Войти
 МОП-транзистор, показывающий клеммы затвора (G), корпуса (B), истока (S) и стока (D). Ворота отделены от корпуса изоляционным слоем (розового цвета). | |
| Принцип работы | Полупроводник |
|---|---|
| Изобрел | 1959 г. |
| Первое производство | 1960 г. |
| Конфигурация контактов | затвор (G), корпус (B), исток (S) и сток (D) |
Радиатор и дискретный MOSFET-транзистор Металл-оксид-полупроводник полевой транзистор ( МОП - транзистор, МОП - транзистор, или МОП - полевой транзистор), также известный как транзистор металл-оксид-кремний ( МОП - транзистор или МОП), представляет собой тип с изолированным затвором полевого транзистор, который изготавливают с помощью контролируемого окисления в виде полупроводника, обычно кремния. Напряжение закрытого затвора определяет электропроводность устройства; эта способность изменять проводимость в зависимости от приложенного напряжения может использоваться для усиления или переключение электронных сигналов.
МОП-транзистор был изобретен Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году и впервые представлен в 1960 году. Это основной строительный блок современной электроники и наиболее часто производимое устройство в истории, общая стоимость которого оценивается в 13 секстиллионов. (1,3 × 10 22) МОП-транзисторы, произведенные в период с 1960 по 2018 год. Это доминирующее полупроводниковое устройство в цифровых и аналоговых интегральных схемах (ИС), а также наиболее распространенное устройство питания. Это компактный транзистор, который был миниатюризирован и серийно производился для широкого спектра применений, революционизировал электронную промышленность и мировую экономику и стал центральным элементом цифровой революции, эпохи кремния и информационного века. Масштабирование и миниатюризация полевых МОП-транзисторов стимулировали быстрый экспоненциальный рост электронных полупроводниковых технологий с 1960-х годов и позволяют создавать ИС высокой плотности, такие как микросхемы памяти и микропроцессоры. MOSFET считается «рабочей лошадкой» электронной промышленности.
Ключевым преимуществом полевого МОП-транзистора является то, что он почти не требует входного тока для управления током нагрузки по сравнению с транзисторами с биполярным переходом (BJT). В полевом МОП-транзисторе в режиме улучшения напряжение, приложенное к выводу затвора, может увеличить проводимость из состояния «нормально выключено». В режиме истощения MOSFET напряжение, приложенное к затвору, может снизить проводимость от «нормально включенного» состояния. MOSFET-транзисторы также обладают высокой масштабируемостью при увеличивающейся миниатюризации и могут быть легко уменьшены до меньших размеров. Они также имеют более высокую скорость переключения (идеально подходит для цифровых сигналов ), гораздо меньший размер, потребляют значительно меньше энергии и обеспечивают гораздо более высокую плотность (идеально для крупномасштабной интеграции ) по сравнению с BJT. Полевые МОП-транзисторы также дешевле и имеют относительно простые этапы обработки, что приводит к высокой производительности.
МОП-транзисторы могут быть изготовлены как часть интегральных схем МОП-транзисторов или как дискретные МОП-транзисторы (например, силовые МОП-транзисторы ) и могут иметь форму транзисторов с одним или несколькими затворами. Поскольку полевые МОП-транзисторы могут быть изготовлены из полупроводников p-типа или n-типа ( логика PMOS или NMOS соответственно), дополнительные пары полевых МОП-транзисторов могут использоваться для создания схем переключения с очень низким энергопотреблением : логика CMOS (дополнительная МОП).
Название «металл – оксид – полупроводник» (МОП) обычно относится к металлическому затвору, оксидной изоляции и полупроводнику (обычно кремнию). Однако «металл» в названии MOSFET иногда используется неправильно, потому что материал затвора также может быть слоем поликремния (поликристаллического кремния). Наряду с оксидом можно использовать различные диэлектрические материалы с целью получения прочных каналов с меньшими приложенными напряжениями. Конденсатор MOS также является частью структуры MOSFET.
Поперечное сечение полевого МОП-транзистора, когда напряжение затвора V GS ниже порогового значения для создания проводящего канала; между выводами стока и истока проводимость низкая или отсутствует; выключатель выключен. Когда затвор более положительный, он притягивает электроны, создавая проводящий канал n- типа в подложке под оксидом, что позволяет электронам течь между n- легированными выводами; переключатель включен. 
Моделирование формирования канала инверсии (электронной плотности) и достижения порогового напряжения (IV) в полевом МОП-транзисторе с нанопроволокой. Примечание: пороговое напряжение для этого устройства составляет около 0,45 В. Основной принцип полевого транзистора (FET) был впервые предложен австрийским физиком Юлиусом Эдгаром Лилиенфельдом в 1926 году, когда он подал первый патент на полевой транзистор с изолированным затвором. В течение следующих двух лет он описал различные структуры полевых транзисторов. В его конфигурации алюминий образовывал металл, а оксид алюминия - оксид, а сульфид меди использовался в качестве полупроводника. Однако построить практичный рабочий прибор ему так и не удалось. Позднее концепция полевого транзистора была предложена немецким инженером Оскаром Хейлем в 1930-х годах и американским физиком Уильямом Шокли в 1940-х годах. В то время не существовало работающего практического полевого транзистора, и ни одно из этих ранних предложений полевого транзистора не касалось термически окисленного кремния.
