Der Metalloxydhalbleiter-Feldwirkungstransistor (MOSFET, MOS-FET oder MOS FET) ist ein Transistor, der verwendet ist, um elektronische Signale zu verstärken oder zu schalten. Obwohl der MOSFET ein Vier-Terminals-Gerät mit der Quelle (S), Tor (G) ist, fließen Sie (D) und Körper (B) Terminals ab, der Körper (oder Substrat) des MOSFET wird häufig mit dem Quellterminal verbunden, es ein Drei-Terminals-Gerät wie andere Feldwirkungstransistoren machend. Wenn zwei Terminals mit einander verbunden werden, hat nur drei Terminals (gekurzschlossen) erscheinen in elektrischen Diagrammen. Der MOSFET ist bei weitem der allgemeinste Transistor sowohl in digitalen als auch in analogen Stromkreisen, obwohl der bipolar Verbindungspunkt-Transistor auf einmal viel üblicher war.

In der Erhöhungsweise MOSFETs veranlasst ein Spannungsabfall über das Oxyd einen Leiten-Kanal zwischen der Quelle und den Abflussrohr-Kontakten über die Feldwirkung. Der Begriff "Erhöhungs-Weise" bezieht sich auf die Zunahme des Leitvermögens mit der Zunahme im Oxydfeld, das Transportunternehmen zum Kanal, auch gekennzeichnet als die Inversionsschicht hinzufügt. Der Kanal kann Elektronen enthalten (hat einen nMOSFET genannt, oder nMOS), oder Löcher (hat einen pMOSFET oder pMOS genannt), gegenüber im Typ zum Substrat, so wird nMOS mit einem P-Typ-Substrat und pMOS mit einem n-leitenden Substrat gemacht (sieh Artikel über Halbleiter-Geräte). In der weniger allgemeinen Erschöpfungsweise besteht MOSFET, beschrieben weiter später, der Kanal aus Transportunternehmen in einer Oberflächenunreinheitsschicht des entgegengesetzten Typs zum Substrat, und Leitvermögen wird durch die Anwendung eines Feldes vermindert, das Transportunternehmen von dieser Oberflächenschicht entleert.

Das 'Metall' im Namen MOSFET ist jetzt häufig eine falsche Bezeichnung, weil das vorher metallene Tor-Material jetzt häufig eine Schicht von Polysilikon (polykristallenes Silikon) ist. Aluminium war das Tor-Material bis zur Mitte der 1970er Jahre gewesen, als Polysilikon dominierend, wegen seiner Fähigkeit geworden ist, selbstausgerichtete Tore zu bilden. Metallische Tore gewinnen Beliebtheit wieder, da es schwierig ist, die Bearbeitungsgeschwindigkeit von Transistoren ohne Metalltore zu vergrößern.

Ebenfalls kann das 'Oxyd' im Namen eine falsche Bezeichnung sein, weil verschiedene dielektrische Materialien mit dem Ziel verwendet werden, starke Kanäle mit angewandten kleineren Stromspannungen zu erhalten.

Ein Feldwirkungstransistor des isolierten Tors oder IGFET sind ein zusammenhängender mit MOSFET fast synonymischer Begriff. Der Begriff kann mehr einschließlich sein, da viele "MOSFETs" ein Tor verwenden, das, und ein Tor-Isolator nicht metallen ist, der nicht Oxyd ist. Ein anderes Synonym ist MISFET für Metall-Isolator-Halbleiter FET.

Das Kernprinzip des Feldwirkungstransistors wurde zuerst von Julius Edgar Lilienfeld 1925 patentiert.

Zusammensetzung

Gewöhnlich ist der Halbleiter der Wahl Silikon, aber einige Span-Hersteller, am meisten namentlich IBM und Intel, haben kürzlich angefangen, eine chemische Zusammensetzung von Silikon und Germanium (SiGe) in MOSFET Kanälen zu verwenden. Leider bilden viele Halbleiter mit besseren elektrischen Eigenschaften als Silikon, wie Gallium arsenide, gute Schnittstellen des Halbleiters zum Isolator nicht, so sind für MOSFETs nicht passend. Forschung setzt das Schaffen von Isolatoren mit annehmbaren elektrischen Eigenschaften auf anderem Halbleiter-Material fort.

Um die Zunahme im Macht-Verbrauch wegen der Tor-Strom-Leckage zu überwinden, wird ein high-κ Dielektrikum statt des Silikondioxyds für den Tor-Isolator verwendet, während Polysilikon durch Metalltore ersetzt wird (sieh Ansage von Intel).

Das Tor wird vom Kanal durch eine dünne Isolieren-Schicht, traditionell des Silikondioxyds und später Silikons oxynitride getrennt. Einige Gesellschaften haben angefangen, ein high-κ Dielektrikum + Metalltor-Kombination im 45-Nanometer-Knoten einzuführen.

Wenn eine Stromspannung zwischen dem Tor und den Körperterminals angewandt wird, dringt das elektrische erzeugte Feld durch das Oxyd ein und schafft eine "Inversionsschicht" oder "Kanal" an der Schnittstelle des Halbleiter-Isolators. Der Inversionskanal ist desselben Typs, P-Typs oder n-leitend als die Quelle, und fließen Sie ab, so stellt es einen Kanal zur Verfügung, durch den Strom gehen kann. Das Verändern der Stromspannung zwischen dem Tor und Körper stimmt das Leitvermögen dieser Schicht ab und kontrolliert dadurch den aktuellen Fluss zwischen Abflussrohr und Quelle.

Stromkreis-Symbole

Eine Vielfalt von Symbolen wird für den MOSFET verwendet. Das grundlegende Design ist allgemein eine Linie für den Kanal mit der Quelle und dem Abflussrohr, es rechtwinklig verlassend und dann sich zurück rechtwinklig in dieselbe Richtung wie der Kanal biegend. Manchmal werden drei Liniensegmente für die Erhöhungsweise und eine durchgezogene Linie für die Erschöpfungsweise verwendet. Eine andere Linie ist gezogene Parallele zum Kanal für das Tor.

Die Hauptteil-Verbindung, wenn gezeigt, wird verbunden mit dem Rücken des Kanals mit einem Pfeil gezeigt, der PMOS oder NMOS anzeigt. Pfeile weisen immer von P bis N hin, so hat ein NMOS (N-Kanal in P-well oder P-Substrat) den Pfeil, der in (vom Hauptteil bis den Kanal) hinweist. Wenn der Hauptteil mit der Quelle verbunden wird (wie allgemein der Fall mit getrennten Geräten ist), wird es manchmal umgebogen, um sich mit der Quelle zu treffen, die den Transistor verlässt. Wenn der Hauptteil nicht gezeigt wird (wie häufig der Fall im IC Design ist, weil sie allgemein allgemeiner Hauptteil sind), wird ein Inversionssymbol manchmal verwendet, um PMOS anzuzeigen, wechselweise kann ein Pfeil auf der Quelle ebenso bezüglich bipolar Transistoren (für nMOS, in für pMOS) verwendet werden.

Der Vergleich der Erhöhungsweise und Erschöpfungsweise MOSFET Symbole, zusammen mit JFET Symbolen (gezogen mit der Quelle und dem Abflussrohr hat solch bestellt, dass höhere Stromspannungen höher auf der Seite scheinen als niedrigere Stromspannungen):

Für die Symbole, in denen der Hauptteil oder Körper Terminal gezeigt wird, wird es hier innerlich verbunden mit der Quelle gezeigt. Das ist eine typische Konfiguration, aber keineswegs die einzige wichtige Konfiguration. Im Allgemeinen ist der MOSFET ein Vier-Terminals-Gerät, und in einheitlichen Stromkreisen teilen viele der MOSFETs eine Körperverbindung, die nicht notwendigerweise mit den Quellterminals aller Transistoren verbunden ist.

MOSFET Operation

Metalloxydhalbleiter-Struktur

Eine traditionelle Struktur des Metalloxydhalbleiters (MOS) wird durch das Wachsen einer Schicht des Silikondioxyds oben auf einem Silikonsubstrat erhalten, und eine Schicht von metallenem oder polykristallenem Silikon ablegend (wird der Letztere allgemein verwendet). Da das Silikondioxyd ein dielektrisches Material ist, ist seine Struktur zu einem planaren Kondensator mit einer der durch einen Halbleiter ersetzten Elektroden gleichwertig.

