קבל MOS

קַבָּל MOS (ראשי תיבות של Metal Oxide Semiconductor) הוא התקן מוליך למחצה המהווה קבל. מידת הקיבול של ההתקן תלויה במתח המופעל עליו. לקבל חשיבות רבה במיקרואלקטרוניקה, בעיקר משום שהוא לב-ליבו של טרנזיסטור MOSFET, המהווה אבן הבניין של מעבדים מודרניים והתקנים חשובים נוספים. חשיבותו של קבל MOS והשימושיות שלו נובעות מהעובדה שבאמצעותו ניתן להשפיע על התכונות האלקטרוניות של המוליך למחצה, מבלי להעביר דרכו זרם. בנוסף לכך, קבלי MOS מהווים את הבסיס גם להתקני CCD ובסוגים מסוימים של זכרונות פלאש (כחלק מטרנזיסטור). קבל MOS מכונה לפעמים גם קבל MIS (ראשי תיבות של metal insulator semiconductor), המהווה שם מדויק יותר משום שהמבודד לא חייב להיות תחמוצת (אם כי לרוב זה אכן המקרה). עם זאת השם MOS הוא הנפוץ ביותר עבור ההתקן. כפי שניתן להבין משמו של הקבל, הוא בנוי ממצע של מוליך למחצה, עליו מגודלת או שקועה שכבה של מבודד או מבודדים, ועליה מגע מתכתי בעל שטח מוגדר. בדרך כלל המוליך למחצה מהווה גם את המצע להתקן, והוא לרוב יהיה חד-גבישי. ההתקנים הנפוצים ביותר מבוססים על פרוסה של גביש יחיד של סיליקון. שכבה דקה של מבודד מגודלת או שקועה על פני השטח של המוליך למחצה והיא מכונה גם תחמוצת השער (gate oxide), מבודד השער ובתעשייה מקצרים לעיתים לאוקסיד. בהתקנים מודרניים עובי השכבה הוא ננומטרים בודדים בלבד. ברוב המכריע של המקרים המבודד הוא תחמוצת. מראשית ימי שבבי הסיליקון נעשה שימוש בתחמוצת סיליקון (SiO2). תחמוצת זו תפקדה היטב מאז ראשית ימי התקני הסיליקון המסחריים אולם התקדמות הטכנולוגיה והמזעור הבלתי-פוסק של ההתקנים הביאו לדרישות שתחמוצת הסיליקון לא יכלה לעמוד בהן. לאחר למעלה מעשור של מחקר בחומרים בעלי מקדם דיאלקטרי גבוה (High-k dielectrics), חברת אינטל הוציאה לשוק בשנת 2007 את המעבד הראשון בעל תחמוצת שער המבוססת על תחמוצת הפניום. המגע מתכתי העליון משוקע על גבי המבודד, ונקרא אלקטרודת השער (gate electrode) או שער. גם כאן השם מטעה משום שבמשך שנים רבות, עד להחלפת תחמוצת הסיליקון נעשה שימוש במוליך למחצה מנוון (degenerately doped), אשר החליף את האלומיניום שהיה נהוג לפניו. מל"מ מנוון הוא מל"מ בעל אילוח כבד כך שרמת פרמי שלו נמצאת בתוך פס ההולכה או פס הערכיות, ויש הקבלה בין חלק מתכונותיו לבין תכונות של מתכת. כאשר הוחלפה תחמוצת הסיליקון היה צורך להחליף גם את אלקטרודת השער בחזרה למתכת (או סגסוגת), בעיקר מסיבות של יציבות תרמית של החומרים. לצרכים דידקטיים, נהוג לתאר קבל MOS אידיאלי שהוא המודל הפשטני ביותר המאפשר לתאר את אופני הפעולה של הקבל . מודל זה אינו מציאותי עבור קבלי MOS מעשיים, אך עם זאת, ניתן לגשר על הפער באמצעות תיקונים שהם לעיתים קרובות פשוטים למדי. במודל של קבל MOS אידיאלי מבצעים את ההנחות הבאות: המטענים חשמליים במבודד ובממשקים שלו עם