טרנזיסטור MOSFET

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
מבנה טרנזיסטור MOSFET. בעת העברת מתח חשמלי במגע (Gate), הטרנזיסטור יאפשר זרימת אלקטרונים מהמקור (Source) לשפך (Drain)

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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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[עריכת קוד מקור | עריכה]

מבנה טרנזיסטור MOSFET מסוג NMOS

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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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[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.
  • 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 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:

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