Wenn eine Stromspannung über eine MOS Struktur angewandt wird, modifiziert sie den Vertrieb von Anklagen im Halbleiter. Wenn wir einen P-Typ-Halbleiter denken (mit der Dichte von Annehmern, p die Dichte von Löchern; p = N im neutralen Hauptteil) schafft eine positive Stromspannung, vom Tor bis Körper (sieh Zahl), eine Erschöpfungsschicht durch das Zwingen der positiv beladenen Löcher weg von der Gate-Insulator/semiconductor-Schnittstelle, das Verlassen hat ein Gebiet ohne Transportunternehmen von unbeweglichen, negativ beladenen Annehmer-Ionen ausgestellt (sieh Doping (Halbleiter)). Wenn, eine hohe Konzentration von negativen Anklage-Transportunternehmen-Formen in einer Inversionsschicht hoch genug ist, die in einer dünnen Schicht neben der Schnittstelle zwischen dem Halbleiter und dem Isolator gelegen ist. Verschieden vom MOSFET, wo die Inversionsschicht-Elektronen schnell von den Elektroden der Quelle/Abflussrohrs im MOS Kondensator geliefert werden, werden sie viel langsamer von der Thermalgeneration durch die Transportunternehmen-Generation und Wiederkombinationszentren im Erschöpfungsgebiet erzeugt. Herkömmlich wird die Tor-Stromspannung, an der die Volumen-Dichte von Elektronen in der Inversionsschicht dasselbe als die Volumen-Dichte von Löchern im Körper ist, die Schwellenstromspannung genannt.

Diese Struktur mit dem P-Typ-Körper ist die Basis des n-leitenden MOSFET, der die Hinzufügung einer n-leitenden Quelle verlangt und dränieren Sie Gebiete.

MOSFET Struktur und Kanalbildung

Ein Metalloxydhalbleiter-Feldwirkungstransistor (MOSFET) basiert auf der Modulation der Anklage-Konzentration durch eine MOS Kapazität zwischen einer Körperelektrode und einer Tor-Elektrode, die über dem Körper gelegen ist und von allen anderen Gerät-Gebieten durch eine Tor-Dielektrikum-Schicht isoliert ist, die im Fall von einem MOSFET ein Oxyd wie Silikondioxyd ist. Wenn Dielektriken außer einem Oxyd wie Silikondioxyd (häufig gekennzeichnet als Oxyd) verwendet werden, kann das Gerät einen Metall-Isolator-Halbleiter FET (MISFET) genannt werden. Im Vergleich zum MOS Kondensator schließt der MOSFET zwei zusätzliche Terminals ein (Quelle, und fließen Sie ab), jeder, der mit der Person hoch verbunden ist, hat Gebiete lackiert, die durch das Körpergebiet getrennt werden. Diese Gebiete können entweder p oder n Typ sein, aber sie müssen desselben Typs, und des entgegengesetzten Typs zum Körpergebiet sowohl sein. Die Quelle und fließt ab (verschieden vom Körper), werden wie bedeutet, durch '+' Zeichen nach dem Typ des Dopings hoch lackiert.

Wenn der MOSFET ein N-Kanal oder nMOS FET ist, dann sind die Quelle und das Abflussrohr 'n +' Gebiete, und der Körper ist ein 'p' Gebiet. Wenn der MOSFET ein P-Kanal oder pMOS FET ist, dann sind die Quelle und das Abflussrohr 'p +' Gebiete, und der Körper ist ein 'n' Gebiet. Die Quelle wird so genannt, weil es die Quelle der Anklage-Transportunternehmen ist (Elektronen für den N-Kanal, Löcher für den P-Kanal), die durch den Kanal fließen; ähnlich ist das Abflussrohr, wo die Anklage-Transportunternehmen den Kanal verlassen.

Die Belegung der Energiebänder in einem Halbleiter wird durch die Position des Niveaus von Fermi hinsichtlich des Halbleiters energiebändige Ränder gesetzt. Wie beschrieben, oben, und gezeigt in der Zahl, mit der genügend Tor-Stromspannung, wird der Wertigkeitsband-Rand weit vom Niveau von Fermi gesteuert, und Löcher vom Körper werden vom Tor vertrieben. Auf der größeren Tor-Neigung noch in der Nähe von der Halbleiter-Oberfläche wird der Leitungsband-Rand in der Nähe vom Niveau von Fermi gebracht, die Oberfläche mit Elektronen in einer Inversionsschicht oder N-Kanal an der Schnittstelle zwischen dem p Gebiet und dem Oxyd bevölkernd. Dieser Leiten-Kanal streckt sich zwischen der Quelle und dem Abflussrohr aus, und Strom wird dadurch geführt, wenn eine Stromspannung zwischen Quelle und Abflussrohr angewandt wird. Die Erhöhung der Stromspannung auf dem Tor führt zu einer höheren Elektrondichte in der Inversionsschicht und vergrößert deshalb den aktuellen Fluss zwischen der Quelle und dem Abflussrohr.

Für Tor-Stromspannungen unter dem Schwellenwert wird der Kanal leicht bevölkert, und nur ein sehr kleine Subschwellenleckage-Strom kann zwischen der Quelle und dem Abflussrohr fließen.

Wenn eine negative Stromspannung der Tor-Quelle (positives Quelltor) angewandt wird, schafft es einen P-Kanal an der Oberfläche des n Gebiets, das dem N-Kanalfall, aber mit der entgegengesetzten Widersprüchlichkeit von Anklagen und Stromspannungen analog ist. Wenn eine Stromspannung, die weniger negativ ist als der Schwellenwert (eine negative Stromspannung für den P-Kanal), zwischen Tor und Quelle angewandt wird, verschwindet der Kanal, und nur ein sehr kleine Subschwellenstrom kann zwischen der Quelle und dem Abflussrohr fließen.

Das Gerät kann ein Gerät von Silicon On Insulator (SOI) umfassen, in dem ein begrabenes Oxyd (KASTEN) unter einer dünnen Halbleiter-Schicht gebildet wird. Wenn das Kanalgebiet zwischen dem Tor-Dielektrikum und ein KASTEN-Gebiet sehr dünn sind, wird das sehr dünne Kanalgebiet einen ultradünnen Kanal (UTC) Gebiet mit der Quelle genannt, und dränieren Sie Gebiete gebildet auf beiden Seiten davon in und/oder über der dünnen Halbleiter-Schicht. Wechselweise kann das Gerät einen Halbleiter auf dem Isolator (SEMOI) Gerät umfassen, in dem Halbleiter außer Silikon verwendet werden. Viele alternative Halbleiter-Materialien können verwendet werden.

Wenn die Quelle und abfließt, werden Gebiete über dem Kanal im Ganzen oder teilweise gebildet, sie werden erzogene Quelle/Abflussrohr (RSD) Gebiete genannt.

Verfahrensweisen

Die Operation eines MOSFET kann in drei verschiedene Weisen abhängig von den Stromspannungen an den Terminals getrennt werden. In der folgenden Diskussion wird ein vereinfachtes algebraisches Modell verwendet, der nur für die alte Technologie genau ist. Moderne MOSFET Eigenschaften verlangen Computermodelle, die eher komplizierteres Verhalten haben.

Für eine Erhöhungsweise, N-Kanal MOSFET, sind die drei betrieblichen Weisen:

Abkürzung, Subschwelle oder Weise der schwachen Inversion

:When V < V:

:: wo die Schwellenstromspannung des Geräts ist.

: Gemäß dem grundlegenden Schwellenmodell wird der Transistor abgedreht, und es gibt keine Leitung zwischen Abflussrohr und Quelle. Ein genaueres Modell denkt die Wirkung der Thermalenergie auf dem Vertrieb von Boltzmann von Elektronenergien, die einigen der energischeren Elektronen an der Quelle erlauben, in den Kanal einzugehen und ins Abflussrohr zu fließen. Das läuft auf einen Subschwellenstrom hinaus, der eine Exponentialfunktion der Stromspannung der Tor-Quelle ist. Während der Strom zwischen Abflussrohr und Quelle Null ideal sein sollte, wenn der Transistor als ein gedrehter - vom Schalter verwendet wird, gibt es einen Strom der schwachen Inversion, manchmal genannt Subschwellenleckage.

: In der schwachen Inversion ändert sich der Strom exponential mit der Neigung des Tors zur Quelle, wie gegeben, ungefähr durch:

::

:where = Strom an, die Thermalstromspannung und der Steigungsfaktor n wird durch gegeben

:with = Kapazität der Erschöpfungsschicht und = Kapazität der Oxydschicht. In einem Gerät des langen Kanals gibt es keine Abflussrohr-Stromspannungsabhängigkeit des Stroms einmal, aber weil Kanallänge reduziert wird, führt das Abflussrohr-veranlasste Barriere-Senken Abflussrohr-Stromspannungsabhängigkeit ein, die auf eine komplizierte Weise auf die Gerät-Geometrie (zum Beispiel, das Kanaldoping, der Verbindungspunkt abhängt, der und so weiter lackiert). Oft wird Schwellenstromspannung V für diese Weise als die Tor-Stromspannung definiert, an der ein ausgewählter Wert des Stroms I, zum Beispiel, ich = 1 μA vorkommt, der derselbe V-Wert nicht sein kann, der in den Gleichungen für die folgenden Weisen verwendet ist.

