Metallioksidi-puolijohdekanavatransistori eli eristehilatransistori (engl. Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) (lyh. MOSFET, MOS-FET tai MOS FET) on kaikkein yleisin kanavatransistori. Sitä käytetään sekä digitaalisissa että analogisissa piireissä. MOSFET koostuu n-tyypin tai p-tyypin puolijohdekanavasta (semiconductor devices) ja sitä kutsutaan näin yleisesti nimityksillä: NMOSFET / PMOSFET, nMOSFET / pMOSFET, NMOS FET / PMOS FET, nMOS FET / pMOS FET ja jopa NMOS / PMOS.

MOSFET-transistoreita

Nimityksen osana oleva termi metalli on anakronismi varhaisista malleista, joissa hilat (engl. gate) todella olivat metallointia. Nykyaikaisissa integroiduissa piireissä käytetään polypiihiloja.

Jänniteohjattuina FET:it ovat pitkälti elektroniputkien kaltaisia toisin kuin bipolaaritransistorit.

IGFET (insulated-gate field-effect transistor) on melkein synonyymi "MOSFET":ille vaikka se voi myös viitata FET:eihin, joiden hilaeriste ei ole oksidia. Jotkut kirjoittavat suosivat "IGFET" termiä tarkoittaessaan komponentteja joissa on polypiihilat, mutta useimmille ne ovat silti MOSFET:ejä.

HistoriaMuokkaa

Mohamed Atalla ja Dawon Kahng keksivät MOSFET:in (yleisesti lyhyesti MOS) Bell Labsissa vuonna 1959.[1]

MOS-transistorit korvasivat bipolaaritransistorit 99 prosentissa tapauksista.[1]

MOSFET:n komponentitMuokkaa

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

MOSFET-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.[2]

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.

PiirrosmerkitMuokkaa

MOSFET:istä 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


MateriaalitMuokkaa

Yleensä puolijohdemateriaaliksi on valittu pii, mutta jotkin piirivalmistajat ovat alkaneet käyttää MOSFET:n 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.

MOSFET:n toimintaMuokkaa

MOS-rakenneMuokkaa

 
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   on aukkojen tiheys) hilan (G) ja puolijohteen välinen positiivinen jännite   (katso kuvaa) vähentää aukkojen tiheyttä ja lisää vapaiden elektronien tiheyttä. Jos   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 MOSFET:ille, joka tarvitsee lisäksi N-tyypin lähde- ja nielualueet.

MOSFET:n toiminnan perusteetMuokkaa

MOSFET:in toiminta perustuu siis MOS-kapasitanssin läheisyydessä olevan varaustiheyden ohjaukseen. Kun hilan ja lähteen välille luodaan 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 ja nielu, jolloin se muodostaa kanavan, jota pitkin virta voi kulkea. Jännitettä   muuttamalla voidaan säätää kanavan johtavuutta ja nieluvirran   suuruutta.

Jos MOSFET on N-kanavatyyppiä, lähde ja nielu ovat 'N+' alueita ja runko on 'P' aluetta. Kun hilan ja lähteen välinen jännite (VGS) 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 MOSFET:illa 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.

RunkovaikutusMuokkaa

Runkovaikutus (engl. body effect) kuvaa kynnysjännitteen   muutosta riippuen lähde-runko -jännitteestä   ja se voidaan esittää yhtälöllä

 ,

missä:

  •   on kynnysjännite esijännitteen ollessa nolla
  •   on runkovaikutusparametri
  •   on pintapotentiaali.

