טרנזיסטור MOSFET

טרנזיסטור MOSFET (ראשי תיבות של Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), או טרנזיסטור תוצא שדה, הוא טרנזיסטור בו שדה חשמלי משפיע על התכונות של מוליך למחצה ובכך ניתן לשלוט על הזרם החשמלי הזורם דרכו. בצורה הפשטנית ביותר ניתן לראות טרנזיסטור כמתג. ליבו של טרנזיסטור MOSFET הוא קבל MOS, אשר באמצעותו מושרה השדה החשמלי על המוליך למחצה ובכך נפתח או נסגר המתג.

היסטוריה

מבנה טרנזיסטור MOSFET מסוג NMOS

טרנזיסטור MOSFET הוא הטרנזיסטור הנפוץ ביותר כיום, והוא משמש בעיקר במעגלים לוגיים ספרתיים. התאוריה של טרנזיטורי MOS פותחה בשנות ה-30 של המאה ה-20 כפועל יוצא משפופרת הריק והטריודה, אולם טכנולוגיית המוליכים למחצה לא הייתה קיימת אז. הטרנזיסטור מתפקד כמתג חשמלי - הפעלת מתח על אחד ההדקים יוצרת שדה חשמלי שמאפשר זרימת זרם דרך שני ההדקים האחרים. ככל שאורך התעלה יהיה קטן יותר, כך תקטן התנגדות הטרנזיסטור, ומהירות המיתוג שלו תגדל. מסיבה זו ומסיבות נוספות אורך התעלה הוא אחד הפרמטרים החשובים ביותר בטכנולוגיה. עם השנים, הטכנולוגיה משתכללת ומאפשרת ייצור טרנזיסטורים בעלי אורך תעלה הולך וקטן. בעבר אורך התעלה היה נמדד במיקרונים וכיום בננומטרים, והוא משמש לעיתים קרובות לציון הרמה הטכנולוגית של המעגל משולב. עם זאת, בעשור האחרון, מספר הננומטרים אותו מציינים מהווה יותר שם של הרמה (node) הטכנולוגית מאשר אורך התעלה בפועל, וקיימים לרוב הבדלים של עשרות אחוזים ביניהם. התחזית לגבי ההקטנה ההדרגתית של אורכי התעלה עם השנים זכתה לשם הפופולרי חוק מור.

אופן הפעולה

שמו של הטרנזיסטור נגזר מאופן פעולתו - שדה חשמלי פועל על תעלה העשויה מוליך למחצה ומביאה למצב של היפוך של סוג נושאי המטען שבתעלה, מה שמאפשר לזרם לזרום דרכה. הטרנזיסטור בנוי מבסיס של חומר מוליך למחצה בעל אילוח (סימום) מסוים - הנקרא מצע (Bulk). על המצע מושתלים שני אזורים של חומר מוליך למחצה בעל אילוח הפוך - המוצא (Source) והשפך (Drain). הכוונה היא שאם המצע עשוי מוליך למחצה מסוג P, אז המוצא והשפך יהיו מסוג N (ראה איור), ולהפך. מעל התעלה נמצא השער (Gate) - מגע מתכתי המבודד מהמוליך למחצה על ידי שכבה דקה של חומר מבודד - מבודד השער, המכונה גם תחמוצת השער. בטרנזיסטורים המבוססים על סיליקון מהווה תחמוצת סיליקון מבודד טוב. עם זאת, החל משנת 2007 בדורות המתקדמים של מעבדים תחמוצת הסיליקון הוחלפה בחומרים דיאלקטריים בעלי מקדם גבוה, המבוססים בעיקר על תחמוצות הפניום.

כאשר המצע עשוי מחומר מוליך למחצה מסוג P, במצע יהיו הרבה חורים ומעט אלקטרונים חופשיים. לעומת זאת, במקור ובשפך, העשויים מחומר N, המצב הוא הפוך ונושאי מטען הרוב הם אלקטרונים. ללא הפעלת שדה חשמלי, נוצרים צומתי P-N בין התעלה למקור, ובין התעלה לשפך. צומתי P-N מהווים בפועל דיודה המונעת מעבר זרם חשמלי מכיוון אזור ה-N אל אזור ה-P. במצב כזה קיים נתק חשמלי בין המקור לבין השפך, והטרנזיסטור, או המתג, נמצא במצב סגור.