:Some-Mikromacht-Analogstromkreise werden entworfen, um die Subschwellenleitung auszunutzen. Durch das Arbeiten im Gebiet der schwachen Inversion liefern die MOSFETs in diesen Stromkreisen das höchstmögliche transconductance zu Strom Verhältnis nämlich: fast das eines bipolar Transistors.

I-V:The-Subschwellenkurve hängt exponential auf die Schwellenstromspannung ab, eine starke Abhängigkeit von jeder Produktionsschwankung einführend, die Schwellenstromspannung betrifft; zum Beispiel: Schwankungen in der Oxyddicke, der Verbindungspunkt-Tiefe oder dem Körper, der diese Änderung der Grad des Abflussrohr-veranlassten Barriere-Senkens lackiert. Die resultierende Empfindlichkeit zu fabricational Schwankungen kompliziert Optimierung für die Leckage und Leistung.

Triode-Weise oder geradliniges Gebiet (auch bekannt als die ohmic Weise)

: Wenn V > V und V < (V - V)

: Der Transistor wird angemacht, und ein Kanal ist geschaffen worden, der Strom erlaubt, zwischen dem Abflussrohr und der Quelle zu fließen. Der MOSFET funktioniert wie ein Widerstand, der von der Tor-Stromspannung hinsichtlich beider die Quelle kontrolliert ist, und dränieren Sie Stromspannungen. Der Strom vom Abflussrohr bis Quelle wird als modelliert:

:

: wo das Anklage-Transportunternehmen wirksame Beweglichkeit ist, die Tor-Breite ist, die Tor-Länge ist und die Tor-Oxydkapazität pro Einheitsgebiet ist. Der Übergang vom Exponentialsubschwellengebiet bis das Triode-Gebiet ist nicht so scharf, wie die Gleichungen andeuten.

Sättigung oder aktive Weise

:When V > V und V > (V - V)

: Der Schalter wird angemacht, und ein Kanal ist geschaffen worden, der Strom erlaubt, zwischen dem Abflussrohr und der Quelle zu fließen. Da die Abflussrohr-Stromspannung höher ist als die Tor-Stromspannung, die Elektronen ausgedehnt, und Leitung nicht durch einen schmalen Kanal, aber durch einen breiteren, zwei - oder dreidimensionaler aktueller Vertrieb ist, der sich weg von der Schnittstelle und tiefer im Substrat ausstreckt. Der Anfall dieses Gebiets ist auch bekannt als Kneifen - von, den Mangel am Kanalgebiet in der Nähe vom Abflussrohr anzuzeigen. Der Abflussrohr-Strom ist jetzt auf die Abflussrohr-Stromspannung schwach abhängig und in erster Linie von der Stromspannung der Tor-Quelle kontrolliert, und ungefähr als modelliert:

: Der zusätzliche Faktor, der λ, der Kanallänge-Modulationsparameter, die Musterstrom-Abhängigkeit von der Abflussrohr-Stromspannung wegen der Frühen Wirkung oder Kanallänge-Modulation einschließt. Gemäß dieser Gleichung, einem Schlüsseldesignparameter, ist der MOSFET transconductance:

:where die Kombination V = V - V wird die Schnellgang-Stromspannung genannt, und wo V = V - V (den Sedra vernachlässigt) für eine kleine Diskontinuität verantwortlich ist, in der beim Übergang zwischen der Triode und den Sättigungsgebieten sonst erscheinen würde.

:Another-Schlüsseldesignparameter ist der MOSFET Produktionswiderstand r gegeben durch:

::.

:: r ist das Gegenteil von g wo. Ich bin der Ausdruck im Sättigungsgebiet.

:If λ wird als Null, ein unendlicher Produktionswiderstand der Gerät-Ergebnisse genommen, der zu unrealistischen Stromkreis-Vorhersagen besonders in analogen Stromkreisen führt.

:As die Kanallänge wird sehr kurz, diese Gleichungen, werden ziemlich ungenau. Neue physische Effekten entstehen. Zum Beispiel kann der Transportunternehmen-Transport in der aktiven Weise beschränkt durch die Geschwindigkeitssättigung werden. Wenn Geschwindigkeitssättigung vorherrscht, ist der Sättigungsabflussrohr-Strom mehr fast geradlinig als quadratisch in V. An noch kürzeren Längen transportieren Transportunternehmen mit fast dem Nullzerstreuen, das als quasiballistischer Transport bekannt ist. Außerdem wird der Produktionsstrom durch das Abflussrohr-veranlasste Barriere-Senken der Schwellenstromspannung betroffen.

Körperwirkung

Die Belegung der Energiebänder in einem Halbleiter wird durch die Position des Niveaus von Fermi hinsichtlich des Halbleiters energiebändige Ränder gesetzt. Die Anwendung einer Rückneigung der Quelle zum Substrat des Quellkörper-Pn-Verbindungspunkts führt einen Spalt zwischen den Niveaus von Fermi für Elektronen und Löcher ein, das Niveau von Fermi für den Kanal weiter vom Band-Rand bewegend, die Belegung des Kanals senkend. Die Wirkung ist, die Tor-Stromspannung zu vergrößern, die notwendig ist, um den Kanal, wie gesehen, in der Zahl zu gründen. Diese Änderung in der Kanalkraft durch die Anwendung der Rückneigung wird die Körperwirkung genannt.

Einfach gestellt, mit einem nMOS Beispiel, die Neigung des Tors zum Körper V Positionen die mit der Leitung bändigen Energieniveaus, während die Neigung der Quelle zum Körper V Positionen das Elektronniveau von Fermi in der Nähe von der Schnittstelle, Belegung dieser Niveaus in der Nähe von der Schnittstelle, und folglich die Kraft der Inversionsschicht oder des Kanals entscheidend.

Die Körperwirkung auf den Kanal kann mit einer Modifizierung der Schwellenstromspannung beschrieben werden, die durch die folgende Gleichung näher gekommen ist:

:

wo V die Schwellenstromspannung mit der Substrat-Neigungsgegenwart ist, und V der Null-V-Wert der Schwellenstromspannung ist, ist der Körperwirkungsparameter, und 2φ ist der ungefähre potenzielle Fall zwischen Oberfläche und Hauptteil über die Erschöpfungsschicht, wenn V = 0 und Tor-Neigung genügend ist, um zu versichern, dass ein Kanal da ist. Da sich diese Gleichung, eine Rückneigung V> 0 Ursachen eine Zunahme in der Schwellenstromspannung V zeigt und deshalb eine größere Tor-Stromspannung fordert, bevor der Kanal bevölkert.

Der Körper kann als ein zweites Tor bedient werden, und wird manchmal "zurück Tor" genannt; die Körperwirkung wird manchmal die "Zurücktor-Wirkung" genannt.

Geschichte

Das Kernprinzip dieser Art des Transistors wurde zuerst von Julius Edgar Lilienfeld 1925 patentiert. Fünfundzwanzig Jahre später, als Bell Telephone versucht hat, den Verbindungspunkt-Transistor zu patentieren, haben sie Lilienfeld gefunden, der bereits ein Patent hält, das in einem Weg formuliert wurde, der alle Typen von Transistoren einschließen würde. Laboratorien von Bell waren eine Abmachung mit Lilienfeld arbeitsfähig, der noch damals lebendig war (es ist nicht bekannt, ob sie ihm Geld oder bezahlt haben nicht). Es war damals die Laboratorium-Version von Bell wurde der Name bipolar Verbindungspunkt-Transistor oder einfach Verbindungspunkt-Transistor gegeben, und das Design von Lilienfeld hat den Namenfeldwirkungstransistor genommen.

1959 haben Dawon Kahng und Martin M. (John) Atalla an Glockenlaboratorien den Metalloxydhalbleiter-Feldwirkungstransistor (MOSFET) als ein Spross zum patentierten FET Design erfunden.