Runkoa voi hallita toisella hilalla, jota usein kutsutaan näin takahilaksi ("back gate") ja runkovaikutusta kutsutaan joskus näin joskus nimellä: "back-gate effect".[3]

ToimintamuodotMuokkaa

 
MOSFET:in nieluvirran voimakkuuksia useilla VDS jännitteillä ja VGS-Vth arvoilla
 
MOSFETin poikkileikkaus sen toimiessa lineaarisella alueella
 
MOSFETin poikkileikkaus sen toimiessa avausalueella

MOSFET:in 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   missä   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[4] (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 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   on varauksenkuljettajien liikkuvuus,   on hilan leveys,   hilan pituus ja   on hilaoksidin kapasitanssi per yksikköala. Muutos eksponenttiaalisesta kynnyksen alittavasta tilasta trioditilaan ei ole aivan niin äkkinäinen kuin yhtälö antaa ymmärtää.
Kyllästystilassa (ts. saturaatiossa)
Kun VGS > Vth ja VDS > VGS - Vth
Kytkin on johtava, ja kanava sallii virran kulun nielulta lähteelle (drain → source). Koska nielujännite (VD) on korkeampi kuin hilajännite, osa kanavasta on suljettu. Tämän toimintatilan alku tunnetaan nimellä kanavan sulkeutuminen[5] (engl. pinch-off). Nieluvirta on nyt melko lailla riippumaton nielun jännitteestä (ainakin likiarvona) ja virtaa ohjaa vain hilan jännite:
 
kertomalla edellinen yhtälö   otetaan huomioon kanavan pituuden vaikutus (Early-ilmiö, James M. Early).

MOSFETin kehitys ja käyttöMuokkaa

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 sovelluksetMuokkaa

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 MOSFET:in hila on kapasitanssi, taajuuden noustessa sen esittämä impedanssi alenee ja siten se tarvitsee isompaa ajotehoa → taajuuden nousessa ajokyky heikkenee.

Analogiset sovelluksetMuokkaa

MOSFET:in 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 MOSFET:eilläkin on analogiset käyttötarkoituksensa.

Eräät MOSFET:in edut johtuvat sen positiivisesta lämpötilakertoimesta. Ne eivät ylikuumenene hallitsemattomasti kuten bipolaariset transistorit. Lisäksi MOSFET:ejä voi lineaarisella toiminta-alueellaan käyttää tarkkaan aseteltavina vastuksina, joiden säätöalue on myös bipolaareja paljon laajempi. MOSFET:ejä voi myös käyttää kondensaattoreina ja sopivalla operaatiovahvistinkytkennällä ne voidaan saada näyttämään keloilta. Kaikkiaan MOSFET:illa 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[6] (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 = 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 niissä ei ole hilaa.
Ohjauskyky
Ohjattavan MOSFETin kanavan vastus on sarjassa ohjattavien MOSFETien hilan kapasitanssin kanssa, mikä muodostaa oman aikavakionsa: Tc2
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 kutistaminenMuokkaa

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 MOSFETin kutistamiselleMuokkaa

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.

MOSFETin kutistamisen luomat hankaluudetMuokkaa

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 vuotovirtaMuokkaa

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 kapasitanssiMuokkaa

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.

LämmöntuottoMuokkaa

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 myösMuokkaa

LähteetMuokkaa

  1. a b 1960: Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated Computer History Museum. Viitattu 29.1.2020. (englanniksi)
  2. Narain Arora: Mosfet Modeling for Vlsi Simulation: Theory and Practice, s. 69. World Scientific, 2007. ISBN 9789812568625. (englanniksi)
  3. Equars.com Body effect: threshold variation and its approximation. (englanniksi)
  4. sub-threshold | TEPA-hakutulos erikoisalojen sanastoista ja sanakirjoista www.tsk.fi. Viitattu 12.4.2020.
  5. pinch-off | TEPA-hakutulos erikoisalojen sanastoista ja sanakirjoista www.tsk.fi. Viitattu 12.4.2020.
  6. silicon-on-insulator | TEPA-hakutulos erikoisalojen sanastoista ja sanakirjoista www.tsk.fi. Viitattu 12.4.2020.


KirjallisuuttaMuokkaa

  • 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 951-672-33-7.
  • Silvonen, Kimmo; Tiilikainen, Matti; Helenius Kari: Analogiaelektroniikka. Helsinki: Edita, 2004 (2002). ISBN 951-37-3839-6.