טרנזיסטור MOSFET

טרנזיסטור MOSFET (ראשי תיבות של Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), או טרנזיסטור תוצא שדה, הוא סוג של טרנזיסטור בו שדה חשמלי משפיע על התכונות של מוליך למחצה (לרוב סיליקון) ובכך מאפשר שליטה על הזרם החשמלי הזורם דרכו. זהו הטרנזיסטור הנפוץ ביותר כיום, והוא משמש בעיקר במעגלים לוגיים ספרתיים. ה-MOSFET הוא אבן בניין של האלקטרוניקה המודרנית, ואחד המכשירים המיוצרים ביותר בהיסטוריה. הטרנזיסטור עבר תהליכי הקטנה וייצור המוני עבור מגוון רחב של שימושים, תוך ביצוע מהפכה בתעשיית האלקטרוניקה ובכלכלה העולמית, ומהווה חלק חשוב במהפכה הדיגיטלית ובעידן המידע; תהליך ההקטנה של מכשירי MOSFET עם השנים האיץ את הגדילה המעריכית של טכנולוגיית המוליכים למחצה מאז שנות ה-60, ואפשר ייצור של מעגלים משולבים בצפיפות גבוהה, כגון מיקרו-מעבדים. ליבו של טרנזיסטור MOSFET הוא קבל MOS, אשר באמצעותו מושרה השדה החשמלי על המוליך למחצה ובכך פותח או סוגר את המתג. התאוריה של טרנזיטורי MOS פותחה על ידי ויליאם שוקלי בשנות ה-30 של המאה ה-20, כתחליף לשפופרת הריק והטריודה, אולם טכנולוגיית המוליכים למחצה לא הייתה מפותחת אז, והיה קושי מעשי לשלוט בתכונות החומרים, בעקבות זיהומים קטנים ששיבשו את אופן הפעולה של החומר. טרנזיסטור ה-MOSFET הומצא על ידי המהנדסים מוחמד מ. אטאללה ודאון קאהנג במעבדות בל בשנת 1959, והוצג לראשונה ב-1960. הטרנזיסטור בנוי משני סוגים של חומרים מוליכים למחצה (לרוב סיליקון) שעברו אילוח: חומר מסוג N‏ (negative) וחומר מסוג P‏ (positive). מוליך למחצה שרוב נושאי המטען החופשיים בו הם אלקטרונים, נקרא חומר מסוג N, ומוליך למחצה שרוב נושאי המטען החופשיים בו הם חורים (כלומר מצב שבו יש חוסר באלקטרונים), נקרא חומר מסוג P. שמו של הטרנזיסטור, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (בתרגום חופשי: טרנזיסטור אפקט-שדה מתכתי-תחמוצתי-מוליך למחצה), נגזר מאופן פעולתו: שדה חשמלי פועל על תעלה, העשויה מוליך למחצה, המחברת בין שני ההדקים. השדה החשמלי מביא למצב של היפוך של סוג נושאי המטען שבתעלה, מה שמאפשר לזרם לזרום דרכה. מרכז הטרנזיסטור עשוי מבסיס של חומר מוליך למחצה בעל אילוח (סימום) מסוים הנקרא מצע (Substrate). על המצע מושתלים בשני אזורים חומר מוליך למחצה בעל אילוח הפוך לאילוח המצע והם נקראים המקור (Source) והשפך (Drain). אם המצע עשוי מוליך למחצה מסוג P, אז המקור והשפך יהיו מסוג N (ראו איור), ולהפך. מעל התעלה נמצא השער (Gate), מגע מתכתי המבודד מהמוליך למחצה על ידי שכבה דקה של חומר מבודד הנקרא מבודד השער או 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, יהיו בו חורים רבים ומעט אלקטרונים חופשיים. לעומת זאת, במקור ובשפך, העשויים מחומר מסוג N, המצב הוא הפוך – נושאי מטען הרוב הם אלקטרונים. בצורה