MOSFET
MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) också känd som MOS[1] är en fälteffekttransistor, utan sådan PN-övergång i kanalen som i en bipolär transistor.
- En FET-transistor är en transistor där strömmen mellan drain och source styrs kapacitivt från styrelektroden (gate) genom fälteffekten. Egenskaperna liknar elektronrörets.
- En MOS-transistor är en sådan transistor med isolerat styre, IGFET (Insulated gate FET), medelst metall (aluminium) på kiseloxid, eller motsvarande funktion med andra material. En JFET har en PN-övergång mellan styre och kanal.
En MOSFET består av en kanal med halvledarmaterial av n- eller p-typ och kallas med detta som grund för nMOSFET eller pMOSFET. Traditionellt används kisel som halvledarmaterial, men vissa tillverkare, särskilt IBM, har börjat använda en legering av kisel och germanium (SiGe) i MOSFET-kanalerna. Det finns förvisso halvledare med bättre elektriska egenskaper än dessa, som till exempel galliumarsenid (GaAs), men de bildar ingen oxid som kan användas som isolator mot gate-kontakten.
Funktion
I n-kanals MOSFET går strömkanalen från drain till source. Om spänningen mellan styre och source är under en viss gränsspänning, är transistorn strypt. I en anrikningstyp är denna spänning nära noll volt, men i en utarmningstyp (ovanligare) av MOSFET är krävs negativ spänning för att strypa. Om styrets spänning ökar, sker "anrikning" av rörliga elektroner i kanalen och transistorn leder allt bättre i ett tämligen linjärt område, tills den når ett bottnat läge, vid ett fåtal volt högre gate-source-spänning. I en p-kanals-MOSFET sker allt i motsatt riktning, dvs. source ansluts till positiv istället för negativ spänning. Förutom de tre vanliga elektroderna för funktionen är transistorns halvledarsubstrat anslutet med ledning som skulle kunna användas för att ansluta förspänning, men oftast leds direkt till source. Det finns MOSFET med dubbla styren, dual gate-MOSFET, som främst används i radiotillämpningar, jämför elektronrör med flera galler.
Det tunna metall-oxidskiktet fungerar delvis som en liten kondensator och är mycket känsligt för överspänning, och kan få genombrott, vilket förstör transistorn, exempelvis vid statisk urladdning eller annan överspänning. Som skydd mot överspänning används ofta zenerdioder eller liknande, även för att parallellkoppla för source-drain-shunt som skydd mot backspänning. Förr var statiska urladdningar (ESD) en huvudorsak till komponentfel.
Användning
MOSFET är idag den totalt vanligaste och mest spridda transistortypen. Den förekommer i stort sett i alla sorters digital elektronik, inklusive mikroprocessorer och minnen. Med den moderna planarprocessen har tillverningen av högdensitetskretsar (VLSI) förenklats.
Den stora utbredningen beror på att digitala kretsar baserade på MOSFET endast använder energi i själva övergångsögonblicket, då laddning i olika kapacitanser överförs, vilket betyder att energiförbrukningen är proportionell mot frekvensen. Med komplementär teknik, med p samt n-kanals MOS, görs CMOS som inte behöver tomgångsström utan har extremt låg energiförbrukning vid stillastående. Med övriga tekniker, (TTL, NMOS, PMOS, ECL) behöver strömmar ledas bort vid normal funktion, vilka orsakar förlust, men i CMOS är bara ena transistorn öppen i varje drivsteg, vilket inte kräver någon viloström. Vid växling mellan två lägen kan emellertid bägge transistorerna leda samtidigt, vilket likt med TTL orsakar kortvarig strömrusning och störning ("spik") på matningsspänningen. CMOS är totalt dominerande för batteridriven elektronik.
Inom kraftelektronik är MOSFET vanlig, speciellt för spänning upp till några hundra volt. MOSFET har även blivit populär för högfrekvens- och audioförstärkarapplikationer.
Historik
Grundprincipen för fälteffekttransistorn patenterades redan 1925 av Julius Edgar Lilienfeld. Först 1947 lyckades man göra en fungerande transistor, men då av bipolär typ. MOS-transistorn uppfanns 1959, som utveckling av FET.
Källhänvisningar
- ^ ”1960 - Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated”. The Silicon Engin: A Timeline of Semiconductors in Computers. Computer History Museum. http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1960-MOS.html. Läst 14 oktober 2014.