כאשר מופעל מתח חיובי על השער, נוצר שדה חשמלי, המושך אלקטרונים (נושאי מטען המיעוט בתעלה, מסוג P) מהמצע לעבר השער. באופן זה, אזור דקיק בתעלה, בסמוך למבודד השער, עובר היפוך (אינוורסיה) והופך להיות מוליך למחצה מסוג N. במצב כזה המגעים בין התעלה למקור ולשפך מפסיקים לתפקד בתור דיודה, ואין מחסום למעבר זרם בין המקור לשפך - והטרנזיסטור נמצא במצב פתוח. במצב זה הפרש מתחים הפועל בין המקור לבין השפך יביא לזרימת זרם ביניהם.

טרנזיסטור MOS בעל מצע מסוג P נקרא NMOS (משום שההולכה בו היא הולכה של אלקטרונים), ואילו טרנזיסטור בעל מצע מסוג N נקרא PMOS (שבו ההולכה היא של חורים). בתמונה למעלה מתואר טרנזיסטור NMOS. טרנזיסטור סוג N נמוך יותר בהתנגדות התעלה מזה של סוג P עקב הבדלי ניידות אלקטרונים כנגד חורים.

ניתן לייצר את הטרנזיסטור בשתי טכנולוגיות, depletion mode ו-enhancement mode. ב-enhancement mode, המצע מאולח כך שאינו מוליך ללא מתח בשער. ב-depletion mode, המצע מאולח כך שיוליך ללא מתח כמעט במצב רוויה (ראו מטה). רוב טרנזיסטורי ה-MOSFET מיוצרים ב-enhancement mode, אך קיימים גם טרנזיסטורים מסוג NMOS בטכנולוגיית depletion.

מצבי פעולה

מצבי הפעולה של טרנזיסטור MOSFET

ניתן לחלק את התנהגותו של טרנזיסטור MOS ל-3 מצבי פעולה עיקריים, התלויים במתחים המופעלים על הדקיו, אשר הם: Vgs הוא המתח של השער ביחס למקור, Vds הוא המתח של השפך ביחס למקור, ו-Vt הוא מתח הסף שמתחתיו אין זרם בטרנזיסטור.

• קטעון (או תת-הולכה) - כאשר המתח על השער נמוך ממתח הסף, אין כמעט שכבת אינוורסיה, ולכן לא יכול לזרום זרם מהמקור לשפך. במצב זה, הטרנזיסטור מעביר זרם חלש (זרמי זליגה) על ידי דיפוזיה כתלות במתחים Vds ,Vgs.
• לינארי - כאשר המתח על השער גבוה ממתח הסף, נוצרת שכבת אינוורסיה, והטרנזיסטור מעביר זרם (על ידי סחיפה שנוצרת מן השדה החשמלי) בתלות במתח Vds אך גם במידת האינוורסיה שתלויה במתח Vgs (מתח השער). ככל שמתח השער עולה, יותר נושאי מטען מוזרקים מ ה-source אל התעלה, האינוורסיה גדלה, ההתנגדות קטנה ויכולה לאפשר זרם גדול יותר. במצב פעולה זה הטרנזיסטור מתנהג בקירוב כנגד בין המקור לשפך Drain to Source, והוא שימושי בעיקר למיתוג וניתוב של אותות חשמליים.
• רוויה - כאשר Vds גדול מ Vgs-Vt, הטרנזיסטור מפסיק להתנהג כנגד. מהירות תנועת נושאי המטען בטרנזיסטור הגיעה לרוויה. הזרם לא יגדל כמעט עם הגדלת Vds. כדי להגדיל את הזרם יש לחזק את האינוורסיה על ידי הגדלת Vgs, במצב זה ההתקן משמש מקור זרם מבוקר מתח-שער למגבר. הקשר בין הזרם Ids למתח Vgs-Vt הוא ריבועי: $I_{ds}\propto (V_{gs}-V_{T})^{2}$

לקריאה נוספת

• A.S. Sedra, K.C. Smith, Microelectronic Circuits, New York: Oxford, 2004

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא טרנזיסטור MOSFET בוויקישיתוף

• How Does a Transistor Work? סרטון הסבר בשפה האנגלית הממחיש את פעולת הטרנזיסטור