טרנזיסטור
סוגים של טרנזיסטורים > טרנזיסטור MOSFET

טרנזיסטור MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, או בקיצור FET) הוא הטרנזיסטור הנפוץ ביותר כיום, ומשמש בעיקר במעגלים לוגיים. שמו נגזר מאופן פעולתו – שדה חשמלי יוצר תעלה שבה קיים ריכוז גבוה של נושאי מטען, ולכן יכול לזרום בה זרם חשמלי. אופן הפעולה של טרנזיסטורי FET דומה לזה של הטריודה אולם טכנולוגיית המוליכים למחצה אפשרה בניית התקן מוקטן ללא צורך בשפופרת ריק (מצב מוצק). הטרנזיסטור מתפקד כמקור זרם תלוי-מתח – הפעלת מתח (שיוצר שדה חשמלי) מאפשרת זרימת זרם דרכו – וזה השימוש הדיגיטלי שלו. ככל שאורך התעלה קטן יותר, זמן המיתוג (מעבר ממצב של נתק למצב של העברת זרם) מתקצר. אורך התעלה הוא לכן אחד הפרמטרים החשובים ביותר בטכנולוגיה. עם השנים, הטכנולוגיה משתכללת, ומאפשרת ייצור טרנזיסטורים בעלי אורך תעלה הולך וקטן. אורך התעלה נמדד בננומטרים, לאחר שאורכי התעלה ירדו מסדר גודל של עשרות מיקרונים לננומטרים בודדים, ומשמש לעיתים קרובות לציון הרמה הטכנולוגית של המעגל משולב.
טרנזיסטור MOSFET בנוי מבסיס של חומר מוליך למחצה בעל אילוח מסוים – הנקרא מצע (Bulk) – כשעל המצע מושתלים שני אזורים של חומר מוליך למחצה בעל אילוח שונה, המקור (Source) והשפך (Drain). מעל ההתקן נמצא השער (Gate) – הדק מתכתי המבודד מהמוליך למחצה על ידי שכבה של חומר מבודד. בטרנזיסטורים העשויים מסיליקון המבודד הוא תחמוצת סיליקון, כמו זכוכית מסוג סיליקה.
כאשר המצע עשוי מחומר מוליך למחצה מסוג p, במצע יהיו הרבה חורים ומעט אלקטרונים חופשיים. האזורים המושתלים, לעומת זאת, עשויים מחומר n ולכן יש בהם הרבה אלקטרונים. על ידי הפעלת מתח חיובי על השער, ייווצר שדה חשמלי, שימשוך אלקטרונים מהמצע לעבר השער (הסבר מפורט ניתן למצוא בערך של קבל MOS). כך תיווצר שכבת אלקטרונים, שנקראת "שכבת אינוורסיה" (מלשון היפוך, שכן מדובר באזור p, שבו קיים לכאורה רוב של נושאי מטען חיוביים, אלא שהמתח בשער יוצר שכבה שבה רוב נושאי המטען הם שליליים) או "תעלה". כעת אם יופעל מתח חשמלי בין המקור לשפך, יזרום זרם אלקטרונים בין המקור לשפך דרך התעלה. 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.
לטרנזיסטור מסוג N התנגדות תעלה נמוכה יותר מזו של סוג P עקב הבדלי ניידות בין אלקטרונים וחורים.
ניתן לייצר את הטרנזיסטור בשתי טכנולוגיות, דלדול (depletion mode) והשבחה (enhancement mode). בהשבחה, המצע מאולח כך שאינו מוליך ללא מתח בשער, אך בדלדול, המצע מאולח כך שיוליך ללא מתח כמעט במצב רוויה (ראו מטה). רוב טרנזיסטורי ה־MOSFET מיוצרים בטכנולוגיית ההשבחה, אך קיימים גם טרנזיסטורים מסוג NMOS בטכנולוגיית דלדול.
ניתן לחלק את התנהגותו של טרנזיסטור MOS ל־3 מצבי פעולה עיקריים, התלויים במתחים המופעלים על הדקיו:
תת־הולכה (sub-threshold) – כאשר המתח על השער נמוך ממתח הסף, אין כמעט שכבת אינוורסיה, ולכן לא יכול לזרום זרם מהמקור לשפך. במצב זה, הטרנזיסטור מעביר זרם חלש (זרמי זליגה) על ידי דיפוזיה כתלות במתחים Vds ,Vgs.
ליניארי – כאשר המתח על השער גבוה ממתח הסף, נוצרת שכבת אינוורסיה, והטרנזיסטור מעביר זרם (על ידי סחיפה שנוצרת מן השדה החשמלי) בתלות במתח Vds אך גם במידת האינוורסיה שתלויה במתח Vgs (מתח השער). ככל שמתח השער עולה, יותר נושאי מטען מוזרקים מהמוצא אל התעלה, האינוורסיה גדלה, ההתנגדות קטנה ויכולה לאפשר זרם גדול יותר. במצב פעולה זה הטרנזיסטור מתנהג בקירוב כנגד בין השפך למקור (Drain to Source), והוא שימושי בעיקר למיתוג וניתוב של אותות חשמליים.
רוויה (saturation) – כאשר Vds גדול מ-Vgs-Vt, הטרנזיסטור מפסיק להתנהג כנגד. מהירות תנועת נושאי המטען בטרנזיסטור הגיעה לרוויה. הזרם לא יגדל כמעט עם הגדלת Vds. כדי להגדיל את הזרם יש לחזק את האינוורסיה על ידי הגדלת Vgs, במצב זה ההתקן משמש מקור זרם מבוקר מתח־שער למגבר.