Полупроводниковые компании первоначально сосредоточились на транзисторах с биполярным переходом (BJT) в первые годы полупроводниковой промышленности. Однако соединительный транзистор был относительно громоздким устройством, которое было трудно производить в серийном производстве, что ограничивало его ряд специализированных применений. Полевые транзисторы теоретизировались как потенциальная альтернатива переходным транзисторам, но исследователи не смогли создать практические полевые транзисторы, в основном из-за проблемного барьера поверхностного состояния, который не позволял внешнему электрическому полю проникать в материал. В 1950-х годах исследователи в значительной степени отказались от концепции полевого транзистора и вместо этого сосредоточились на технологии BJT.
В 1955 году Карл Фрош и Линкольн Деррик случайно покрыли поверхность кремниевой пластины слоем диоксида кремния. При последующей экспериментальной характеристике этого оксидного слоя они обнаружили, что он блокирует проникновение определенных примесей в кремниевую пластину (несмотря на то, что разрешены другие), и тем самым обнаружили пассивирующий эффект поверхностного окисляющего слоя на этот полупроводник. Их дальнейшая работа продемонстрировала вытравливание небольших отверстий в оксидном слое для диффузии легирующих добавок в точно контролируемые области кремниевой пластины. В 1957 году они опубликовали исследовательскую работу и запатентовали свою методику, обобщающую их работу. Разработанный ими метод известен как маскирование диффузии оксидов, которое позже будет использоваться при производстве полевых МОП-транзисторов. В Bell Labs сразу же осознали важность техники Фроша, поскольку оксиды кремния намного более стабильны, чем оксиды германия, имеют лучшие диэлектрические свойства и в то же время могут использоваться в качестве диффузионной маски. Результаты их работы распространились по Bell Labs в виде записок BTL до того, как были опубликованы в 1957 году. В Shockley Semiconductor Шокли разослал препринт своей статьи в декабре 1956 года всем своим старшим сотрудникам, включая Джин Хорни.
Мохамед М. Аталла (слева) и Давон Канг (справа) изобрели полевой МОП-транзистор в 1959 году. Мохамед М. Аталла из Bell Labs в конце 1950-х годов занимался проблемой поверхностных состояний. Он поднял работу Фроша на окисление, пытаясь пассивации поверхности из кремния через формирование оксидного слоя над ним. Он думал, что растет очень тонкий высокое качество термически выращенного Si O 2 на верхней части чистой кремниевой пластины нейтрализует поверхностные состояния достаточно, чтобы сделать практическое рабочее полевой транзистор. Он написал свои открытия в своих записках BTL в 1957 году, прежде чем представить свою работу на собрании Электрохимического общества в 1958 году. Это было важным достижением, которое сделало возможным использование МОП-технологий и кремниевых интегральных схем (ИС). В следующем году Джон Л. Молл описал МОП-конденсатор в Стэнфордском университете. Сотрудникам Аталлы JR Ligenza и WG Spitzer, которые изучили механизм термически выращенных оксидов, удалось изготовить высококачественный пакет Si / SiO 2, а Аталла и Канг воспользовались их результатами.
MOSFET был изобретен, когда Мохамед Аталла и Давон Канг успешно изготовили первое работающее устройство MOSFET в ноябре 1959 года. Устройство защищено двумя патентами, каждый из которых был подан Аталлой и Кангом в марте 1960 года. Конференция по твердотельным устройствам в Университете Карнеги-Меллона. В том же году Аталла предложила использовать полевые МОП-транзисторы для создания микросхем МОП-интегральных схем (МОП-ИС), отметив простоту изготовления полевых МОП -транзисторов.
Преимущество полевого МОП-транзистора состояло в том, что он был относительно компактным и простым в массовом производстве по сравнению с конкурирующим транзистором с планарным переходом, но МОП-транзистор представлял собой радикально новую технологию, внедрение которой потребовало бы отказа от прогресса, достигнутого Беллом в разработке новых технологий. биполярный переходной транзистор (BJT). MOSFET также изначально был медленнее и менее надежен, чем BJT.
В начале 1960-х годов программы исследования технологии МОП были созданы Fairchild Semiconductor, RCA Laboratories, General Microelectronics (во главе с бывшим инженером Fairchild Фрэнком Ванлассом ) и IBM. В 1962 году Стив Р. Хофштейн и Фред П. Хейман из RCA создали первый чип интегральной схемы МОП. В следующем году они собрали все предыдущие работы по полевым транзисторам и представили теорию работы полевых транзисторов. CMOS была разработана Chih-Tang Sah и Frank Wanlass в Fairchild в 1963 году. Первая интегральная схема CMOS была позже построена в 1968 году Альбертом Медвином.
