MOSFET — металлооксидный полупроводниковый транзистор¶
MOSFET (от англ. Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, МОП-транзистор, МДП-транзистор) — полупроводниковый прибор, полевой транзистор с изолированным затвором, выполненный на основе структуры «металл — диэлектрик — полупроводник». Является наиболее массовым активным компонентом современной электроники: по оценкам отрасли, ежегодно производятся триллионы MOSFET, и они составляют основу подавляющего большинства интегральных схем.
¶Принцип работы
Ключевой особенность MOSFET является электрическая изоляция затвора от токоведущего канала слоем диоксида кремния (SiO₂) толщиной от единиц до сотен нанометров. Напряжение на затворе создаёт электрическое поле, которое индуцирует (или подавляет) проводимость канала между истоком и стоком. В отличие от биполярного транзистора, управление током осуществляется напряжением, а не током затвора, что обеспечивает высокое входное сопротивление (единицы ТОм при постоянном токе) и малый расход энергии на управление.
При подаче напряжения на затвор (для n-канального прибора — положительного) электроны из подложки и истока притягиваются к границе «кремний — SiO₂», образуя инверсионный слой — n-канал, соединяющий исток и сток. Ток начинает течь. Убирая напряжение, канал «закрывается», и ток прекращается.
¶Классификация
По типу канала MOSFET делятся на:
- n-канальные (NMOS) — канал образован электронами; более быстрые, поскольку подвижность электронов в кремнии примерно в 2,5 раза выше подвижности дырок;
- p-канальные (PMOS) — канал образован дырками; медленнее, но проще в схемотехнике.
По типу канала в выключенном состоянии:
- Enhancement-Mode (E-MOSFET, «усиление») — нормально закрытый; канал отсутствует при нулевом напряжении затвора. Наиболее распространённый тип.
- Depletion-Mode (D-MOSFET, «обеднение») — нормально открытый; канал существует физически и может быть обеднён приложенным напряжением.
По структуре:
- Планарные MOSFET — канал расположен у поверхности кристалла;
- С вертикальным каналом (VMOS, DMOS) — ток течёт перпендикулярно поверхности, что позволяет строить приборы с высоким напряжением и током;
- Trench MOSFET — канал расположен в канавке, вытравленной в кремнии; применяется в силовых приборах;
- LDMOS — диффузионный MOSFET с длинным каналом; широко используется в радиочастотных усилителях.
¶Силовые MOSFET
Особый класс — силовые MOSFET, рассчитанные на рабочие напряжения от единиц до сотен вольт и токи до сотен ампер. Их ключевой характеристикой является удельное сопротивление открытого канала R_DS(on), определяющее потери на проводимость. Для снижения R_DS(on) применяют:
- увеличение площади кристалла и параллельное соединение множества «элементарных» ячеек MOSFET;
- переход на карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN), которые допускают более высокие напряжения и температуры при меньших потерях.
Силовые MOSFET применяются в импульсных преобразователях напряжения, электроприводах, зарядных устройствах, инверторах солнечных панелей и системах управления двигателями.
¶MOSFET в интегральных схемах
В цифровой микроэлектронике MOSFET является основой логики. Стандартная логика CMOS (Complementary MOS) построена на паре n-канального и p-канального транзисторов, соединённых последовательно между шинами питания. В статическом состоянии один из транзисторов всегда закрыт, поэтому потребление тока ограничено токами утечки — это главный источник преимущества CMOS перед биполярной и другими логиками.
Масштабирование MOSFET (закон Мура) привело к переходу от микрометровых к субнатанометровым технологическим нормам. На современных техпроцессах 3–5 нм длины каналов измеряются десятками атомов, а структура транзистора эволюционировала от планарной (Planar) к трёхмерной FinFET и GAA (Gate-All-Around) с воротами, окружающими канал со всех сторон.
¶Основные параметры
| Параметр | Обозначение | Значение |
|---|---|---|
| Напряжение отсечки | V_th | 0,5–5 В |
| Напряжение сток-исток | V_DS | до 1000+ В (силовые) |
| Ток стока | I_D | от мкА до сотен А |
| Сопротивление открытого канала | R_DS(on) | от мΩ до кОм |
| Ёмкость затвора | C_iss | определяет скорость переключения |
| Рассеиваемая мощность | P_D | от мВт до кВт |
¶История
Идея полевого транзистора была предложена Юлиусом Лилиенфельдом ещё в 1925 году, однако отсутствие технологии получения качественных оксидных плёнок помешало её реализации. В 1959 году Мохамед Аталла и Давон Каханг в лабораториях Bell Labs изготовили первый работающий MOS-транзистор с кремниевой подложкой и термически выращенным SiO₂. В 1962 году были созданы первые интегральные схемы на MOS-транзисторах, а в 1963 году предложена CMOS-технология. В 2023 году Нобелевская премия по физике была присуждена Анне Л'Экйе, Ференцу Крауссу и Пьеру Агостини за методы генерации аттосекундных импульсов — отчасти за исследования динамики электронов в MOSFET-структурах.
¶Источники
- Справочник по радиоэлектронным компонентам. MOSFET-транзисторы.
- Шевчук С. Н. Транзисторы: справочник. — М.: Энергия.
- Данные производителей: Infineon Technologies, Texas Instruments, STMicroelectronics — технические описания силовых MOSFET.
- Sze S. M., Ng K. K. Physics of Semiconductor Devices. — Wiley.