זו הטרנזיסטור מתפקד כמתג: ללא הפעלת שדה חשמלי נוצרים צומתי PN בין התעלה למקור ובין התעלה לשפך. צומתי PN מהווים 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 למוליך למחצה מסוג N. במצב כזה המגעים בין התעלה למקור ולשפך מפסיקים לתפקד בתור דיודה ואין מחסום לזרם בין המקור לשפך – הטרנזיסטור נמצא במצב פתוח. במצב זה הפרש מתחים בין המקור לבין השפך יביא לזרימת זרם בטרנזיסטור. טרנזיסטור MOS בעל מצע מסוג P נקרא nMOS (משום שההולכה בו היא הולכה של אלקטרונים, שמטענם שלילי), ואילו טרנזיסטור בעל מצע מסוג N נקרא pMOS (שבו ההולכה היא של חורים, שמטענם חיובי). בתמונה למעלה מתואר טרנזיסטור nMOS. התנגדות התעלה של טרנזיסטור nMOS נמוכה יותר מזו של pMOS משום שניידות האלקטרונים גבוהה מניידות החורים. טרנזיסטורי MOSFET (nMOS ו־pMOS) מתחלקים לשני סוגים:‏ סוג שיפור (enhancement mode) וסוג דלדול (depletion mode). בסוג השיפור, המצע מאולח כך שאינו מוליך ללא מתח בשער. בסוג הדלדול, המצע מאולח כך שיוליך ללא מתח כמעט במצב רוויה (ראו מטה). רוב טרנזיסטורי ה-MOSFET הם מסוג השיפור, אך קיימים גם טרנזיסטורי nMOS מסוג דלדול. הטרנזיסטור מתפקד כמתג חשמלי – הפעלת מתח על אחד ההדקים יוצרת שדה חשמלי שמאפשר זרימת זרם דרך שני ההדקים האחרים. ככל שאורך התעלה בה האלקטרונים נעים 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 השתכללה ואִפשרה ייצור טרנזיסטורים בעלי תעלה קצרה יותר ויתר. 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 את אורך התעלה בפועל, ולרוב קיימים הבדלים של עשרות אחוזים ביניהם. התחזית לגבי ההקטנה ההדרגתית של אורכי התעלה עם השנים זכתה לשם הפופולרי חוק מור. באלקטרוניקה אנלוגית, מחלקים את התנהגותו של טרנזיסטור MOS ל-3 מצבי פעולה עיקריים, התלויים במתחים המופעלים על הדקיו, כאשר V G S {\displaystyle V_{GS}} הוא המתח בין השער (G) למקור (S), V D S {\displaystyle V_{DS}} הוא המתח בין השפך (D) למקור, ו- V t {\displaystyle V_{t}} הוא מתח הסף, כך שאם V G S < V t {\displaystyle V_{GS}<V_{t}} אז הזרם בין השפך למקור זניח, כלומר המתג סגור. התיאור הבא הוא מודל מקורב של התנהגות טרנזיסטור MOSFET בשלושת מצבי הפעולה. מודל זה שימושי לצורך ניתוח והבנה של התנהגות מעגל חשמלי, אך בכלי הדמיה מודרניים נעשה שימוש במודלים מורכבים ומדויקים בהרבה. הניתוח להלן מתאים ל־nMOS מסוג שיפור (enhancement mode). עבור pMOS מסוג שיפור צריך להפוך את סימני האי־שוויונים ולהחליף את μ n {\displaystyle \mu _{n}} (ניידות אלקטרונים) ב־ μ p {\displaystyle \mu _{p}} (ניידות חורים). כאשר V G S < V t {\displaystyle V_{GS}<V_{t}} , אין כמעט תעלה של שכבת היפוך (שכבת אינוורסיה), ולכן הזרם מהמקור לשפך זניח. במצב זה, הטרנזיסטור מעביר זרם חלש (זרמי זליגה) על ידי