MOS ได้ เกต อิเล็กทริก และแบ็คเกตยังคงเหมือนเดิม ที่ด้านใดด้านหนึ่งของ GATE จะมีบริเวณที่มีสารเจือแบบคัดเลือกเพิ่มเติมอีกสองบริเวณ หนึ่งในนั้นเรียกว่าแหล่งที่มาและอีกอันเรียกว่าท่อระบายน้ำ สมมติว่าทั้งแหล่งกำเนิดและประตูด้านหลังต่อสายดิน และท่อระบายเชื่อมต่อกับแรงดันไฟฟ้าบวก ตราบใดที่แรงดันไฟฟ้าระหว่าง GATE และ BACKGATE ยังน้อยกว่าแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ ก็จะไม่มีช่องสัญญาณเกิดขึ้น จุดเชื่อมต่อ PN ระหว่างท่อระบายน้ำและประตูด้านหลังมีความเอนเอียงย้อนกลับ จึงมีกระแสเพียงเล็กน้อยเท่านั้นที่ไหลจากท่อระบายน้ำไปยังประตูด้านหลัง หากแรงดันไฟฟ้า GATE เกินแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ ช่องจะปรากฏใต้ไดอิเล็กตริกของ GATE ช่องนี้เป็นเหมือนชั้นบางๆ ของซิลิคอนชนิด N ที่ทำให้ท่อระบายน้ำและแหล่งกำเนิดสั้นลง กระแสที่ประกอบด้วยอิเล็กตรอนจะไหลจากแหล่งกำเนิดผ่านช่องทางไปยังท่อระบายน้ำ โดยทั่วไปจะมีกระแสระบายเฉพาะเมื่อแรงดันไฟฟ้าระหว่างเกตถึงแหล่งกำเนิด V เกินเกณฑ์แรงดันไฟฟ้า Vt

ใน MOSFET แบบสมมาตร การติดฉลากของแหล่งกำเนิดและท่อระบายน้ำค่อนข้างจะเป็นไปตามอำเภอใจ ตามคำนิยาม สารพาหะจะไหลออกจากแหล่งกำเนิดและลงสู่ท่อระบายน้ำ ดังนั้นเอกลักษณ์ของแหล่งที่มาและท่อระบายน้ำจึงถูกกำหนดโดยอคติของอุปกรณ์ บางครั้งแรงดันไบแอสบนทรานซิสเตอร์ไม่คงที่ และลีดทั้งสองจะสลับบทบาทซึ่งกันและกัน ในกรณีนี้ ผู้ออกแบบวงจรต้องระบุว่าอันหนึ่งคือเดรน และอีกอันคือแหล่งที่มา

แหล่งกำเนิดและท่อระบายเป็น MOSFET แบบอสมมาตรที่มีการเติมสารต้องห้ามและรูปทรงเรขาคณิตที่แตกต่างกัน มีเหตุผลหลายประการในการสร้างทรานซิสเตอร์แบบอสมมาตร แต่ทั้งหมดก็มีผลลัพธ์ที่เหมือนกัน ขั้วต่อสายไฟหนึ่งตัวได้รับการปรับปรุงให้เป็นท่อระบายน้ำ และอีกขั้วหนึ่งได้รับการปรับปรุงให้เป็นแหล่งกำเนิด หากสลับท่อระบายและแหล่งจ่าย อุปกรณ์จะทำงานไม่ถูกต้อง

ทรานซิสเตอร์มีช่องชนิด N ดังนั้นจึงเรียกว่า N-channel MOSFET หรือ NMOS นอกจากนี้ยังมีหลอด P-channel MOS (PMOS) ซึ่งเป็น P-MOSFET ที่ประกอบด้วย BACKGATE ชนิด N ที่เจือเล็กน้อย และแหล่งกำเนิดและท่อระบายประเภท P ถ้า GATE ของทรานซิสเตอร์นี้มีเอนเอียงไปข้างหน้าด้วยความเคารพต่อ BACKGATE อิเล็กตรอนจะถูกดึงดูดไปที่พื้นผิว และรูจะถูกผลักออกจากพื้นผิว พื้นผิวของซิลิคอนสะสมและไม่มีช่องเกิดขึ้น ถ้า GATE มีอคติแบบย้อนกลับด้วยความเคารพต่อ BACKGATE รูจะถูกดึงดูดไปที่พื้นผิวและเกิดช่องสัญญาณขึ้นมา ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ของทรานซิสเตอร์ PMOS จึงเป็นลบ เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ของ NMOS เป็นค่าบวก และแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ของ PMOS นั้นเป็นลบ วิศวกรจึงมักจะถอดป้ายที่อยู่หน้าแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ออก วิศวกรอาจพูดว่า "PMOS Vt เพิ่มขึ้นจาก 0.6V เป็น 0.7V" แต่จริงๆ แล้ว PMOS Vt จะลดลงจาก -0.6V เป็น -0.7V