Betrieblich und strukturell verschieden vom bipolar Verbindungspunkt-Transistor,

der MOSFET wurde durch das Stellen einer Isolieren-Schicht auf der Oberfläche des Halbleiters und dann Stellens einer metallischen Tor-Elektrode darauf gemacht. Es hat kristallenes Silikon für den Halbleiter und eine thermisch oxidierte Schicht des Silikondioxyds für den Isolator verwendet. Der Silikon-MOSFET hat lokalisierte Elektronfallen an der Schnittstelle zwischen dem Silikon und seiner heimischen Oxydschicht nicht erzeugt, und war so vom Abfangen und Zerstreuen von Transportunternehmen von Natur aus frei, die die Leistung von früheren Feldwirkungstransistoren behindert hatten. Im Anschluss an die (teure) Entwicklung von sauberen Zimmern, um Verunreinigung auf Niveaus nie vor dem Gedanken notwendig, und der Fotolithographie und des planaren Prozesses zu reduzieren, um in sehr wenigen Schritten zu machenden Stromkreisen zu erlauben, hat das System des Si-SiO solche technischen Attraktionen als niedrige Produktionskosten (auf pro Stromkreis-Basis) und Bequemlichkeit der Integration besessen. Zusätzlich, die Methode der Kopplung zwei ergänzende MOSFETS (P-Kanal und N-Kanal) in einen hohen/niedrigen Schalter, bekannt als CMOS, bedeuten, dass Digitalstromkreise sehr wenig Macht außer, wenn wirklich geschaltet zerstreuen. Größtenteils wegen dieser drei Faktoren ist der MOSFET der am weitesten verwendete Typ des Transistors in einheitlichen Stromkreisen geworden.

CMOS Stromkreise

Der MOSFET wird in der Digitallogik des Ergänzungsmetalloxydhalbleiters (CMOS) verwendet, die p- und N-Kanal MOSFETs als Bausteine verwendet. Überhitzung ist eine Hauptsorge in einheitlichen Stromkreisen, da jemals mehr Transistoren in jemals kleinere Chips gepackt sind. CMOS Logik reduziert Macht-Verbrauch, weil kein Strom (ideal) fließt, und so keine Macht verbraucht wird, außer, wenn die Eingänge zu Logiktoren geschaltet werden. CMOS vollbringt diese aktuelle Verminderung durch das Ergänzen jedes nMOSFET mit einem pMOSFET und das Anschließen beider Tore und beider Abflussrohre zusammen. Eine Hochspannung auf den Toren wird den nMOSFET veranlassen zu führen und der pMOSFET, um nicht zu führen, und eine niedrige Stromspannung auf den Toren verursacht die Rückseite. Während der umschaltenden Zeit weil geht die Stromspannung von einem Staat bis einen anderen, beide, die MOSFETs kurz führen wird. Diese Einordnung reduziert außerordentlich Macht-Verbrauch und Hitzegeneration. Digitale und analoge CMOS Anwendungen werden unten beschrieben.

Digital

Das Wachstum von Digitaltechnologien wie der Mikroprozessor hat die Motivation zur Verfügung gestellt, um MOSFET Technologie schneller vorzubringen, als jeder andere Typ des silikonbasierten Transistors. Ein großer Vorteil von MOSFETs für die Digitalschaltung besteht darin, dass die Oxydschicht zwischen dem Tor und dem Kanal Gleichstrom-Strom davon abhält, durch das Tor zu fließen, weiter Macht-Verbrauch reduzierend und einen sehr großen Eingangsscheinwiderstand gebend. Das Isolieren-Oxyd zwischen dem Tor und Kanal isoliert effektiv einen MOSFET in einer Logikbühne von früher und späteren Stufen, der einer einzelnen MOSFET Produktion erlaubt, eine beträchtliche Zahl von MOSFET-Eingängen zu steuern. Bipolar Transistor-basierte Logik (wie TTL) hat solch eine hohe fanout Kapazität nicht. Diese Isolierung macht es auch leichter für die Entwerfer, einigermaßen ladende Effekten zwischen Logikstufen unabhängig zu ignorieren. Dieses Ausmaß wird durch die Betriebsfrequenz definiert: Weil Frequenzen, der Eingangsscheinwiderstand der MOSFETs-Abnahmen zunehmen.

Analogon

Die Vorteile des MOSFET in Digitalstromkreisen übersetzen in die Überlegenheit in allen analogen Stromkreisen nicht. Die zwei Typen des Stromkreises ziehen auf verschiedene Eigenschaften des Transistor-Verhaltens. Digitalstromkreis-Schalter, den grössten Teil ihrer Zeit außerhalb des umschaltenden Gebiets verbringend, während analoge Stromkreise von MOSFET Verhalten gehalten genau im umschaltenden Gebiet der Operation abhängen. Der Bipolar-Verbindungspunkt-Transistor (BJT) ist der Transistor des analogen Entwerfers der Wahl, größtenteils dank sein höher transconductance und sein niedrigerer Produktionsscheinwiderstand (Unabhängigkeit der Abflussrohr-Stromspannung) im umschaltenden Gebiet traditionell gewesen.

Dennoch werden MOSFETs in vielen Typen von analogen Stromkreisen wegen bestimmter Vorteile weit verwendet. Die Eigenschaften und Leistung von vielen analogen Stromkreisen können durch das Ändern der Größen (Länge und Breite) des verwendeten MOSFETs entworfen werden. Vergleichsweise in den meisten bipolar Transistoren betrifft die Größe des Geräts die Leistung nicht bedeutsam. Die idealen Eigenschaften von MOSFET bezüglich des Tor-Stroms (Null) und Abflussrohr-Quelle gleichen Stromspannung (Null) aus auch machen sie fast ideale Schalter-Elemente, und machen auch geschaltete analoge Kondensatorstromkreise praktisch. In ihrem geradlinigen Gebiet kann MOSFETs als Präzisionswiderstände verwendet werden, die einen viel höheren kontrollierten Widerstand haben können als BJTs. In hohen Macht-Stromkreisen sind MOSFETs manchmal im Vorteil des nicht Leidens vom Thermalausreißer, wie BJTs tun. Außerdem können sie in Kondensatoren und gyrator Stromkreise gebildet werden, die von ihnen gemachte Op-Ampere erlauben als Induktoren erscheinen, dadurch alle normalen Analoggeräte, abgesehen von Dioden erlaubend (der kleiner gemacht werden kann als ein MOSFET irgendwie), um völlig aus MOSFETs gebaut zu werden. Das berücksichtigt ganze analoge Stromkreise, die auf einem Siliziumchip in einem viel kleineren Raum zu machen sind.

Einige ICs verbinden Analogon, und das MOSFET Digitalschaltsystem auf einem einzelnen Mischsignal hat Stromkreis integriert, den erforderlichen Vorstandsraum noch kleiner machend. Das schafft ein Bedürfnis, die analogen Stromkreise von den Digitalstromkreisen auf einem Span-Niveau zu isolieren, zum Gebrauch von Isolierungsringen und Silicon-On-Insulator (SOI) führend. Der Hauptvorteil von BJTs gegen MOSFETs im analogen Designprozess ist die Fähigkeit von BJTs, einen größeren Strom in einem kleineren Raum zu behandeln. Herstellungsprozesse bestehen, die BJTs und MOSFETs in ein Einzelgerät vereinigen. Mischtransistor-Geräte werden Bi-FETs (Bipolar-FETs) genannt, wenn sie gerade einen BJT-FET und BiCMOS (bipolar-CMOS) enthalten, wenn sie ergänzenden BJT-FETs enthalten. Solche Geräte sind im Vorteil sowohl isolierter Tore als auch höherer aktueller Dichte.

MOSFET Schuppen

Im Laufe der letzten Jahrzehnte ist der MOSFET ständig in der Größe heruntergeschraubt worden; typische MOSFET Kanallängen waren einmal mehrere Mikrometer, aber moderne einheitliche Stromkreise vereinigen MOSFETs mit Kanallängen von Zehnen von Nanometern. Die Arbeit von Robert Dennard an der kletternden Theorie war im Erkennen zentral, dass diese andauernde Verminderung möglich war. Intel hat Produktion eines Prozesses begonnen, der eine 32 Nm-Eigenschaft-Größe (mit dem Kanal zeigt, der noch kürzer ist) gegen Ende 2009. Die Halbleiter-Industrie erhält einen "Fahrplan", den ITRS aufrecht, der den Schritt für die MOSFET Entwicklung setzt. Historisch sind die Schwierigkeiten mit dem Verringern der Größe des MOSFET mit dem Halbleiter-Gerät-Herstellungsprozess vereinigt worden, das Bedürfnis, sehr niedrige Stromspannungen, und mit der schlechteren elektrischen Leistung zu verwenden, die Stromkreis-Umgestaltung und Neuerung nötig macht (stellen kleine MOSFETs höhere Leckage-Ströme und niedrigeren Produktionswiderstand aus, der unten besprochen ist).

