MOSFET
Metallioksidi-puolijohdekanavatransistori eli eristehilatransistori () (lyh. MOSFET, MOS-FET tai MOS FET) on kaikkein yleisin kanavatransistori. Sitä käytetään sekä digitaalisissa että analogisissa piireissä. 
MOSFET koostuu "n-tyypin" tai "p-tyypin" puolijohdekanavasta ("semiconductor devices") ja sitä kutsutaan näin yleisesti nimityksillä: NMOSFET / PMOSFET, nMOSFET / pMOSFET, NMOS FET / PMOS FET, nMOS FET / pMOS FET ja jopa NMOS / PMOS.
Nimityksen osana oleva termi "metalli" on anakronismi varhaisista malleista, joissa hilat () todella olivat metallointia. Modernit integroidut piirit käyttävät polypii-hiloja.
Jänniteohjattuina FET:it ovat pitkälti elektroniputkien kaltaisia toisin kuin bipolaaritransistorit.
IGFET (insulated-gate field-effect transistor) on melkein synonyymi "MOSFET":ille vaikka se voi myös viitata FET:eihin joiden hila-eriste ei ole oksidia. Jotkut kirjoittavat suosivat "IGFET" termiä tarkoittaessaan komponentteja joissa on polypii-hilat, mutta useimmille ne ovat silti MOSFET:ejä.
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.
MOSFET:istä käytetään useita erilaisia piirrosmerkkejä. Perussymbolissa on tavallisesti viiva kanavana, johon "lähde" ja "nielu" liittyvät kohtisuorassa ja kääntyvät myöhemmin kanavan viivan suuntaisiksi. Joskus kanavan viiva on pätkinä viitaten avaustilaiseen ("enhancement mode") puolijohteeseen ja yhtenäisenä viitaten tyhjennystilaiseen ("depletion mode") puolijohteeseen, mutta koska katkoviivan piirto on hankalahkoa, tätä seikkaa ei yleensä piirretä. Kanavan rinnalle sitä koskettamatta piirretään toinen viiva "hilaksi".
Jos transistori on rakenteeltaan sellainen, että siinä on ns. bulk-liitäntä (planaarisella valmistusprosessilla ohuelle levylle tehtynä), se kerrotaan yleensä kanavan keskivaiheille laitettavalla nuolella joka merkitsee PMOS- tai NMOS-rakennetta. Nuoli osoittaa aina P:stä N:ään, eli NMOS-tapauksessa (n-kanava) nuolen kärki osoittaa kanavaan. Jos bulk on kiinni "lähteessä", mikä on tavallista yksittäisten komponenttien kanssa, nuoli kytketään "lähde"-kontaktiin. Joskus bulkkia ei piirretä ollenkaan (tavallista IC-piirien sisäisissä kytkennöissä joissa on yhteinen bulk), inversion-symbolina oleva pieni ympyrä esittää usein PMOSia.
Vertailussa avaus- ja tyhjennysmoodisten FETien piirrosmerkit, sekä JFET:in symbolit:
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 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 formula_1 on "aukkojen" tiheys) hilan (G) ja puolijohteen välinen positiivinen jännite formula_2 (katso kuvaa) vähentää aukkojen tiheyttä ja lisää vapaiden elektronien tiheyttä. Jos formula_2 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:in toiminta perustuu siis MOS-kapasitanssin läheisyydessä olevan varaustiheyden ohjaukseen. Kun hilan ja lähteen välille luodaan jännite-ero formula_4, 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 formula_4 muuttamalla voidaan säätää kanavan "johtavuutta" ja nieluvirran formula_6 suuruutta.
Jos MOSFET on "N-kanava"tyyppiä, lähde ja nielu ovat 'N+' alueita ja runko on 'P' aluetta. Kun hila-lähde-jännite (V) 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-kanava"tyypin 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.
Runkovaikutus (engl. "body effect") kuvaa "kynnysjännitteen" formula_7 muutosta riippuen "lähde-runko" -jännitteestä formula_8 ja se voidaan esittää yhtälöllä
missä:
Runkoa voi hallita toisella hilalla, jota usein kutsutaan näin "takahilaksi" ("back gate") ja runkovaikutusta kutsutaan joskus näin joskus nimellä: "back-gate effect".
MOSFET:in toiminta voidaan jaotella kolmeen eri moodiin riippuen sen yli vaikuttavista jännitteistä. Avaustilaiselle n-kanava MOSFETille ("enhancement mode, n-channel MOSFET"):
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.
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.
MOSFET:in edut digitaalisten piirien pääratkaisuna eivät kuitenkaan ole sellaisenaan edullisia analogisissa piireissä. "Bipolaaritransistoreita" on perinteisesti käytetty analogisten systeemien transistoreina pääasiassa niiden korkean transkonduktanssin ja ainutlaatuisten ominaisuuksien vuoksi, mutta MOSFET:eilläkin on analogiset käyttötarkoituksensa.
Eräät MOSFET:in edut johtuvat sen positiivisesta lämpötilakertoimesta. Ne eivät ylikuumenene hallitsemattomasti kuten bipolaariset transistorit. Lisäksi MOSFET:ejä voi lineaarisella toiminta-alueellaan käyttää tarkkaan aseteltavina vastuksina, joiden säätöalue on myös bipolaareja paljon laajempi. MOSFET:ejä voi myös käyttää kondensaattoreina ja sopivalla operaatiovahvistinkytkennällä ne voidaan saada näyttämään keloilta. Kaikkiaan MOSFET:illa voidaan simuloida kaikki komponentit lukuun ottamatta diodeja, jotka ovat diskreetteinä MOSFETeja pienempiä. Tämä mahdollistaa täydellisten analogisten kytkentöjen teon integroituna piille hyvin pieneen tilaan. Jotkin integroidut piirit sisältävät analogisia ja digitaalisia MOSFET rakenteita pienentäen piirikortin kokotarvetta.
Tällainen tuo tarvetta eristää analogisia ja digitaalisia rakenteita piiritasolla. Siihen on luotu tekniikoiksi eristämisrenkaita ja "Silicon-On-Insulator" (SOI). Bipolaaritransistorin etu MOSFETiin nähden on Bipolaarin kyky käsitellä isompaa virtaa pienemmällä alalla.
Valmistustekniikat on olemassa bipolaaristen transistorien ja MOSFETien integrointiin samalle piipalalle. Tällaisia sekatransistoritekniikkapiirejä kutsutaan Bi-FET:eiksi (Bipolar-FET) jos niissä on vain yhden sorttisia bipolaareja ja FETejä, sekä BiCMOS (Bipolar-CMOS) jos niissä on komplementaarisia rakenteita. Tällaiset rakenteet tuovat yleensä molempien edut: eristetty hila ja korkea virrankäsittelykyky.
Bipolaaritransistorilla on myös hieman etuja MOSFETiin nähden. Bipolaarit ovat parempia ainakin kahdessa tehtävässä:
Monet mikropiirit käyttävätkin MOSFET inputteja ja BiCMOS outputteja.
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.
Pienikokoisemmat MOSFETit ovat haluttuja kolmesta syystä:
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.
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.
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.
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.