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

¶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.