Gründe für das MOSFET-Schuppen

Kleinere MOSFETs sind aus mehreren Gründen wünschenswert. Der Hauptgrund, Transistoren kleiner zu machen, ist, immer mehr Geräte in einem gegebenen Span-Gebiet einzupacken. Das läuft auf einen Span mit derselben Funktionalität in einem kleineren Gebiet oder Chips mit mehr Funktionalität im gemeinsamen Bereich hinaus. Da Herstellungskosten für eine Halbleiter-Oblate relativ befestigt werden, sind die Kosten pro einheitliche Stromkreise hauptsächlich mit der Zahl von Chips verbunden, die pro Oblate erzeugt werden können. Folglich erlauben kleinere ICs mehr Chips pro Oblate, den Preis pro Span reduzierend. Tatsächlich im Laufe der letzten 30 Jahre ist die Zahl von Transistoren pro Span alle 2-3 Jahre verdoppelt worden, sobald ein neuer Technologieknoten eingeführt wird. Zum Beispiel kann die Zahl von MOSFETs in einem in einer 45 nm Technologie fabrizierten Mikroprozessor doppelt so viele als in einem 65 nm Span gut sein. Diese Verdoppelung der Transistor-Dichte wurde zuerst von Gordon Moore 1965 beobachtet und wird allgemein das Gesetz von Moore genannt.

Es wird auch erwartet, dass kleinere Transistoren schneller umschalten. Zum Beispiel ist eine Annäherung an die Größe-Verminderung ein Schuppen des MOSFET, der verlangt, dass alle Gerät-Dimensionen proportional abnehmen. Die Hauptgerät-Dimensionen sind die Transistor-Länge, Breite und die Oxyddicke, jeder (verwendet an) Skala mit einem Faktor 0.7 pro Knoten. Auf diese Weise ändert sich der Transistor-Kanalwiderstand mit dem Schuppen nicht, während Tor-Kapazität durch einen Faktor 0.7 geschnitten wird. Folglich klettert die RC-Verzögerung des Transistors mit einem Faktor 0.7.

Während das traditionell der Fall für die älteren Technologien gewesen ist, weil die modernste MOSFETs Verminderung der Transistor-Dimensionen zur höheren Span-Geschwindigkeit nicht notwendigerweise übersetzt, weil die Verzögerung wegen Verbindungen bedeutender ist.

Schwierigkeiten, die wegen der MOSFET Größe-Verminderung entstehen

Das Produzieren von MOSFETs mit Kanallängen, die viel kleiner sind als ein Mikrometer, ist eine Herausforderung, und die Schwierigkeiten der Halbleiter-Gerät-Herstellung sind immer ein Begrenzungsfaktor im Vorrücken einheitlicher Schaltungstechnik. In den letzten Jahren hat die kleine Größe des MOSFET, unter einigen Zehnen von Nanometern, betriebliche Probleme geschaffen.

Höhere Subschwellenleitung

Da MOSFET Geometrie zurückweicht, muss die Stromspannung, die auf das Tor angewandt werden kann, reduziert werden, um Zuverlässigkeit aufrechtzuerhalten. Um Leistung aufrechtzuerhalten, muss die Schwellenstromspannung des MOSFET ebenso reduziert werden. Da Schwellenstromspannung reduziert wird, kann der Transistor nicht von der ganzen Umdrehung geschaltet werden - von zu vollenden drehen sich mit der beschränkten verfügbaren Spannungsschwankung; das Stromkreis-Design ist ein Kompromiss zwischen starkem Strom in "auf" dem Fall und niedrigem Strom in vom Fall, und die Anwendung bestimmt, ob man ein über den anderen bevorzugt. Subschwellenleckage (einschließlich der Subschwellenleitung, mit dem Toroxydleckage und rückvoreingenommener Verbindungspunkt-Leckage), der in der Vergangenheit ignoriert wurde, kann sich jetzt aufwärts der Hälfte des Gesamtmacht-Verbrauchs von modernen VLSI Hochleistungschips verzehren.

Vergrößerte mit dem Toroxydleckage

Das Tor-Oxyd, das als Isolator zwischen dem Tor und Kanal dient, sollte so dünn gemacht werden wie möglich, um das Kanalleitvermögen und die Leistung zu vergrößern, wenn der Transistor auf ist und Subschwellenleckage zu reduzieren, wenn der Transistor aus ist. Jedoch mit aktuellen Tor-Oxyden mit einer Dicke von ungefähr 1.2 nm (der in Silikon ~5 dicke Atome ist) das Quant kommt das mechanische Phänomen des Elektrons tunneling zwischen dem Tor und Kanal vor, zu vergrößertem Macht-Verbrauch führend.

Isolatoren, die eine größere dielektrische Konstante haben als Silikondioxyd (gekennzeichnet so hohe-k Dielektriken), wie Gruppe IVb Metallsilikat z.B Hafnium und Zirkonium-Silikat und Oxyde, werden verwendet, um die Tor-Leckage vom 45-Nanometer-Technologieknoten vorwärts zu reduzieren. Die Erhöhung der dielektrischen Konstante des Tor-Dielektrikums erlaubt eine dickere Schicht, während sie eine hohe Kapazität aufrechterhält (Kapazität ist zur dielektrischen Konstante proportional und zur dielektrischen Dicke umgekehrt proportional). Alle sonst gleich reduziert eine höhere dielektrische Dicke das Quant tunneling Strom durch das Dielektrikum zwischen dem Tor und dem Kanal. Andererseits ist die Barriere-Höhe des neuen Tor-Isolators eine wichtige Rücksicht; der Unterschied in der Leitungsband-Energie zwischen dem Halbleiter und dem Dielektrikum (und der entsprechende Unterschied in der Wertigkeitsband-Energie) betreffen auch Leckage-Strom-Niveau. Für das traditionelle Tor-Oxyd, Silikondioxyd, ist die ehemalige Barriere etwa 8 eV. Für viele alternative Dielektriken ist der Wert bedeutsam niedriger, dazu neigend, den tunneling Strom zu vergrößern, etwas den Vorteil der höheren dielektrischen Konstante verneinend.

Vergrößerte Verbindungspunkt-Leckage

Um Geräte kleiner zu machen, ist Verbindungspunkt-Design komplizierter geworden, höher zu lackierenden Niveaus, seichteren Verbindungspunkten, "Ring" führend, der und so weiter, alle lackiert, um das Abflussrohr-veranlasste Barriere-Senken zu vermindern (sieh die Abteilung auf dem Verbindungspunkt-Design). Um diese komplizierten Verbindungspunkte im Platz zu behalten, haben die Ausglühen-Schritte früher gepflegt, Schaden zu entfernen, und elektrisch aktive Defekte müssen verkürzt werden, Verbindungspunkt-Leckage vergrößernd. Schwereres Doping wird auch mit dünneren Erschöpfungsschichten und mehr Wiederkombinationszentren vereinigt, die auf vergrößerten Leckage-Strom sogar ohne Gitter-Schaden hinauslaufen.

Niedrigerer Produktionswiderstand

Für die analoge Operation verlangt guter Gewinn einen hohen MOSFET Produktionsscheinwiderstand, der sagen soll, sollte sich der MOSFET Strom nur ein bisschen mit der angewandten Stromspannung des Abflussrohrs zur Quelle ändern. Da Geräte kleiner gemacht werden, bewirbt sich der Einfluss des Abflussrohrs erfolgreicher mit diesem des Tors wegen der wachsenden Nähe dieser zwei Elektroden, die Empfindlichkeit des MOSFET Stroms zur Abflussrohr-Stromspannung vergrößernd. Um der resultierenden Abnahme im Produktionswiderstand entgegenzuwirken, werden Stromkreise komplizierter, entweder durch das Verlangen von mehr Geräten, zum Beispiel der cascode und die Kaskadeverstärker, oder durch das Feed-Back-Schaltsystem mit betrieblichen Verstärkern, zum Beispiel ein Stromkreis wie das in der angrenzenden Zahl gemacht.

Tiefer transconductance

Der transconductance des MOSFET entscheidet seinen Gewinn und ist zum Loch oder der Elektronbeweglichkeit (abhängig von Gerät-Typ) mindestens für niedrige Abflussrohr-Stromspannungen proportional. Weil MOSFET Größe, die Felder in der Kanalzunahme und der dopant Unreinheitsniveau-Zunahme reduziert wird. Beide Änderungen reduzieren die Transportunternehmen-Beweglichkeit, und folglich den transconductance. Da Kanallängen ohne die proportionale Verminderung der Abflussrohr-Stromspannung reduziert werden, das elektrische Feld im Kanal erhebend, ist das Ergebnis Geschwindigkeitssättigung der Transportunternehmen, den Strom und den transconductance beschränkend.