המוליך למחצה ועם המתכת הם זניחים. המלכודות והמצבים האלקטרוניים בפני השטח של המוליך למחצה הם זניחים. פונקציות העבודה של המתכת ושל המוליך למחצה זהות. קבל ה-MOS פועל בצורות שונות עבור תחומי מתחים שונים שמופעלים עליו. (הערות: אופן הפעולה של הקבל מתואר כאן עבור מוליך למחצה מסוג P, אולם ההסבר נכון גם עבור מוליך למחצה מסוג N, עם שינויים המתאימים במתחים ובמבנה הפסים. המצבים השונים יתוארו לפי סדר המתחים הפועלים על השער, החל מערכי מתחים שליליים וכלה בערכי מתחים חיוביים, כאשר המתח אליו נתייחס הוא המתח על הקוטב המתכתי של הקבל, שהפוך בערכו למתח שמופעל על המוליך למחצה.) כאשר מופעל מתח שלילי ('ממתח אחורי') על השער, השדה החשמלי שנוצר מושך חורים אל פני השטח של המוליך למחצה, ואלקטרונים יצטברו על פני השטח של המתכת בקרבה למבודד. לחלופין ניתן לתאר זאת בתור כיפוף פסים כלפי מעלה של המל"מ בקרבת המבודד (כאשר רמת פרמי נשארת קבועה), אשר משמעותו שפס הערכיות מתקרב עוד יותר לרמת פרמי, מה שמתבטא בעליה בריכוז החורים על פני השטח של המל"מ. במצב זה, הגדלה של מתח השער השלילי, תביא להגדלה של כיפוף הפסים מעלה, או להצטברות של יותר חורים בפני השטח של המל"מ (מטען פני שטח) - ולכן הוא נקרא מצב אקומולציה. בתחום זה, הקיבול של ההתקן הוא הקיבול של המבודד, והוא אינו תלוי במתח - בדיוק כמו קבל קונבנציונלי. כאשר המתח השלילי המופעל על השער קטֵן ומתקרב (או מגיע) לערכים חיובים, במתח מסוים כיפוף הפסים במוליך למחצה יהיה שווה לאפס. כלומר, הפסים במוליך למחצה יהיו ישרים. המתח על השער עבורו הפסים במוליך למחצה הם ישרים נקרא מתח יישור הפסים (Flatband voltage) והוא מסומן VFB. למתח יישור הפסים יש חשיבות דרסטית בביצועים של התקנים המתבססים על קבל MOS, ובפרט בביצועי טרנזיסטור MOSFET. במודל הפשטני של קבל MOS אידיאלי מתח יישור הפסים הוא בדיוק 0 וולט. בקבל MOS מעשי מתח יישור הפסים תלוי בהפרש פונקציות העבודה בין המתכת לבין המוליך למחצה, בסה"כ המטענים במבודד ובפני השטח שלו, ובצפיפות המלכודות והמצבים בפני השטח של המוליך למחצה. עבור מוליך למחצה מסוג P, אם מתח השער הוא חיובי יותר ממתח יישור הפסים, אזי הפסים בקרבת פני השטח של המל"מ יתכופפו כלפי מטה. במילים אחרות, רמת פרמי מתרחקת מפס הערכיות ולכן המל"מ הופך להיות "פחות" מסוג P. המשמעות היא שבקרבת פני השטח של המל"מ יש פחות חורים בהשוואה לגוף המל"מ, כלומר: אזור פני השטח של המל"מ מדולדל מחורים, ולכן תחום המתחים הזה נקרא מִחְסוּר. האזור בו אין חורים נקרא אזור הדלדול (depletion region). ניתן לראות תהליך זה גם באופן הבא: במתחי שער חיוביים (ביחס למתח יישור הפסים), מצטבר מטען חיובי על השער. בקבל קונבנציונלי המצאות של מטען חיובי על לוח אחד תשרה מטען שלילי על הלוח השני. בקבל MOS עם מל"מ מסוג P, בצד של המל"מ יש בעיקר נושאי מטען