פעפוע כתלות במתחים V G S {\displaystyle V_{GS}} ו־ V D S {\displaystyle V_{DS}} . הקשר בין המתח לזרם במצב זה הוא מעריכי, ומתקבל על ידי: I D = I D 0 W L e V G S n k T / q {\displaystyle I_{D}=I_{D0}{W \over L}e^{V_{GS} \over nkT/q}} כאשר W {\displaystyle W} הוא רוחב התעלה, L {\displaystyle L} הוא אורך התעלה, T {\displaystyle T} היא הטמפרטורה ו־ I D 0 , n , k , q {\displaystyle I_{D0},n,k,q} הם קבועים התלויים בתהליכי הייצור של הטרנזיסטור, בין השאר. כאשר V G S > V t {\displaystyle V_{GS}>V_{t}} אך V D S < V G S − V t {\displaystyle V_{DS}<V_{GS}-V_{t}} , נוצרת שכבת היפוך והטרנזיסטור מעביר זרם (על ידי סחיפה שנוצרת מן השדה החשמלי) כתלות במתח V D S {\displaystyle V_{DS}} אך גם במידת ההיפוך שתלוי במתח V G S {\displaystyle V_{GS}} . ככל שמתח השער עולה, יותר נושאי מטען מוזרקים מהמקור אל התעלה, שכבת ההיפוך גדלה, וזורם זרם חזק יותר בין המקור לשפך. במצב פעולה זה הטרנזיסטור מתנהג בקירוב כנגד, ולכן נקרא המצב "אוהמי". התנגדותו של הנגד קטנה ככל ש־ V G S {\displaystyle V_{GS}} גדל. הקשר בין המתח לזרם במצב זה מתקבל על ידי: I D = μ n C o x W L ( ( V G S − V t ) V D S − V D S 2 2 ) {\displaystyle I_{D}=\mu _{n}C_{ox}{W \over L}\left((V_{GS}-V_{t})V_{DS}-{\frac {V_{DS}^{2}}{2}}\right)} סף המעבר בין מצב ליניארי למצב רוויה מתרחש כאשר V G D = V t {\displaystyle V_{GD}=V_{t}} . במצב זה מתח המקור-שפך הוא V D S sat = V G S − V t {\displaystyle V_{DS_{\text{sat}}}=V_{GS}-V_{t}} . כאשר V D S > V D S sat {\displaystyle V_{DS}>V_{DS_{\text{sat}}}} , הטרנזיסטור מפסיק להתנהג כנגד; מהירות תנועת נושאי המטען בטרנזיסטור הגיעה לרוויה, תלות הזרם ב־ V D S {\displaystyle V_{DS}} נחלשת משמעותית והזרם תלוי בעיקר ב־ V G S {\displaystyle V_{GS}} . במצב זה, ההתקן משמש בקירוב כמקור זרם מבוקר מתח, והקשר בין הזרם I D {\displaystyle I_{D}} למתח V G S {\displaystyle V_{GS}} הוא ריבועי: I D = μ n C o x 2 W L ( V G S − V t ) 2 ( 1 + λ V D S ) {\displaystyle I_{D}={\frac {\mu _{n}C_{ox}}{2}}{\frac {W}{L}}\left(V_{GS}-V_{t}\right)^{2}\left(1+\lambda V_{DS}\right)} ניתן לנסח את התנאי למצב רוויה גם כ־ V G D < V t {\displaystyle V_{GD}<V_{t}} או כ־ V G − V t < V D {\displaystyle V_{G}-V_{t}<V_{D}} . שני התנאים שקולים לחלוטין ל־ V D S > V D S sat {\displaystyle V_{DS}>V_{DS_{\text{sat}}}} . A.S. Sedra, K.C. Smith, Microelectronic Circuits, New York: Oxford, 2004 מדיה וקבצים בנושא טרנזיסטור MOSFET בוויקישיתוף How Does a Transistor Work? סרטון הסבר בשפה האנגלית הממחיש את פעולת הטרנזיסטור טרנזיסטור שדה מתכת תחמוצת צורן, דף שער בספרייה הלאומית