MOSFET

MOSFET:n komponentit

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. 
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.

Materiaalit

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 näin ole soveliaita 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.

MOS-rakenne

MOS-rakenne koostuu kolmesta alueesta: hilasta, eristeenä toimivasta piioksidista (kvartsi) ja pii-puolijohteesta. 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. inversio-kerroksen muodostumiseen.
Tässä rakenteessa P-tyypin perusmateriaali on perustana N-tyypin MOSFET:ille, joka tarvitsee lisäksi N-tyypin lähde- ja nielualueet.

MOSFET:n toiminnan perusteet

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 hila-lähde-jännite (VGS) on positiivinen, se luo N-kanavan rungon P-materiaalin pintaan aivan oksidikerroksen alle. Tämä N-kanava on sähköjohde 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 hila-lähde-jännite on negatiivinen (positiivinen lähde-hila suuntaan), se luo P-kanavan rungon N-alueen pintaan, jne. kuten edellä.

MOSFETin kehitys ja käyttö

MOSFETin keksivät Bell Laboratorioissa työskennelleet Dawon Kahng ja Martin Atalla vuonna 1960. 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 sovellukset

Digitaalisten teknologioiden kehitystarve (kuten esim. mikroprosessorit) on painostanut kehittämään MOSFET-teknologiaa nopeammin kuin mitään muuta piipohjaista transistorityyppiä. Menestyksen syynä on ollut erityisesti CMOS-logiikan kehittäminen, mikä käyttää p- ja n-kanavaisia MOSFETejä rakennuspalikoinaan.
CMOS-logiikan merkittävä etu on, että ilman tilamuutoksia se ei kuluta virtaa (vuotovirtoja lukuun ottamatta). Tilamuutosten tapahtuessa virta kulkee lyhytaikaisesti CMOS:in molempien komplementtiparin transistorien kautta, mikä näyttää oikosululta käyttösähkön ja maapotentiaalin välillä. Niinpä CMOS:in virrankulutus määräytyy kytkimien ajamien kapasitanssien suuruudesta ja  tilamuutoksen määrästä aikayksikköä kohti. Kellotaajuuden nostaminen (tilamuutosten määrän lisäys aikayksikköä kohti) 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.

MOSFETin kutistaminen

Kuluneiden vuosikymmenten aikana MOSFETia on kutistettu; tyypilliset MOSFET kanavapituudet olivat aiemmin useita mikrometrejä mutta modernit integroidut piirit käyttävät mittakaavoja jotka ovat alle 0,1 mikrometriä. Vuonna 2006 on yleisesti otettu teollisuuskäyttöön 0,065 mikrometrin (65 nanometrin) mittakaavan rakenteet.

MOSFETin kutistamisen luomat hankaluudet

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.

Subthreshold-vuotovirta

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 moodissa 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 modernin tehokkaan (kompleksisen) VLSI-piirin tehonkulutuksesta.

Yhdyslankojen kapasitanssi

Perinteisesti kytkentäaika oli suunnilleen yksinomaan riippuva hilojen hilakapasitanssista.
Nyttemmin hilakapasitanssit ovat kutistuneet huomattavasti ja yhdyslankojen hajakapasitanssit ovat vähintään samaa luokkaa kuin hilakapasitanssit. Tämä yhdysjohtojen hajakapasitanssi vaikuttaa kytkentänopeutta alentavasti.

Lämmöntuotto

MOSFETien alati kasvava tiheys tuottaa ongelmia huomattavan paikallisen lämmönmuodostuksen muodossa, mikä saattaa haitata piirien toimintaa. Piirit toimivat hitaammin korkeissa lämpötiloissa ja niillä on huonontunut luotettavuus ja lyhyemmät eliniät. Tämän takia tarvitaan yhä tehokkaampia jäähdytyskeinoja (jäähdytyssiilejä yms) piireillä.
Teho-MOSFETeillä on vaarana ns. terminen karkaus. 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.