חיוביים. המטען החיובי על המתכת "דוחה" את המטענים החופשיים החיוביים במל"מ (החורים) במקום "למשוך" מטענים שליליים. באופן פשטני זהו ההבדל העיקרי בין קבל קונבנציונלי לקבל MOS. האזור בו חסרים חורים נקרא אזור הדלדול. הירידה בריכוז החורים בקרבת פני השטח של המל"מ משמעה שבמצב זה אטומי המאלחים המיוננים (אקספטורים בעלי מטען שלילי עבור מל"מ P) מהווים מטען מרחבי שלילי ונייח (וזאת בניגוד לחורים שהם נושאי מטען ניידים). ככל שמתח השער החיובי גדל, הפסים של המל"מ בקרבת פני השטח מתכופפים יותר, רמת פרמי מתקרבת למצב האינטרינזי (בקירוב באמצע הפער האסור), יש פחות חורים בקרבה לפני השטח של המל"מ, והעומק של אזור הדלדול גדל עם הגדלת המתח על השער. המטען החיובי על המתכת מתאזן עם המטען השלילי באזור הדלדול, ובכך נשמרת נייטרליות חשמלית (סך-כל המטען על הקבל בשיווי משקל נשאר אפס). במצב זה הקיבול הכללי הוא סכום בטור של שני קבלים: קבל המבודד (אותו קיבול כמו במצב אקומולציה), ואזור הדלדול מהווה קבל נוסף. בחיבור בטור של קבלים הקיבול הכולל תמיד יהיה קטן מהקיבול הקטן ביותר (בדיוק כמו בחיבור נגדים במקביל). ככל שהמתח החיובי על השער גדל כך גדל עומק אזור הדלדול, הקיבול שלו יורד, ולכן הקיבול הכללי של קבל ה-MOS יורד בצורה חדה. בתחום הדלדול השינויים בקיבול כתלות במתח הם החדים ביותר. כאשר מתח השער מספיק גדול, כיפוף הפסים בפני השטח של המוליך למחצה מספיק גדול כך שרמת פרמי חוצה את רמת פרמי האינטרינזית (הנמצאת בקירוב באמצע הפס האסור). במצב כזה, בעקבות גנרציה תרמית, קרוב מאוד לפני השטח יש יותר אלקטרונים מחורים, אף על פי שמדובר במל"מ מסוג P. במילים אחרות: קיים היפוך (אינוורסיה) של סוג נושאי מטען הרוב קרוב מאוד לפני השטח. התכונה הזו מהווה את הבסיס לפעולתו של טרנזיסטור MOSFET. במצב כזה הגדלה של מתח השער לא תגדיל יותר את אזור הדלדול, והמטען יאוזן על ידי נושאי מטען ההיפוך בפני השטח של המל"מ. היפוך חזק מתחיל בנקודה ספציפית בתחום ההיפוך, בה המרחק של רמת פרמי מרמת פרמי האינטרינזית בפני השטח של המל"מ זהה למרחק שלה רחוק מהצומת, אולם בכיוון ההפוך. במילים אחרות, צפיפות מטען המיעוט (האינוורסיה) בפני השטח של המל"מ זהים לצפיפות נושאים מטען הרוב רחוק מפני השטח של המל"מ. מתח השער בה מתרחש מקרה זה נקרא מתח הסף של טרנזיסטור MOSFET, הנקודה בה הוא מוגדר כ"פתוח". למתח זה חשיבות רבה בתכנון של התקנים ומעגלים. כאשר הקבל נמצא במצב היפוך תחת מתח שער הנמוך ממתח הסף המצב נקרא גם היפוך חלש (weak inversion), וכאשר הוא גבוה ממתח הסף התחום נקרא היפוך חזק. טרנזיסטור MOSFET מוליך למחצה מאולח מיקרואלקטרוניקה High-k dielectrics, English Wikipedia Physics of Semiconductor Devices, S. M. Sze. New York: Wiley, 1969, ISBN 0-471-84290-7; 2nd ed., 1981, ISBN 0-471-05661-8; 3rd ed., with Kwok K. Ng, 2006