MOSFET

Etimologi

Kata 'logam' pada nama yang sekarang digunakan sebenarnya merupakan nama yang salah karena bahan gerbang yang dahulunya lapisan logam-oksida sekarang telah sering digantikan dengan lapisan polisilikon (polikristalin silikon). Sebelumnya aluminium digunakan sebagai bahan gerbang sampai pada tahun 1980 -an ketika polisilikon mulai dominan dengan kemampuannya untuk membentuk gerbang menyesuai-sendiri. Walaupun demikian, gerbang logam sekarang digunakan kembali karena sulit untuk meningkatkan kecepatan operasi transistor tanpa pintu logam.
IGFET adalah peranti terkait, istilah lebih umum yang berarti transistor efek-medan gerbang-terisolasi, dan hampir identik dengan MOSFET, meskipun dapat merujuk ke semua FET dengan isolator gerbang yang bukan oksida. Beberapa menggunakan IGFET ketika merujuk pada perangkat dengan gerbang polisilikon, tetapi kebanyakan masih menyebutnya MOSFET.

Komposisi

Biasanya bahan semikonduktor pilihan adalah silikon, tetapi beberapa produsen IC, terutama IBM, mulai menggunakan campuran silikon dan germanium (SiGe) sebagai kanal MOSFET. Sayangnya, banyak semikonduktor dengan karakteristik listrik yang lebih baik daripada silikon, seperti galium arsenid (GaAs), tidak membentuk antarmuka semikonduktor-ke-isolator yang baik sehingga tidak cocok untuk MOSFET. Hingga kini terus diadakan penelitian untuk membuat isolator yang dapat diterima dengan baik untuk bahan semikonduktor lainnya.
Untuk mengatasi peningkatan konsumsi daya akibat kebocoran arus gerbang, dielektrik κ tinggi menggantikan silikon dioksida sebagai isolator gerbang, dan gerbang logam kembali digunakan untuk menggantikan polisilikon.
Gerbang dipisahkan dari kanal oleh lapisan tipis isolator yang secara tradisional adalah silicon dioksida, tetapi yang lebih maju menggunakan teknologi silicon oxynitride. Beberapa perusahaan telah mulai memperkenalkan kombinasi dielektrik κ tinggi + gerbang logam di teknologi 45 nanometer.

Operasi MOSFET

Untuk informasi lebih lanjut, lihat referensi berikut.

Struktur Semikonduktor–Logam–Oksida

Struktur semikonduktor–logam–oksida sederhana diperoleh dengan menumbuhkan selapis oksida silikon di atas substrat silikon dan mengendapkan selapis logam atau silikon polikristalin. Karena oksida silikon merupakan bahan dielektrik, struktur MOS serupa dengan kondensator planar dengan salah satu elektrodenya digantikan dengan semikonduktor.
Ketika tegangan diterapkan membentangi struktur MOS, tegangan ini mengubah penyebaran muatan dalam semikonduktor. Umpamakan sebuah semikonduktor tipe-p (dengan NA merupakan kepadatan akseptor, p kepadatan lubang; p = NA pada badan netral), sebuah tegangan positif  dari gerbang ke badan membuat lapisan pemiskinan dengan memaksa lubang bermuatan positif untuk menjauhi antarmuka gerbang-isolator/semikonduktor, meninggalkan daerah bebas pembawa. Jika  cukup tinggi, kepadatan tinggi pembawa muatan negatif membentuk lapisan inversi dibawah antarmuka antara semikonduktor dan isolator. Umumnya, tegangan gerbang dimana kepadatan elektron pada lapisan inversi sama dengan kepadatan lubang pada badan disebut tegangan ambang.
Struktur badan tipe-p ini adalah konsep dasar dari MOSFET tipe-n, yang mana membutuhkan penambahan daerah sumber dan cerat tipe-n.

