MOSFET

Fra Wikipedia, den frie encyklopædi

N-channels:
P-channels:
	depletion IGFET	enhancement IGFET

Transistor symboler for MOSFET som er ét eksempel på en IGFET

MOSFET er et akronym for Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, som på dansk kaldes metal-oxid-halvleder-felteffekttransistor.

En MOSFET er en af flere transistortyper, som er elektriske komponenter lavet af halvlederfaststof og formet som en chip og pakket ind i et hus med typisk tre eller fire ben (også kaldet terminaler). Deres formål i næsten al elektronik er at forstærke elektriske signaler (analog styring) eller fungere som en elektrisk kontakt (digital styring).

De fleste MOSFET i dag (2005) har feltaktive kanaler, der faktisk består af lagene halvleder-oxid-halvleder-FET, som burde have det engelske akronym SOSFET (Kilde side 5(144)(pdf)). MOSFET er i dag den mest almindelige og udbredte transistortype.

MOSFET anvendes i dag (2005) stort set i alle digitale kredsløb; digitalure, frekvenstællere, computere, hukommelseskredse (RAM, ROM) og CPUer - i form af integrerede kredsløb. Grunden til MOSFETs store udbredelse i dag er, at digitale kredsløb baseret på MOSFETs kun bruger energi i selve skifteøjeblikket. Det betyder digitale kredsløb baseret på MOSFETs bruger energi proportionalt med taktgiverens frekvens. F.eks. kan et digitalur med LCD-udlæsning, virke i mindst et år på et lille batteri.

[redigér] Faststofopbygning

MOSFETten består af en kanal n-type eller p-type halvledermateriale og bliver henholdsvis kaldet en NMOSFET eller en PMOSFET. Almindeligvis anvendes halvlederen silicium, men nogle chip-fabrikanter, især IBM, er begyndt at anvende legeringen af silicium og germanium (SiGe) i MOSFET kanalerne. Der findes halvledere med bedre elektriske egenskaber end silicium, som f.eks. galliumarsenid, men disse kan ikke danne den gode gate-oxid (SiO₂) og kan derfor ikke umiddelbart anvendes til MOSFET-fremstilling.

Gate-laget består af polysilicium (polykrystallinsk silicium); det forklares længere fremme hvorfor polysilicium anvendes) placeres over oxidet som igen er placeret på kanalen. Når en spændingsforskel lægges mellem gate-laget og source, vil der være et elektrisk felt og danne den såkaldte "inversionskanal" mellem source og drain. Inversionskanalen er af den samme type for både —p-type eller n-type— MOSFETene. Inversionskanalen udgør en leder hvor strøm kan passere. Ved at variere spændingsforskellen mellem gate og source, kan man ændre kanalens ledningsevne - og det er netop dét som gør det muligt at styre source-drain-strømmen.

[redigér] MOSFET operation

Tværsnit af en NMOSFET (NMOS) med vandret kanal.

En MOSFETs anvendelse kan deles i 3 arbejdsområder (NMOSFET) ^[1]:

1. Cut-off. V_GS < V_th hvor V_th er MOSFETtens tærskelspænding (en. threshold voltage).
- Der er ingen elektrisk ledning mellem drain og source (undtagen en svag utilsigtet lækstrøm).
2. Det lineare arbejdsområde eller triodearbejdsområdet (gammel betegnelse). Source-drain virker hovedsageligt som en ohmsk modstand: Når V_GS > V_th og V_DS < V_GS − V_th
- MOSFETten tillader nogen ledning mellem drain og source. Strømmen fra drain til source er; modelligning: $I_d = \frac{\mu_n C_{ox}}{2}\frac{W}{L}(2(V_{GS}-V_{th})V_{DS}-V_{DS}^2)$
3. Mætning (en. saturation): Når V_GS > V_th og V_DS > V_GS − V_th
- MOSFETten virker hovedsageligt som en styret strømgenerator mellem drain og source. Skillekurven mellem mætning og det lineare arbejdsområde kaldes pinch-off. drain-source strømmen er hovedsageligt uafhængigt af drain-source spændingen og drain-source strømmen bliver hovedsageligt styret af gate-source spændingen - modelligning: $I_d = \frac{\mu_n C_{ox}}{2}\frac{W}{L}(V_{GS}-V_{th})^2$

[redigér] MOSFET eksempler

Af eksempler på MOSFETs er der:

[redigér] Primær analog anvendelse

40673, 3N204, BF960, BF981, MPF122 kendte men gamle dobbelt-gate MOSFET med kanalen liggende parallelt med chipoverfladen.
BF996S, BF998, 3SK183, CF300 dobbelt-gate MOSFET.
CFY30 enkelt-gate MOSFET.
IC-kredse: TS271, TLC271 (enkelt operationsforstærker hvor forsyningshvilestrømmen kan vælges blandt 3 mulige).

[redigér] Primær digital anvendelse

CMOS 4000-serien (Philips...) eller 14000-serien (Motorola), primært til digital brug, fra 1970. Bruges stadig - især hvor strømforbruget skal være lavt:
- 4007, 4066, 4040...74C...
HC-serien high-speed CMOS (egentlig CSOS!) fra 1982 - Bruges stadig - især hvor strømforbruget skal være lavt og hastigheden høj:
- 74HC4066, 74HC4040, 74HC...
Der er kommet mange CMOS familier mere til...74AC, LV, LVC, ALVC...det er dem der anvendes i PowerPC og Pentium processorchips. Der er også hybrider mellem CMOS og TTL: BCT, LVT, ABT...

[redigér] Hybrid anvendelse (analog og digital)

IC-kredse: TLC3704CN (4 komparatorer med push-pull udgang), LP339N (CMOS udgave af LM339 komparatorkredsen med pull-down udgang), ICM7555=, TLC555, ZSCT1555, LMC555CD, MC1455 (CMOS udgaven af: 555=, SE555, NE555, LM555 taktgiverkredsen).