טרנזיסטור MOSFET

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
Gnome-edit-clear.svg ערך זה זקוק לעריכה: הסיבה לכך היא: כתיבה לא אנציקלופדית, למשל "כעת אם נפעיל מתח חשמלי".
אתם מוזמנים לסייע ולתקן את הבעיות, אך אנא אל תורידו את ההודעה כל עוד לא תוקן הדף. אם אתם סבורים כי אין בדף בעיה, ניתן לציין זאת בדף השיחה.

טרנזיסטור MOSFET (ראשי תיבות של Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) הוא טרנזיסטור בו שדה חשמלי קובע את ההולכה של מוליך למחצה ובכך את הזרם החשמלי הזורם דרך הרכיב.

היסטוריה[עריכת קוד מקור | עריכה]

מבנה טרנזיסטור MOSFET מסוג NMOS

טרנזיסטור MOSFET הוא הטרנזיסטור הנפוץ ביותר כיום, והוא משמש בעיקר במעגלים לוגיים ספרתיים. שמו נגזר מאופן פעולתו - שדה חשמלי יוצר תעלה שבה קיים ריכוז גבוה של נושאי מטען, ולכן יכול לזרום בה זרם חשמלי. 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. הטרנזיסטור מתפקד כמקור זרם מבוקר - הפעלת מתח יוצרת שדה חשמלי שמאפשר זרימת זרם דרכו - וזה השימוש העיקרי שלו. ככל שאורך התעלה יהיה קטן יותר, כך תקטן התנגדות הטרנזיסטור, והוא יוכל להתמתג (לעבור ממצב של נתק למצב של העברת זרם) מהר יותר. אורך התעלה הוא לכן אחד הפרמטרים החשובים ביותר בטכנולוגיה. עם השנים, הטכנולוגיה משתכללת ומאפשרת ייצור טרנזיסטורים בעלי אורך תעלה הולך וקטן. אורך התעלה נמדד במיקרונים ומשמש לעתים קרובות לציון הרמה הטכנולוגית של המעגל משולב. אורכי התעלה ירדו מסדר גודל של עשרות בודדות של מיקרונים לעשרות ננומטרים.

אופן הפעולה[עריכת קוד מקור | עריכה]

הטרנזיסטור בנוי מבסיס של חומר מוליך למחצה בעל אילוח מסוים - הנקרא מצע (Bulk). על המצע מושתלים שני אזורים של חומר מוליך למחצה בעל אילוח שונה - המוצא (Source) והשפך (Drain). מעל ההתקן נמצא השער (Gate) - הדק מתכתי המבודד מהמוליך למחצה על ידי שכבה של חומר מבודד. בטרנזיסטורים העשויים מסיליקון מהווה תחמוצת סיליקון מבודד טוב.

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 בעיקרון הפעולה של קבל). 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 נפעיל 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. טרנזיסטור סוג N נמוך יותר בהתנגדות התעלה מזה של סוג P עקב הבדלי ניידות אלקטרונים כנגד חורים.

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.

מצבי פעולה[עריכת קוד מקור | עריכה]

מצבי הפעולה של טרנזיסטור MOSFET

ניתן לחלק את התנהגותו של טרנזיסטור MOS ל-3 מצבי פעולה עיקריים, התלויים במתחים המופעלים על הדקיו, אשר הם: Vgs הוא המתח של השער ביחס למקור, Vds הוא המתח של השפך ביחס למקור, ו-Vt הוא מתח הסף שמתחתיו אין זרם בטרנזיסטור.

  • קטעון (או תת-הולכה) - 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.
  • לינארי - 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 מ ה-source אל התעלה, האינוורסיה גדלה, ההתנגדות קטנה ויכולה לאפשר זרם גדול יותר. במצב פעולה זה הטרנזיסטור מתנהג בקירוב כנגד בין המקור לשפך Drain to Source, והוא שימושי בעיקר למיתוג וניתוב של אותות חשמליים.
  • רוויה - 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. הקשר בין הזרם Ids למתח Vgs-Vt הוא ריבועי: I_{ds} \propto (V_{gs}-V_T)^2

לקריאה נוספת[עריכת קוד מקור | עריכה]

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

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]

ויקישיתוף מדיה וקבצים בנושא טרנזיסטור MOSFET בוויקישיתוף