Первое официальное публичное объявление о существовании MOSFET в качестве потенциальной технологии было сделано в 1963 году. Впервые он был коммерциализирован General Microelectronics в мае 1964 года, а затем Fairchild в октябре 1964 года. Первый контракт GMe на MOS был заключен с NASA, которое использовало MOSFET для космических кораблей и спутники в программе платформы межпланетного мониторинга (IMP) и программе Explorers. Первые полевые МОП-транзисторы, продаваемые General Microelectronics и Fairchild, были устройствами с p-каналом ( PMOS ) для логических и коммутационных приложений. К середине 1960-х годов RCA использовали полевые МОП-транзисторы в своих потребительских товарах, включая FM-радио, телевидение и усилители. В 1967 году исследователи Bell Labs Роберт Кервин, Дональд Кляйн и Джон Сарас разработали МОП-транзистор с самовыравнивающимся затвором (кремниевым затвором), который исследователи Fairchild Федерико Фаггин и Том Кляйн адаптировали для интегральных схем в 1968 году.
Развитие полевых МОП-транзисторов привело к революции в электронных технологиях, названной революцией МОП-транзисторов или революцией полевых МОП-транзисторов, которая способствовала технологическому и экономическому росту ранней полупроводниковой промышленности.
Влияние MOSFET стало коммерчески значимым с конца 1960-х годов. Это привело к революции в электронной промышленности, которая с тех пор практически во всех отношениях повлияла на повседневную жизнь. Изобретение полевого МОП-транзистора было названо рождением современной электроники и сыграло центральную роль в революции микрокомпьютеров.
MOSFET составляет основу современной электроники и является основным элементом большинства современного электронного оборудования. Это самый распространенный транзистор в электронике и самый широко используемый полупроводниковый прибор в мире. Его называют «рабочей лошадкой электронной промышленности» и «базовой технологией» конца 20-го - начала 21-го веков. Масштабирование и миниатюризация полевых МОП-транзисторов (см. Список примеров шкалы полупроводников ) были основными факторами быстрого экспоненциального роста электронной полупроводниковой технологии с 1960-х годов, поскольку быстрая миниатюризация полевых МОП-транзисторов в значительной степени ответственна за увеличение плотности транзисторов, повышение производительности и уменьшение Потребляемая мощность от интегральной схемы чипов и электронных устройств, начиная с 1960 - х годов.
MOSFET-транзисторы обладают высокой масштабируемостью ( закон Мура и масштабирование Деннарда ) с увеличением миниатюризации и могут быть легко уменьшены до меньших размеров. Они потребляют значительно меньше энергии и имеют гораздо более высокую плотность, чем биполярные транзисторы. MOSFET-транзисторы могут быть намного меньше, чем BJT, примерно в двадцатую часть размера к началу 1990-х годов. Полевые МОП-транзисторы также имеют более высокую скорость переключения с быстрым электронным переключением, что делает их идеальными для генерации последовательностей импульсов, являющихся основой для цифровых сигналов. в отличие от BJT, которые медленнее генерируют аналоговые сигналы, напоминающие синусоидальные волны. Полевые МОП-транзисторы также дешевле и имеют относительно простые этапы обработки, что приводит к высокой производительности. Таким образом, полевые МОП-транзисторы обеспечивают крупномасштабную интеграцию (БИС) и идеально подходят для цифровых схем, а также для линейных аналоговых схем.
MOSFET по-разному описывался как наиболее важный транзистор, самое важное устройство в электронной промышленности, возможно, самое важное устройство в вычислительной индустрии, одно из самых важных достижений в полупроводниковой технологии и, возможно, самое важное изобретение в электронике. MOSFET был фундаментальным строительным блоком современной цифровой электроники во время цифровой революции, информационной революции, информационного века и эпохи кремния. МОП-транзисторы были движущей силой компьютерной революции и технологий, которые она сделала. Быстрый прогресс электронной промышленности в конце 20-го - начале 21-го веков был достигнут за счет быстрого масштабирования полевых МОП-транзисторов ( масштабирование Деннарда и закон Мура ) до уровня наноэлектроники в начале 21-го века. MOSFET произвел революцию в мире в информационную эпоху, поскольку его высокая плотность позволила компьютеру существовать на нескольких небольших микросхемах, а не заполнять комнату, а позже сделала возможными цифровые коммуникационные технологии, такие как смартфоны.
MOSFET - это наиболее широко производимое устройство в истории. Годовой объем продаж MOSFET по состоянию на 2015 год составил 295 миллиардов долларов. В период с 1960 по 2018 год было произведено 13 секстиллионов МОП-транзисторов, что составляет не менее 99,9% всех транзисторов. Цифровые интегральные схемы, такие как микропроцессоры и устройства памяти, содержат от тысяч до миллиардов интегрированных полевых МОП-транзисторов на каждом устройстве, обеспечивая основные функции переключения, необходимые для реализации логических вентилей и хранения данных. Существуют также устройства памяти, которые содержат, по меньшей мере триллион МОП - транзисторов, например, 256 Гб MicroSD карты памяти, большие, чем число звезд в Млечном Пути галактики. По состоянию на 2010 год принципы работы современных полевых МОП-транзисторов остались в основном такими же, как и у оригинальных полевых МОП-транзисторов, впервые продемонстрированных Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в 1960 году.
