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 האקספוננציאלית 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.

היסטוריה
התאוריה של טרנזיטורי MOS פותחה בשנות ה-30 של המאה ה-20 כפועל יוצא משפופרת הריק והטריודה, אולם טכנולוגיית המוליכים למחצה לא הייתה קיימת אז.

טרנזיסטור ה-MOSFET הומצא על ידי המהנדסים מוחמד מ. אטאללה ודאון קאהנג במעבדות בל בשנת 1959, והוצג לראשונה ב-1960.

אופן הפעולה

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 N, ומוליך למחצה שרוב נושאי המטען החופשיים בו הם חורים (כלומר מצב שבו יש חוסר באלקטרונים), נקרא חומר P.

שמו של הטרנזיסטור, MOSFET, נגזר מאופן פעולתו: שדה חשמלי פועל על תעלה המחברת בין שני ההדקים ועשויה מוליך למחצה. 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 שני אזורים של חומר מוליך למחצה בעל אילוח הפוך - המקור (Source) והשפך (Drain). הכוונה היא שאם המצע עשוי מוליך למחצה מסוג P, אז המקור והשפך יהיו מסוג N (ראה איור), ולהפך.

מעל התעלה נמצא השער (Gate) - מגע מתכתי המבודד מהמוליך למחצה על ידי שכבה דקה של חומר מבודד - מבודד השער, המכונה גם 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, במצע יהיו הרבה חורים ומעט אלקטרונים חופשיים. לעומת זאת, במקור ובשפך, העשויים מחומר N, המצב הוא הפוך ונושאי מטען הרוב הם אלקטרונים.

בצורה זו הטרנזיסטור מתפקד כמתג:
 ללא הפעלת שדה חשמלי, נוצרים צומתי P-N בין התעלה למקור, ובין התעלה לשפך. צומתי P-N מהווים בפועל 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 להיות מוליך למחצה מסוג N. במצב כזה המגעים בין התעלה למקור ולשפך מפסיקים לתפקד בתור דיודה, ואין מחסום למעבר זרם בין המקור לשפך - והטרנזיסטור נמצא במצב פתוח. במצב זה הפרש מתחים הפועל בין המקור לבין השפך יביא לזרימת זרם ביניהם.

טרנזיסטור MOS בעל מצע מסוג P נקרא NMOS (משום שההולכה בו היא הולכה של אלקטרונים), ואילו טרנזיסטור בעל מצע מסוג N נקרא PMOS (שבו ההולכה היא של חורים). בתמונה למעלה מתואר טרנזיסטור NMOS.
טרנזיסטור סוג N נמוך יותר בהתנגדות התעלה מזה של סוג P עקב הבדלי ניידות אלקטרונים כנגד חורים.

סוגים 
ניתן לייצר את הטרנזיסטור בשתי טכנולוגיות: depletion mode ו-enhancement mode. ב-enhancement mode, המצע מאולח כך שאינו מוליך ללא מתח בשער. ב-depletion mode, המצע מאולח כך שיוליך ללא מתח כמעט במצב רוויה (ראו מטה). רוב טרנזיסטורי ה-MOSFET מיוצרים ב-enhancement mode, אך קיימים גם טרנזיסטורים מסוג NMOS בטכנולוגיית depletion.

חשיבות אורך התעלה 
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 משתכללת ומאפשרת ייצור טרנזיסטורים בעלי אורך תעלה הולך וקטן. 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 אורך התעלה בפועל, וקיימים לרוב הבדלים של עשרות אחוזים ביניהם. התחזית לגבי ההקטנה ההדרגתית של אורכי התעלה עם השנים זכתה לשם הפופולרי חוק מור.

מצבי פעולה

ניתן לחלק את התנהגותו של טרנזיסטור MOS ל-3 מצבי פעולה עיקריים, התלויים במתחים המופעלים על הדקיו, כאשר:  הוא המתח של השער (g) ביחס למקור (s),  הוא המתח של השפך (d) ביחס למקור, ו- הוא מתח הסף, כך שאם  הזרם בין השפך למקור זניח. התיאור הבא הוא מודל מקורב של התנהגות טרנזיסטור MOS בשלושת מצבי הפעולה. מודל זה שימושי לצורך ניתוח והבנה של התנהגות מעגל חשמלי, אך בכלי סימולציה מודרניים נעשה שימוש במודלים מורכבים ומדויקים בהרבה.

קטעון \ תת-הולכה 
כאשר , אין כמעט שכבת אינוורסיה, ולכן מהמקור לשפך חלש. במצב זה, הטרנזיסטור מעביר זרם חלש (זרמי זליגה) על ידי דיפוזיה כתלות במתחים  . הקשר בין המתח לזרם במצב זה הוא אקספוננציאלי, ומתקבל על ידי

כאשר  הוא רוחב התעלה,  אורך התעלה,  הטמפרטורה ו הם קבועים התלויים, בין השאר, בתהליכי הייצור של הטרנזיסטור.

ליניארי \ אוהמי 
כאשר , אך , נוצרת שכבת אינוורסיה, והטרנזיסטור מעביר זרם (על ידי סחיפה שנוצרת מן השדה החשמלי) בתלות במתח  אך גם במידת האינוורסיה שתלויה במתח . ככל שמתח השער עולה, יותר נושאי מטען מוזרקים מ ה-source אל התעלה, שכבת האינוורסיה גדלה, וזורם זרם חזק יותר בין המקור לשפך. במצב פעולה זה הטרנזיסטור מתנהג בקירוב כנגד, שהתנגדותו קטנה ככל ש גדל. הקשר בין המתח לזרם במצב זה מתקבל על ידי

סף המעבר בין מצב ליניארי למצב רוויה, , מוגדר כ .

רוויה 
כאשר , הטרנזיסטור מפסיק להתנהג כנגד. מהירות תנועת נושאי המטען בטרנזיסטור הגיעה לרוויה, תלות הזרם ב נחלשת משמעותית, והזרם תלוי בעיקר ב . במצב זה, ההתקן משמש בקירוב כמקור זרם מבוקר מתח, והקשר בין הזרם Ids למתח Vgs-Vt הוא ריבועי:

לקריאה נוספת
A.S. Sedra, K.C. Smith, Microelectronic Circuits, New York: Oxford, 2004

קישורים חיצוניים

 How Does a Transistor Work? סרטון הסבר בשפה האנגלית הממחיש את פעולת הטרנזיסטור 
 

ערכים שבהם תבנית בריטניקה אינה מתאימה
טרנזיסטורים