Verbindungskapazität

Traditionell war Schaltung der Zeit zur Tor-Kapazität von Toren grob proportional. Jedoch, mit Transistoren, die kleiner und mehr Transistoren werden, die auf dem Span legen werden, wird Verbindungskapazität (die Kapazität der Metallschicht-Verbindungen zwischen verschiedenen Teilen des Spans) ein großer Prozentsatz der Kapazität.

Signale müssen durch die Verbindung reisen, die zu vergrößerter Verzögerung und niedrigerer Leistung führt.

Hitzeproduktion

Die ständig steigende Dichte von MOSFETs auf einem einheitlichen Stromkreis schafft Probleme der wesentlichen lokalisierten Hitzegeneration, die Stromkreis-Operation verschlechtern kann. Stromkreise funktionieren langsamer bei hohen Temperaturen, und haben Zuverlässigkeit und kürzere Lebenszeiten reduziert. Hitzebecken und andere kühl werdende Methoden sind jetzt für viele einheitliche Stromkreise einschließlich Mikroprozessoren erforderlich.

Macht MOSFETs ist gefährdet des Thermalausreißers. Als sich ihr Durchlasszustand-Widerstand mit der Temperatur erhebt, wenn die Last ungefähr eine unveränderlich-aktuelle Last dann ist, erhebt sich der Macht-Verlust entsprechend, das Erzeugen heizt weiter. Wenn der heatsink nicht im Stande ist, die Temperatur niedrig genug zu behalten, kann sich die Verbindungspunkt-Temperatur schnell und unkontrollierbar erheben, auf Zerstörung des Geräts hinauslaufend.

Prozess-Schwankungen

Mit MOSFETS das kleinere Werden wird die Zahl von Atomen im Silikon, die viele Eigenschaften des Transistors erzeugen, weniger mit dem Ergebnis, dass die Kontrolle von dopant Zahlen und Stellen mehr unregelmäßig ist. Während der Span-Herstellung betreffen Zufallsprozess-Schwankungen alle Transistor-Dimensionen: Länge, Breite, Verbindungspunkt-Tiefen, Oxyddicke usw., und werden ein größerer Prozentsatz der gesamten Transistor-Größe, weil der Transistor zurückweicht. Die Transistor-Eigenschaften werden weniger sicher, mehr statistisch. Die zufällige Natur der Fertigung bedeutet, dass wir nicht wissen, welches besonderes Beispiel MOSFETs wirklich in einem besonderen Beispiel des Stromkreises enden wird. Diese Unklarheit zwingt ein weniger optimales Design, weil das Design für eine große Vielfalt von möglichem bildendem MOSFETs arbeiten muss. Sieh Prozess-Schwankung, Design für manufacturability, Zuverlässigkeitstechnik und statistische Prozesssteuerung.

Das Modellieren von Herausforderungen

Moderne ICs werden mit der Absicht computervorgetäuscht, Arbeitsstromkreise vom allerersten verfertigten Los zu erhalten. Da Geräte miniaturisiert werden, macht die Kompliziertheit der Verarbeitung es schwierig, genau vorauszusagen, wie was die Endgeräte aussehen, und das Modellieren von physischen Prozessen schwieriger ebenso wird. Außerdem verlangen mikroskopische Schwankungen in der Struktur einfach dank der probabilistic Natur von Atomprozessen statistisch (nicht nur deterministisch) Vorhersagen. Diese Faktoren verbinden sich, um entsprechende Simulation und "Recht das erste Mal" schwierige Fertigung zu machen.

MOSFET Aufbau

Tor-Material

Das primäre Kriterium für das Tor-Material ist, dass es ein guter Leiter ist. Hoch lackiertes polykristallenes Silikon ist ein annehmbarer, aber sicher leidet nicht idealer Leiter, und auch unter noch einigen technischen Mängeln in seiner Rolle als das Standardtor-Material. Dennoch gibt es mehrere Gründe, die Gebrauch von Polysilikon bevorzugen:

1. Die Schwellenstromspannung (und folglich das Abflussrohr zur Quelle auf dem Strom) wird durch den Arbeitsfunktionsunterschied zwischen dem Tor-Material und Kanalmaterial modifiziert. Weil Polysilikon ein Halbleiter ist, kann seine Arbeitsfunktion durch die Anpassung des Typs und Niveaus des Dopings abgestimmt werden. Außerdem, weil Polysilikon denselben bandgap wie der zu Grunde liegende Silikonkanal hat, ist es ziemlich aufrichtig, um die Arbeitsfunktion abzustimmen, niedrige Schwellenstromspannungen sowohl für NMOS als auch für PMOS Geräte zu erreichen. Im Vergleich werden die Arbeitsfunktionen von Metallen nicht leicht abgestimmt, so wird das Abstimmen der Arbeitsfunktion, niedrige Schwellenstromspannungen zu erhalten, eine bedeutende Herausforderung. Zusätzlich würde das Erreichen von Geräten der niedrigen Schwelle sowohl auf PMOS als auch auf NMOS Geräten wahrscheinlich den Gebrauch von verschiedenen Metallen für jeden Gerät-Typ verlangen, zusätzliche Kompliziertheit in den Herstellungsprozess einführend.
2. Die Silikon-SiO-Schnittstelle ist gut studiert worden und ist bekannt, relativ wenige Defekte zu haben. Im Vergleich enthalten viele Metallisolator-Schnittstellen bedeutende Niveaus von Defekten, die zu Niveau-Befestigen von Fermi, Aufladung oder anderen Phänomenen führen können, die schließlich Gerät-Leistung erniedrigen.
3. Im MOSFET IC Herstellungsprozess ist es vorzuziehend, das Tor-Material vor bestimmten Hoch-Temperaturschritten abzulegen, um besser leistende Transistoren zu machen. Solche hohen Temperaturschritte würden einige Metalle schmelzen, die Typen von Metall beschränkend, das in einem Tor-basierten Prozess verwendet werden kann.

Während Polysilikontore der De-Facto-Standard seit den letzten zwanzig Jahren gewesen sind, haben sie wirklich einige Nachteile, die zu ihrem wahrscheinlichen zukünftigen Ersatz durch Metalltore geführt haben. Diese Nachteile schließen ein:

1. Polysilikon ist nicht ein großer Leiter (etwa 1000mal widerspenstiger als Metalle), der die Signalfortpflanzungsgeschwindigkeit durch das Material reduziert. Der spezifische Widerstand kann durch die Erhöhung des Niveaus des Dopings gesenkt werden, aber hat sogar hoch Polysilikon lackiert ist nicht so leitend wie die meisten Metalle. Um Leitvermögen weiter, manchmal ein Hoch-Temperaturmetall wie Wolfram, Titan, Kobalt, und mehr kürzlich zu verbessern, wird Nickel mit den Spitzenschichten des Polysilikons beeinträchtigt. Solch ein vermischtes Material wird silicide genannt. Die Silicide-Polysilikonkombination hat bessere elektrische Eigenschaften als Polysilikon allein und schmilzt noch in der nachfolgenden Verarbeitung nicht. Auch die Schwellenstromspannung ist nicht bedeutsam höher als mit Polysilikon allein, weil das silicide Material nicht in der Nähe vom Kanal ist. Der Prozess, in dem silicide sowohl auf der Tor-Elektrode als auch auf der Quelle gebildet wird und Gebiete dräniert, wird manchmal salicide genannt, hat silicide selbstausgerichtet.
2. Wenn die Transistoren äußerst heruntergeschraubt werden, ist es notwendig, die Tor-Dielektrikum-Schicht sehr dünn, ungefähr 1 nm in den modernsten Technologien zu machen. Ein Phänomen beobachtet hier ist die so genannte poly Erschöpfung, wo eine Erschöpfungsschicht in der Tor-Polysilikonschicht neben dem Tor-Dielektrikum gebildet wird, wenn der Transistor in der Inversion ist. Um dieses Problem zu vermeiden, wird ein Metalltor gewünscht. Eine Vielfalt von Metalltoren wie Tantal, Wolfram, Tantal-Nitrid und Titan-Nitrid wird gewöhnlich in Verbindung mit hohen-k Dielektriken verwendet. Eine Alternative soll völlig silicided Polysilikontore, ein als FUSI bekannter Prozess verwenden.