Управление по патентам и товарным знакам США называет MOSFET «революционным изобретением, которое изменило жизнь и культуру во всем мире», а Музей компьютерной истории считает его «безвозвратно изменившим человеческий опыт». MOSFET был также основой для достижений, получивших Нобелевскую премию, таких как квантовый эффект Холла и устройство с зарядовой связью (CCD), хотя сам MOSFET никогда не присуждался Нобелевской премии. В 2018 году записку о Джек Килби «s Нобелевской премии по физике за участие в изобретении интегральной схемы, то Королевская академия наук Швеции специально упомянул MOSFET и микропроцессор, как и другие важные изобретения в эволюции микроэлектроники. MOSFET также включен в список вех в электронике IEEE, а его изобретатели Мохамед Аталла и Давон Канг вошли в Национальный зал славы изобретателей в 2009 году.
Микрофотография двух полевых МОП-транзисторов с металлическим затвором в тестовой таблице. Промаркированы контактные площадки для двух затворов и трех узлов истока / стока. Обычно предпочтительным полупроводником является кремний. В последнее время некоторые производители микросхем, в первую очередь IBM и Intel, начали использовать химическое соединение кремния и германия ( SiGe ) в каналах MOSFET. К сожалению, многие полупроводники с лучшими электрическими свойствами, чем кремний, такие как арсенид галлия, не образуют хороших границ раздела полупроводник-изолятор и поэтому не подходят для полевых МОП-транзисторов. Продолжаются исследования по созданию изоляторов с приемлемыми электрическими характеристиками на других полупроводниковых материалах.
Чтобы преодолеть увеличение энергопотребления из-за утечки тока затвора, вместо диоксида кремния в качестве изолятора затвора используется диэлектрик с высоким κ, а поликремний заменяется металлическими затворами (например, Intel, 2009).
Затвор отделен от канала тонким изолирующим слоем, обычно из диоксида кремния, а затем из оксинитрида кремния. Некоторые компании начали внедрять комбинацию диэлектрика с высоким κ и металлического затвора в 45-нанометровом узле.
Когда между выводом затвора и корпуса прикладывается напряжение, генерируемое электрическое поле проникает через оксид и создает инверсионный слой или канал на границе полупроводник-изолятор, из-за чего эта часть становится менее p-типа и открывает путь для проводимости. тока, что приводит к увеличению напряжения между затвором и корпусом, которое отталкивает отверстия и создает слой неподвижных носителей, заряженных отрицательно. Инверсионный слой обеспечивает канал, по которому ток может проходить между выводами истока и стока. Изменение напряжения между затвором и корпусом модулирует проводимость этого слоя и, таким образом, регулирует ток между стоком и истоком. Это называется режимом улучшения.
Структура металл – оксид – полупроводник на кремнии p-типа Традиционная структура металл – оксид – полупроводник (МОП) получается путем выращивания слоя диоксида кремния ( SiO 2) поверх кремниевой подложки, обычно путем термического окисления и нанесения слоя металла или поликристаллического кремния (обычно используется последний). Поскольку диоксид кремния является диэлектрическим материалом, его структура эквивалентна плоскому конденсатору, в котором один из электродов заменен полупроводником.
Когда напряжение подается на МОП-структуру, оно изменяет распределение зарядов в полупроводнике. Если мы рассмотрим полупроводник p-типа (с плотностью акцепторов, p плотность дырок; p = N A в нейтральном объеме), положительное напряжение`` от затвора к телу (см. Рисунок) создает слой обеднения, заставляя положительно заряженные дырки от границы затвор-изолятор / полупроводник, оставляя открытой свободную от носителей область неподвижных отрицательно заряженных ионов-акцепторов (см. легирование (полупроводник) ). Если он достаточно высок, в инверсионном слое, расположенном в тонком слое рядом с границей раздела между полупроводником и диэлектриком, образуется высокая концентрация отрицательных носителей заряда.
Обычно напряжение затвора, при котором объемная плотность электронов в инверсионном слое совпадает с объемной плотностью дырок в теле, называется пороговым напряжением. Когда напряжение между затвором транзистора и истоком ( V GS) превышает пороговое напряжение ( V th), разница известна как напряжение перегрузки.
Эта структура с корпусом p-типа является основой полевого МОП-транзистора n-типа, который требует добавления областей истока и стока n-типа.