Struktur MOSFET dan formasi kanal

Sebuah transistor efek-medan semikonduktor–logam–oksida (MOSFET) adalah berdasarkan pada modulasi konsentrasi muatan oleh kapasitansi MOS di antara elektrode badan dan elektrode gerbang yang terletak di atas badan dan diisolasikan dari semua daerah peranti dengan sebuah lapisan dielektrik gerbang yang dalam MOSFET adalah sebuah oksida, seperti silikon dioksida. Jika dielektriknya bukan merupakan oksida, peranti mungkin disebut sebagai FET semikonduktor–logam–terisolasi (MISFET) atau FET gerbang–terisolasi (IGFET). MOSFET menyertakan dua saluran tambahan yaitu sumber dan cerat yang disambungkan ke daerah dikotori berat tersendiri yang dipisahkan dari daerah badan. Daerah tersebut dapat berupa tipe-p ataupun tipe-n, tetapi keduanya harus dari tipe yang sama, dan berlawanan tipe dengan daerah badan. Daerah sumber dan cerat yang dikotori berat biasanya ditandai dengan '+' setelah tipe pengotor. Sedangkan daerah yang dikotori ringan tidak diberikan tanda.
Jika MOSFET adalah berupa salur-n atau NMOS FET, lalu sumber dan cerat adalah daerah 'n+' dan badan adalah daerah 'p'. Maka seperti yang dijelaskan di atas, dengan tegangan gerbang yang cukup, di atas harga tegangan ambang, elektron dari sumber memasuki lapisan inversi atau salur-n pada antarmuka antara daerah-p dengan oksida. Kanal yang menghantar ini merentang di antara sumber dan cerat, dan arus dialirkan melalui kanal ini jika ada tegangan yang dikenakan di antara sumber dan cerat.
Jika tegangan gerbang dibawah harga ambang, kanal kurang terpopulasi dan hanya sedikit arus bocoran praambang yang dapat mengalir dari sumber ke cerat.

Moda operasi

Operasi dari MOSFET dapat dibedakan menjadi tiga moda yang berbeda, bergantung pada tegangan yang dikenakan pada saluran. Untuk mempermudah, perhitungan dibawah merupakan perhitungan yang telah disederhanakan.
Untuk sebuah MOSFET salur-n moda pengayaan, ketiga moda operasi adalah:

MOSFET gerbang ganda

MOSFET gerbang ganda mempunyai konfigurasi tetroda, dimana semua gerbang mengendalikan arus dalam peranti. Ini biasanya digunakan untuk peranti isyarat kecil pada penggunaan frekuensi radio dimana gerbang kedua gerang keduanya digunakan sebagai pengendali penguatan atau pencampuran dan pengubahan frekuensi.

FinFET

FinFET adalah sebuah peranti gerbang ganda yang diperkenalkan untuk memprakirakan flek kanal pendek dan mengurangi perendahan sawar diinduksikan-cerat.

MOSFET moda pemiskinan

Peranti MOSFET moda pemiskinan adalah MOSFET yang dikotori sedemikian rupa sehingga sebuah kanal terbentuk walaupun tidak ada tegangan dari gerbang ke sumber. Untuk mengendalikan kanal, tegangan negatif dikenakan pada gerbang untuk peranti salur-n sehingga "memiskinkan" kanal, yang mana mengurangi arus yang mengalir melalui kanal. Pada dasarnya, peranti ini ekivalen dengan sakelar normal-hidup, sedangkan MOSFET moda pengayaan ekivalen dengan sakelar normal-mati.
Karena peranti ini kurang berdesah pada daerah RF dan penguatan yang lebih baik, peranti ini sering digunakan pada peralatan elektronik RF.

Logika NMOS

MOSFET salur-n lebih kecil daripada MOSFET salur-p untuk performa yang sama, dan membuat hanya satu tipe MOSFET pada kepingan silikon lebih murah dan lebih sederhana secara teknis. Ini adalah prinsip dasar dalam desain logika NMOS yang hanya menggunakan MOSFET salur-n. Walaupun begitu, tidak seperti logika CMOS, logika NMOS menggunakan daya bahkan ketika tidak ada pensakelaran. Dengan peningkatan teknologi, logika CMOS menggantikan logika NMOS pada tahun 1980-an.

MOSFET daya

MOSFET daya memiliki struktur yang berbeda dengan MOSFET biasa. Seperti peranti semikonduktor daya lainnya. strukturnya adalah vertikal, bukannya planar. Menggunakan struktur vertikal memungkinkan transistor untuk bertahan dari tegangan tahan dan arus yang tinggi. Rating tegangan dari transistor adalah fungsi dari pengotoran dan ketebalan dari lapisan epitaksial-n, sedangkan rating arus adalah fungsi dari lebar kanal. Pada struktur planar, rating arus dan tegangan tembus ditentukan oleh fungsi dari dimensi kanal, menghasilkan penggunaan yang tidak efisien untuk daya tinggi. Dengan struktur vertikal, besarnya komponen hampir sebanding dengan rating arus dan ketebalan komponen sebanding dengan rating tegangan.
MOSFET daya dengan struktur lateral banyak digunakan pada penguat audio hi-fi. Kelebihannya adalah karakteristik yang lebih baik pada daerah penjenuhan daripada MOSFET vertikal. MOSFET vertikal didesain untuk penggunaan pensakelaran.

DMOS

DMOS atau semikonduktor–logam–oksida terdifusi–ganda adalah teknologi penyempurnaan dari MOSFET vertikal. Hampir semua MOSFET daya dikonstruksi dengan teknologi ini.