Isolator

Da Geräte kleiner gemacht werden, isolierende Schichten dünner gemacht werden, und an einem Punkt tunneling Transportunternehmen durch den Isolator vom Kanal bis die Tor-Elektrode stattfindet. Um den resultierenden Leckage-Strom zu reduzieren, kann der Isolator dicker durch die Auswahl eines Materials mit einer höheren dielektrischen Konstante gemacht werden. Um zu sehen, wie Dicke und dielektrische Konstante verbunden sind, bemerken Sie, dass das Gesetz von Gauss Feld verbindet, um als zu stürmen:

mit Q = beladen Dichte, κ = dielektrische Konstante, ε = permittivity vom leeren Raum und E = elektrisches Feld. Aus diesem Gesetz scheint es, dass dieselbe Anklage im Kanal an zur Verfügung gestelltem κ eines niedrigeren Feldes aufrechterhalten werden kann, wird vergrößert. Durch die Stromspannung auf dem Tor wird gegeben:

mit V = Tor-Stromspannung, V = Stromspannung an der Kanalseite des Isolators und t = Isolator-Dicke. Diese Gleichung zeigt, dass die Tor-Stromspannung nicht zunehmen wird, als die Isolator-Dicke Zunahmen, κ-Zunahmen zur Verfügung gestellt hat, um t/κ = unveränderlich zu halten (sieh den Artikel über high-κ Dielektriken für mehr Detail und die Abteilung in diesem Artikel über die mit dem Toroxydleckage).

Der Isolator in einem MOSFET ist ein Dielektrikum, das auf jeden Fall Silikonoxyd sein kann, aber viele andere dielektrische Materialien werden verwendet. Der Oberbegriff für das Dielektrikum ist Tor-Dielektrikum, da das Dielektrikum direkt unter der Tor-Elektrode und über dem Kanal des MOSFET liegt.

Verbindungspunkt-Design

Die Quelle zum Körper und Verbindungspunkte des Abflussrohrs zum Körper sind der Gegenstand von viel Aufmerksamkeit wegen drei Hauptfaktoren: Ihr Design betrifft die (I-V) Strom-Spannungseigenschaften des Geräts, Produktionswiderstand und auch die Geschwindigkeit des Geräts durch die ladende Wirkung der Verbindungspunkt-Kapazität, und schließlich, der Bestandteil der Hilfsmacht-Verschwendung wegen der Verbindungspunkt-Leckage senkend.

Das Abflussrohr hat das Barriere-Senken der Schwellenstromspannung veranlasst, und Kanallänge-Modulationseffekten auf I-V-Kurven werden durch das Verwenden seichter Verbindungspunkt-Erweiterungen reduziert. Außerdem kann Ring-Doping, d. h. die Hinzufügung sehr dünner schwer lackierter Gebiete desselben Doping-Typs wie der gegen die Verbindungspunkt-Wände dichte Körper verwendet werden, um das Ausmaß von Erschöpfungsgebieten zu beschränken.

Die kapazitiven Effekten werden durch das Verwenden der erzogenen Quelle beschränkt und dränieren Geometrie, die den grössten Teil der Kontakt-Bereichsgrenze dickes Dielektrikum statt Silikons macht.

Diese verschiedenen Eigenschaften des Verbindungspunkt-Designs werden (mit der künstlerischen Lizenz) in der Zahl gezeigt.

Verbindungspunkt-Leckage wird weiter in der vergrößerten Verbindungspunkt-Leckage der Abteilung besprochen.

Andere Typen MOSFET

Doppeltor MOSFET

Der Doppeltor-MOSFET hat eine Vierpolröhre-Konfiguration, wo beide Tore den Strom im Gerät kontrollieren. Es wird für Geräte des kleinen Signals in Radiofrequenzanwendungen allgemein verwendet, wo das Beeinflussen des Tors der Abflussrohr-Seite am unveränderlichen Potenzial den durch die Wirkung von Miller verursachten Gewinn-Verlust reduziert, zwei getrennte Transistoren in der cascode Konfiguration ersetzend. Anderer allgemeiner Gebrauch in RF crcuits schließt Gewinn-Kontrolle ein und sich (Frequenzkonvertierung) vermischend.

FinFET

FinFET, sieh Zahl zum Recht, ist ein Gerät des Silikons auf dem Isolator des doppelten Tors, eine mehrerer Geometrie, die wird einführt, um die Effekten von kurzen Kanälen zu lindern und das Abflussrohr-veranlasste Barriere-Senken zu reduzieren. Die "Flosse" bezieht sich auf den schmalen Kanal zwischen Quelle und Abflussrohr. Eine dünne isolierende Oxydschicht auf beiden Seiten der Flosse trennt es vom Tor. SOI FinFETs mit einem dicken Oxyd oben auf der Flosse werden doppeltes Tor und diejenigen mit einem dünnen Oxyd auf der Spitze sowie auf den Seiten genannt, werden dreifaches Tor FinFETs genannt.

Erschöpfungsweise MOSFETs

Es gibt Erschöpfungsweise MOSFET Geräte, die weniger allgemein verwendet werden als die bereits beschriebenen Standarderhöhungsweise-Geräte. Das sind MOSFET Geräte, die lackiert werden, so dass ein Kanal sogar mit der Nullspannung vom Tor bis Quelle besteht. Um den Kanal zu kontrollieren, wird eine negative Stromspannung auf das Tor (für ein N-Kanalgerät) angewandt, den Kanal entleerend, der abnimmt, der Strom fließen durch das Gerät. Hauptsächlich ist das Erschöpfungsweise-Gerät zu normalerweise geschlossen (auf) dem Schalter gleichwertig, während das Erhöhungsweise-Gerät zu normalerweise offen (von) dem Schalter gleichwertig ist.

Wegen ihrer niedrigen Geräuschzahl im RF Gebiet und besseren Gewinns werden diese Geräte häufig bipolars an RF Vorderenden solcher als in Fernsehapparaten bevorzugt. MOSFET Erschöpfungsweise-Familien schließen BF 960 durch Siemens ein, und BF 980 durch Philips (hat auf die 1980er Jahre datiert), wessen Ableitungen noch in AGC und RF Mixer-Vorderenden verwendet werden.

NMOS Logik

N-Kanal MOSFETs sind kleiner als P-Kanal MOSFETs und das Produzieren nur eines Typs von MOSFET auf einem Silikonsubstrat, ist preiswerter und technisch einfacher. Das waren die Fahrgrundsätze im Design der NMOS Logik, die N-Kanal MOSFETs exklusiv verwendet. Jedoch, verschieden von der CMOS Logik, verbraucht NMOS Logik Macht, selbst wenn keine Schaltung stattfindet. Mit Fortschritten in der Technologie hat CMOS Logik NMOS Logik Mitte der 1980er Jahre versetzt, um der bevorzugte Prozess für Digitalchips zu werden.

Macht MOSFET

Macht MOSFETs hat eine verschiedene Struktur als diejenige, die oben präsentiert ist. Als mit den meisten Macht-Geräten ist die Struktur vertikal und nicht planar. Mit einer vertikalen Struktur ist es für den Transistor möglich, sowohl hoch blockierende Stromspannung als auch hohen Strom zu stützen. Die Stromspannungsschätzung des Transistors ist eine Funktion des Dopings und Dicke der N-epitaxial Schicht (sieh böse Abteilung), während die aktuelle Schätzung eine Funktion der Kanalbreite (je breiter der Kanal, desto höher der Strom) ist. In einer planaren Struktur sind der Strom und die Durchbruchsstromspannungseinschaltquoten sowohl eine Funktion der Kanaldimensionen (beziehungsweise Breite als auch Länge des Kanals), auf ineffizienten Gebrauch des "Silikonstands" hinauslaufend. Mit der vertikalen Struktur ist das Teilgebiet zum Strom grob proportional, den es stützen kann, und die Teildicke (wirklich die N-epitaxial Schicht-Dicke) zur Durchbruchsstromspannung proportional ist.

Macht MOSFETs mit der seitlichen Struktur wird am hohen Ende Audioverstärker und Hochleistungs-PAPA-Systeme hauptsächlich verwendet. Ihr Vorteil ist ein besseres Verhalten im durchtränkten Gebiet (entsprechend dem geradlinigen Gebiet eines bipolar Transistors) als der vertikale MOSFETs. Vertikale MOSFETs werden entworfen, um Anwendungen zu schalten.

DMOS

DMOS tritt für doppelt ausgegossenen Metalloxydhalbleiter ein. Der grösste Teil der Macht MOSFETs wird mit dieser Technologie gemacht.

RHBD MOSFETs

Halbleiter-Submikrometer und Nanometer elektronische Stromkreise sind die primäre Sorge, um innerhalb der normalen Toleranz in harten Strahlenumgebungen wie Weltraum zu funktionieren. Eine der Designannäherungen, für ein Gerät der Radiation ist durch das Design hart geworden (RHBD) zu machen, ist Enclosed-Layout-Transistor (ELT). Normalerweise umgibt das Tor des MOSFET das Abflussrohr, das ins Zentrum des ELT gelegt wird. Die Quelle des MOSFET umgibt das Tor. Ein anderer RHBD MOSFET wird H-Gate genannt. Beide dieser Transistoren haben sehr niedrigen Leckage-Strom in Bezug auf die Radiation. Jedoch sind sie in der Größe groß und nehmen mehr Raum auf Silikon als ein normaler MOSFET.