Конструкция МОП-конденсатора является сердцем полевого МОП-транзистора. Рассмотрим МОП-конденсатор с кремниевой базой p-типа. Если на затвор приложено положительное напряжение, отверстия, которые находятся на поверхности подложки p-типа, будут отталкиваться электрическим полем, создаваемым приложенным напряжением. Сначала дырки будут просто отталкиваться, и то, что останется на поверхности, будет неподвижными (отрицательными) атомами акцепторного типа, что создаст на поверхности область обеднения. Помните, что дырка создается акцепторным атомом, например бором, у которого на один электрон меньше, чем у кремния. Кто-то может спросить, как можно отразить дыры, если они на самом деле не являются сущностями? Ответ заключается в том, что на самом деле происходит не то, что дырка отталкивается, а электроны притягиваются положительным полем и заполняют эти дырки, создавая область истощения, где нет носителей заряда, потому что электрон теперь закреплен на атоме и неподвижен.
По мере увеличения напряжения на затворе будет точка, в которой поверхность над обедненной областью будет преобразована из p-типа в n-тип, поскольку электроны из основной области начнут притягиваться большим электрическим полем. Это известно как инверсия. Пороговое напряжение, при котором происходит это преобразование, является одним из наиболее важных параметров полевого МОП-транзистора.
В случае объема p-типа инверсия происходит, когда собственный уровень энергии на поверхности становится меньше уровня Ферми на поверхности. Это видно из ленточной диаграммы. Помните, что уровень Ферми определяет тип обсуждаемого полупроводника. Если уровень Ферми равен внутреннему уровню, полупроводник является внутренним или чистым типом. Если уровень Ферми расположен ближе к зоне проводимости (валентной зоне), то полупроводник будет иметь n-тип (p-тип). Следовательно, когда напряжение затвора увеличивается в положительном смысле (для данного примера), это «искривляет» полосу собственных энергетических уровней, так что она будет изгибаться вниз по направлению к валентной зоне. Если уровень Ферми находится ближе к валентной зоне (для p-типа), наступит момент, когда собственный уровень начнет пересекать уровень Ферми, и когда напряжение достигнет порогового напряжения, собственный уровень действительно пересечет уровень Ферми., и это то, что называется инверсией. В этот момент поверхность полупроводника превращается из p-типа в n-тип. Помните, что, как сказано выше, если уровень Ферми лежит выше собственного уровня, полупроводник относится к n-типу, поэтому при инверсии, когда собственный уровень достигает и пересекает уровень Ферми (который находится ближе к валентной зоне), полупроводник Тип меняется на поверхности, что диктуется относительным положением уровней Ферми и собственной энергии.
Формирование канала в nMOS MOSFET показано в виде диаграммы полос : Верхние панели: приложенное напряжение затвора искривляет полосы, истощая отверстия на поверхности (слева). Заряд, вызывающий изгиб, уравновешивается слоем отрицательного заряда акцепторного иона (справа). Нижняя панель: большее приложенное напряжение еще больше истощает отверстия, но зона проводимости понижает энергию, достаточную для заполнения проводящего канала. 
C – V профиль для объемного полевого МОП-транзистора с различной толщиной оксида. Крайняя левая часть кривой соответствует накоплению. Долина посередине соответствует истощению. Кривая справа соответствует инверсии МОП-транзистор основан на модуляции концентрации заряда за счет МОП-емкости между основным электродом и электродом затвора, расположенным над корпусом и изолированным от всех других областей устройства диэлектрическим слоем затвора. Если используются диэлектрики, отличные от оксида, устройство может называться полевым транзистором металл-диэлектрик-полупроводник (MISFET). По сравнению с МОП-конденсатором, МОП-транзистор включает в себя два дополнительных вывода ( исток и сток), каждый из которых подключен к отдельным высоколегированным областям, которые разделены областью тела. Эти области могут быть как p-, так и n-типа, но они должны быть одного и того же типа и иметь противоположный тип по отношению к области тела. Исток и сток (в отличие от корпуса) сильно легированы, что обозначено знаком «+» после типа легирования.
Если МОП-транзистор является n-канальным или n-МОП-транзистором, то исток и сток являются n + областями, а тело - областью p. Если полевой МОП-транзистор является p-каналом или полевым МОП-транзистором, то исток и сток являются p + областями, а тело является n областью. Источник назван так потому, что он является источником носителей заряда (электроны для n-канала, дырки для p-канала), которые текут через канал; аналогично сток - это место, где носители заряда покидают канал.
Заселенность энергетических зон в полупроводнике определяется положением уровня Ферми относительно краев энергетических зон полупроводника.
См. Также: Область истощенияПри достаточном напряжении на затворе край валентной зоны отодвигается от уровня Ферми, а дырки от тела отводятся от затвора.
При еще большем смещении затвора вблизи поверхности полупроводника край зоны проводимости приближается к уровню Ферми, заполняя поверхность электронами в инверсионном слое или n-канале на границе раздела между p-областью и оксидом. Этот проводящий канал проходит между истоком и стоком, и ток проходит через него, когда между двумя электродами подается напряжение. Увеличение напряжения на затворе приводит к более высокой плотности электронов в инверсионном слое и, следовательно, увеличивает ток между истоком и стоком. Для напряжений на затворе ниже порогового значения канал заполняется слабо, и между истоком и стоком может протекать только очень небольшой подпороговый ток утечки.
Когда прикладывается отрицательное напряжение затвор-исток, он создает p-канал на поверхности n-области, аналогично случаю n-канала, но с противоположными полярностями зарядов и напряжений. Когда напряжение менее отрицательное, чем пороговое значение (отрицательное напряжение для p-канала) применяется между затвором и истоком, канал исчезает, и только очень небольшой подпороговый ток может течь между истоком и стоком. Устройство может содержать кремний на изоляторе, в котором скрытый оксид образован под тонким полупроводниковым слоем. Если область канала между диэлектриком затвора и скрытой оксидной областью очень тонкая, канал упоминается как сверхтонкая область канала с областями истока и стока, сформированными с обеих сторон в тонком полупроводниковом слое или над ним. Могут использоваться другие полупроводниковые материалы. Когда области истока и стока сформированы над каналом полностью или частично, они называются приподнятыми областями истока / стока.
| Параметр | nMOSFET | pMOSFET | |
|---|---|---|---|
| Тип источника / стока | n-тип | р-тип | |
| Тип канала (МОП-конденсатор) | n-тип | р-тип | |
| Тип ворот | Поликремний | п + | р + |
| Металл | φ m ~ Si зона проводимости | φ m ~ Si валентная зона | |
| Тип колодца | р-тип | n-тип | |
| Пороговое напряжение, В th | |||
| Гибка ленты | Вниз | Снизу вверх | |
| Носители инверсионного слоя | Электроны | Отверстия | |
| Тип субстрата | р-тип | n-тип | |
Источник привязан к корпусу, чтобы гарантировать отсутствие смещения корпуса: подпороговый (вверху слева), омический режим (вверху справа), активный режим в начале отсечки (внизу слева) и активный режим до отсечки (внизу справа). Модуляция длины канала очевидна. 
Пример применения n-канального MOSFET. При нажатии переключателя загорается светодиод. Работа полевого МОП-транзистора может быть разделена на три различных режима в зависимости от напряжений на клеммах. В следующем обсуждении используется упрощенная алгебраическая модель. Характеристики современных полевых МОП-транзисторов сложнее, чем представленная здесь алгебраическая модель.
Для n-канального полевого МОП-транзистора в режиме улучшения доступны три рабочих режима:
Когда V GS lt; V th:
где - смещение затвор-исток, а - пороговое напряжение устройства.
Согласно базовой пороговой модели, транзистор выключен, и между стоком и истоком нет проводимости. Более точная модель учитывает влияние тепловой энергии на распределение Ферми – Дирака по энергиям электронов, что позволяет некоторым из более энергичных электронов в источнике входить в канал и течь в сток. Это приводит к подпороговому току, который является экспоненциальной функцией напряжения затвор-исток. В то время как ток между стоком и истоком в идеале должен быть равен нулю, когда транзистор используется в качестве выключенного ключа, существует слабый ток инверсии, иногда называемый подпороговой утечкой.
При слабой инверсии, когда источник привязан к объему, ток изменяется экспоненциально, примерно как:
где = ток при, тепловое напряжение и коэффициент наклона n определяются по формуле:
с = емкость обедненного слоя и = емкость оксидного слоя. Обычно используется это уравнение, но оно является лишь адекватным приближением для источника, привязанного к балке. Для источника, не привязанного к основной части, подпороговое уравнение для тока стока в насыщении имеет вид
где - делитель канала, который определяется по формуле:
с = емкость обедненного слоя и = емкость оксидного слоя. В устройстве с длинным каналом отсутствует однократная зависимость тока от напряжения стока, но по мере уменьшения длины канала уменьшение барьера, вызванного стоком, приводит к зависимости напряжения стока, которая сложным образом зависит от геометрии устройства (например, легирование канала, легирование перехода и т. д.). Часто пороговое напряжение V th для этого режима определяется как напряжение затвора, при котором возникает выбранное значение тока I D0, например, I D0 = 1 мкА, что может отличаться от значения V th, используемого в уравнениях для следующие режимы.
Некоторые аналоговые схемы микромощностей предназначены для использования преимущества подпороговой проводимости. Работая в области слабой инверсии, полевые МОП-транзисторы в этих схемах обеспечивают максимально возможное отношение крутизны к току, а именно: почти такое же, как у биполярного транзистора.
Подпороговая ВАХ экспоненциально зависит от порогового напряжения, внося сильную зависимость от любых производственных изменений, которые влияют на пороговое напряжение; например: изменения толщины оксида, глубины перехода или легирования тела, которые изменяют степень снижения барьера, вызванного стоком. Возникающая в результате чувствительность к производственным изменениям усложняет оптимизацию утечек и производительности.
Зависимость тока стока МОП-транзистора от напряжения сток-исток для нескольких значений ; граница между линейным ( омическим) и насыщенным ( активным) режимами обозначена параболой, изогнутой вверх 
Поперечное сечение полевого МОП-транзистора, работающего в линейной (омической) области; сильная инверсионная область присутствует даже возле стока 
Поперечное сечение полевого МОП-транзистора, работающего в области насыщения (активной); канал показывает защемление канала возле дренажа Когда V GS gt; V th и V DS lt; V GS - V th:
Транзистор включается, и создается канал, пропускающий ток между стоком и истоком. МОП-транзистор работает как резистор, управляемый напряжением затвора относительно напряжений истока и стока. Ток от стока к истоку моделируется следующим образом:
где это носители заряда эффективной подвижность, ширина ворот, длина затвора и является ворота оксида емкости на единицу площади. Переход от экспоненциальной подпороговой области к триодной области не такой резкий, как предполагают уравнения.