Neuere Technologien erscheinen für kleinere Geräte für die kostensparende, niedrige Macht und vergrößerte Maschinengeschwindigkeit. Der normale MOSFET wird auch äußerst empfindlich zur Radiation für die neueren Technologien. Viel mehr Forschungsarbeiten sollten vollendet werden, bevor Raumelektronik RHBD MOSFET Stromkreise der Nanotechnologie sicher verwenden kann.

Wenn Radiation in der Nähe vom Silikonoxydgebiet (STI) des MOSFET schlägt, kommt die Kanalinversion an den Ecken des normalen MOSFET wegen der Anhäufung der Radiation vor, hat gefangene Anklagen veranlasst. Wenn die Anklagen groß genug sind, betreffen die angesammelten Anklagen STI-Oberflächenränder entlang dem Kanal in der Nähe vom Kanalanschluss (Tor) des normalen MOSFET. So kommt die Gerät-Kanalinversion entlang den Kanalrändern vor, und das Gerät schafft Außerzustandleckage-Pfad, Gerät veranlassend, sich zu drehen. So baut sich die Zuverlässigkeit von Stromkreisen streng ab. Der ELT bietet viele Vorteile an. Diese Vorteile schließen Verbesserung der Zuverlässigkeit durch das Reduzieren unerwünschter Oberflächeninversion an den Tor-Rändern ein, die im normalen MOSFET vorkommt. Da die Tor-Ränder in ELT eingeschlossen werden, gibt es keinen Tor-Oxydrand (STI an der Tor-Schnittstelle), und so der Transistor Außerzustandleckage wird sehr viel reduziert.

Mikroelektronische Stromkreise der niedrigen Macht einschließlich Computer, Kommunikationseinrichtungen und Mithörsysteme in Raumfähre und Satelliten sind sehr verschieden als, was wir auf der Erde verwenden. Sie sind Radiation (Hochleistungsatompartikeln wie Proton und Neutron, Sonnenaufflackern magnetische Energieverschwendung im Raum der Erde, energischen kosmischen Strahlen wie Röntgenstrahl, Gammastrahl usw.) tolerante Stromkreise. Diese spezielle Elektronik wird durch die Verwendung sehr verschiedener Techniken mit RHBD MOSFETs entworfen, um die sichere Raumreise und auch den Weltraumspaziergang von Astronauten zu sichern.

MOSFET Analogschalter

MOSFET Analogschalter verwenden den MOSFET Kanal als ein auf dem Widerstand niedriger Schalter, um analoge Signale, wenn auf, und als ein hoher Scheinwiderstand wenn davon zu passieren. Signale fließen in beiden Richtungen über einen MOSFET-Schalter. In dieser Anwendung tauschen das Abflussrohr und die Quelle eines MOSFET Plätze abhängig von den Verhältnisstromspannungen der Elektroden der Quelle/Abflussrohrs aus. Die Quelle ist die negativere Seite für einen N-MOS oder die positivere Seite für einen P-MOS. Alle diese Schalter werden beschränkt, auf welchen Signalen sie gehen oder ihre Tor-Quelle, Tor-Abflussrohr und Quellabflussrohr-Stromspannungen kurz vorbeikommen können; die Stromspannung überschreitend, wird Strom oder Macht-Grenzen den Schalter potenziell beschädigen.

Einzelner Typ MOSFET Schalter

Dieser analoge Schalter verwendet einen einfachen Vier-Terminals-MOSFET jedes Typs P oder N. Im Fall von einem n-leitenden Schalter wird der Körper mit der negativsten Versorgung verbunden (gewöhnlich GND), und das Tor wird als die Schalter-Kontrolle verwendet. Wann auch immer die Tor-Stromspannung die Quellstromspannung um mindestens eine Schwellenstromspannung, das MOSFET-Verhalten überschreitet. Je höher die Stromspannung, desto mehr der MOSFET führen kann. Ein N-MOS-Schalter passiert alle Stromspannungen weniger als V-V. Wenn der Schalter führt, bedient er normalerweise im geradlinigen (oder ohmic) Verfahrensweise, da die Quelle und abfließt, werden Stromspannungen normalerweise fast gleich sein.

Im Fall von einem P-MOS wird der Körper mit der positivsten Stromspannung verbunden, und das Tor wird zu einem niedrigeren Potenzial gebracht, um den Schalter einzuschalten. Der P-MOS-Schalter passiert alle Stromspannungen höher als V-V (Schwellenstromspannung V ist im Fall von der Enhancent-Weise P-MOS negativ).

Ein P-MOS-Schalter wird ungefähr dreimal den Widerstand eines N-MOS Geräts von gleichen Dimensionen haben, weil Elektronen ungefähr dreimal die Beweglichkeit von Löchern in Silikon haben.

Doppeltyp (CMOS) MOSFET Schalter

Dieser "Ergänzungs"-Typ oder CMOS-Typ des Schalters verwenden einen P-MOS und einen N-MOS FET, um den Beschränkungen des Schalters des einzelnen Typs entgegenzuwirken. Die FETs haben ihre Abflussrohre und in der Parallele verbundene Quellen, der Körper des P-MOS wird mit dem hohen Potenzial (V) verbunden, und der Körper des N-MOS wird mit dem niedrigen Potenzial (Gnd) verbunden. Um den Schalter einzuschalten, wird das Tor des P-MOS zum niedrigen Potenzial gesteuert, und das Tor des N-MOS wird zum hohen Potenzial gesteuert. Für Stromspannungen zwischen V-V und Gnd-V beide führen FETs das Signal; für Stromspannungen weniger als Gnd-V, das N-MOS-Verhalten allein; und für Stromspannungen, die größer sind als V-V, das P-MOS-Verhalten, allein.

Die Stromspannungsgrenzen für diesen Schalter sind die Tor-Quelle, das Tor-Abflussrohr und die Quellabflussrohr-Stromspannungsgrenzen für beide FETs. Außerdem ist der P-MOS normalerweise zwei bis dreimal breiter als der N-MOS, so wird der Schalter für die Geschwindigkeit in den zwei Richtungen erwogen.

Tri-Zustandschaltsystem vereinigt sich manchmal ein CMOS schalten MOSFET seine Produktion ein, um für eine niedrige-ohmic, Produktion der vollen Reihe, wenn auf und eine hohe-ohmic, Mitte Niveau-Signal wenn davon zu sorgen.

Siehe auch

• BSIM
• Hoher Elektronbeweglichkeitstransistor (HEMT)
• Polysilikonerschöpfungswirkung
• Transistor-Modell

Links

• Dr Ulrich Nicolai, Dr Tobias Reimann, Prof. Jürgen Petzoldt, Josef Lutz: Anwendungshandbuch IGBT und MOSFET Macht-Module, 1. Ausgabe, die INSEL VERLAG, 1998, internationale Standardbuchnummer 3-932633-24-5 PDF-Version
• Eine Einführung in die Erschöpfungsweise MOSFETs
• Macht MOSFETs
• MOSFET Prozess Nach und nach Ein Blitz-Gleiten, den Fabrizieren-Prozess eines MOSFET zeigend, geht im Detail
• MOSFET Rechenmaschine MOSFET Rechenmaschine
• Fortgeschrittene MOSFET-Probleme Fortgeschrittene MOSFET-Probleme. ecee.colorado.edu. Wiederbekommen am 2010-11-27.
• MOSFET applet Sehr netter applet, der hilft, MOSFET zu verstehen.
• MIT Kurse von OpenCourseWare:
• MIT Offene Lernsoftware 6.002 - Frühling 2007 - Verbindung zum elektrotechnischen Einführungskurs an MIT auf Stromkreisen und Elektronik.
• MIT Offene Lernsoftware 6.012 - Fall 2009 - Verbindung zu mehr Leistungsklasse hat an MIT alle über die Mikroelektronik und MOSFETs unterrichtet
• Technologie von Georgia BJT und FET-Gleiten-Gleiten von einer Mikroelektronischen Stromkreis-Klasse an der Technologie von Georgia
• CircuitDesign: MOS Verbreitung Parasitics Rohöl-Illustrationen der MOS Verbreitungsstruktur und Beispielstromkreis-Lay-Outs, um ihren parasitics zu minimieren
• Kurs über die Physik von Nanoscale Transistoren
• Zeichen auf Ballistischem MOSFETs durch Dr Lundstrom - Theorie von ballistischem MOSFETs.