Когда V GS gt; V th и V DS ≥ (V GS - V th):
Переключатель включен, и был создан канал, который пропускает ток между стоком и истоком. Поскольку напряжение стока выше, чем напряжение истока, электроны распространяются, и проводимость осуществляется не через узкий канал, а через более широкое, двумерное или трехмерное распределение тока, простирающееся от границы раздела в глубину подложки. Начало этой области также известно как отсечение, чтобы указать на отсутствие области канала около стока. Хотя канал не распространяется на всю длину устройства, электрическое поле между стоком и каналом очень велико, и проводимость сохраняется. Ток стока теперь слабо зависит от напряжения стока и регулируется в основном напряжением затвор-исток и моделируется примерно как:
Дополнительный фактор, включающий λ, параметр модуляции длины канала, моделирует зависимость тока от напряжения стока из-за модуляции длины канала, что фактически аналогично эффекту Раннего, наблюдаемому в биполярных устройствах. Согласно этому уравнению, ключевым параметром конструкции крутизна полевого МОП-транзистора является:
где комбинация V ov = V GS - V th называется напряжением перегрузки, а где V DSsat = V GS - V th учитывает небольшую неоднородность, которая в противном случае возникла бы при переходе между областями триода и насыщения.
Другим ключевым параметром конструкции является выходное сопротивление полевого МОП-транзистора, определяемое по формуле:
r out - это величина, обратная g DS, где. I D - это выражение в области насыщения.
Если принять λ равным нулю, результирующее бесконечное выходное сопротивление может упростить анализ схемы, однако это может привести к нереалистичным прогнозам схемы, особенно в аналоговых схемах.
Поскольку длина канала становится очень короткой, эти уравнения становятся неточными. Возникают новые физические эффекты. Например, перенос носителей в активном режиме может быть ограничен насыщением скорости. Когда преобладает насыщение по скорости, ток стока насыщения более близок к линейному, чем к квадратичному по V GS. На еще меньших длинах носители транспортируются с почти нулевым рассеянием, известным как квазибаллистический транспорт. В баллистическом режиме носители движутся со скоростью инжекции, которая может превышать скорость насыщения, и приближается к скорости Ферми при высокой плотности инверсионного заряда. Кроме того, снижение барьера, вызванного стоком, увеличивает ток отключения (отсечки) и требует увеличения порогового напряжения для компенсации, что, в свою очередь, снижает ток насыщения.
Ленточная диаграмма, показывающая эффект тела. V SB расщепляет уровни Ферми F n для электронов и F p для дырок, что требует большего V GB для заполнения зоны проводимости в nMOS MOSFET. Заселенность энергетических зон в полупроводнике определяется положением уровня Ферми относительно краев энергетических зон полупроводника. Применение обратного смещения источник-подложка pn-перехода источник-тело вводит расщепление между уровнями Ферми для электронов и дырок, сдвигая уровень Ферми для канала дальше от края зоны, уменьшая заполненность канала. Эффект заключается в увеличении напряжения затвора, необходимого для установления канала, как показано на рисунке. Это изменение силы канала за счет применения обратного смещения называется «эффектом тела».
Проще говоря, используя пример nMOS, смещение затвор-тело V GB позиционирует энергетические уровни зоны проводимости, в то время как смещение источник-тело V SB размещает уровень Ферми электронов вблизи границы раздела, определяя занятость этих уровней вблизи интерфейс и, следовательно, сила инверсионного слоя или канала.
Влияние тела на канал можно описать с помощью модификации порогового напряжения, аппроксимируемого следующим уравнением:
где V TB - пороговое напряжение при наличии смещения подложки, V T0 - значение порогового напряжения нулевого V SB, - параметр эффекта тела, а 2 φ B - приблизительное падение потенциала между поверхностью и объемом на обедненном слое, когда V SB = 0 и смещения затвора достаточно, чтобы гарантировать наличие канала. Как показывает это уравнение, обратное смещение V SB gt; 0 вызывает увеличение порогового напряжения V TB и, следовательно, требует большего напряжения затвора перед заполнением канала.
Тело может использоваться как вторые ворота, и иногда их называют «задними воротами»; Эффект тела иногда называют «эффектом заднего прохода».
| P-канал |  |  |  |  |  |
|---|---|---|---|---|---|
| N-канал |  |  |  |  |  |
| JFET | Режим улучшения MOSFET | Режим улучшения MOSFET (без объема) | Режим истощения MOSFET | ||
Для полевого МОП-транзистора используются различные символы. Базовая конструкция обычно представляет собой линию для канала с истоком и стоком, оставляя его под прямым углом, а затем изгибаясь под прямым углом в том же направлении, что и канал. Иногда три линейных сегмента используются для режима улучшения и сплошная линия для режима истощения (см. Режимы истощения и улучшения ). Еще одна линия проводится параллельно каналу для ворот.
Основная часть или тело соединение, если показана, показано соединенный с задней стороной канала со стрелкой, указывающей PMOS или NMOS. Стрелки всегда указывают от P к N, поэтому NMOS (N-канал в P-лунке или P-субстрате) имеет стрелку, указывающую внутрь (от объема к каналу). Если основная часть подключена к источнику (как это обычно бывает с дискретными устройствами), она иногда наклоняется, чтобы встретиться с источником, выходящим из транзистора. Если основная часть не показана (как это часто бывает в конструкции ИС, поскольку они обычно являются общей массой), иногда используется символ инверсии для обозначения PMOS, в качестве альтернативы стрелка на источнике может использоваться таким же образом, как для биполярных транзисторов ( выход для nMOS, вход для pMOS).
Сравнение символов MOSFET режима улучшения и режима истощения вместе с символами JFET доступно в таблице в этом разделе. Ориентация символов, а главное положение источника относительно стока, такова, что более положительные напряжения кажутся выше на странице схемы, чем менее положительные напряжения, что означает, что ток течет «вниз» по странице.
На схемах, где G, S и D не обозначены, подробные характеристики символа указывают, какой терминал является истоком, а какой сток. Для символов MOSFET режима улучшения и режима истощения (во втором и пятом столбцах) вывод источника - это тот, который соединен со стрелкой. Кроме того, на этой диаграмме ворота показаны в форме буквы «L», входная ветвь которой ближе к S, чем к D, что также указывает на то, что есть что. Однако эти символы часто рисуются с Т-образным затвором (как и везде на этой странице), поэтому для обозначения терминала источника следует полагаться именно на наконечник стрелки.
Для символов, на которых изображен стержень или корпус, клемма, здесь показана внутренняя связь с источником (т. Е. Черная стрелка на диаграммах в столбцах 2 и 5). Это типичная конфигурация, но отнюдь не единственная важная конфигурация. В общем, полевой МОП-транзистор представляет собой четырехполюсное устройство, и в интегральных схемах многие из полевых МОП-транзисторов имеют общее соединение корпуса, не обязательно подключенное к клеммам истока всех транзисторов.
Логика P-канала MOS (PMOS) использует полевые МОП - транзисторы с p-каналом для реализации логических вентилей и других цифровых схем. Логика N-канального MOS (NMOS) использует n-канальные MOSFET для реализации логических вентилей и других цифровых схем.
Для устройств с равным током возбуждения полевые МОП-транзисторы с n-каналом могут быть меньше, чем полевые МОП-транзисторы с p-каналом, из-за того, что носители заряда ( дырки ) с p-каналом имеют меньшую подвижность, чем носители заряда ( электроны ) с n-каналом, и производят только один Тип MOSFET на кремниевой подложке дешевле и технически проще. Это были руководящие принципы при разработке логики NMOS, в которой используются исключительно n-канальные полевые МОП-транзисторы. Однако, в отличие от логики CMOS (без учета тока утечки ), логика NMOS потребляет энергию, даже если переключение не происходит.
Мохамед Аталла и Давон Канг первоначально продемонстрировали устройства pMOS и nMOS с длиной затвора 20 мкм, а затем 10 мкм в 1960 году. Их оригинальные устройства MOSFET также имели толщину оксида затвора 100 нм. Однако устройства nMOS были непрактичными, и только тип pMOS был практическими рабочими устройствами. Несколько лет спустя был разработан более практичный процесс NMOS. Первоначально NMOS была быстрее, чем CMOS, поэтому в 1970-х годах NMOS более широко использовалась в компьютерах. С развитием технологий логика CMOS вытеснила логику NMOS в середине 1980-х годов и стала предпочтительным процессом для цифровых микросхем.
MOSFET используется в цифровой комплементарной логике металл-оксид-полупроводник ( CMOS ), которая использует p- и n-канальные MOSFET в качестве строительных блоков. Перегрев является серьезной проблемой в интегральных схемах, поскольку все больше транзисторов упаковывается во все более мелкие микросхемы. Логика CMOS снижает энергопотребление, потому что ток не течет (в идеале) и, следовательно, не потребляется никакая мощность, кроме случаев, когда входы логических вентилей переключаются. CMOS выполняет это снижение тока, дополняя каждый nMOSFET полевым pMOSFET и соединяя оба затвора и оба стока вместе. Высокое напряжение на затворах заставит nMOSFET проводить, а pMOSFET - не проводить, а низкое напряжение на затворах вызывает обратное. Во время переключения, когда напряжение переходит из одного состояния в другое, оба полевых МОП-транзистора будут работать на короткое время. Такое расположение значительно снижает потребление энергии и тепловыделение.
CMOS была разработана Chih-Tang Sah и Frank Wanlass в Fairchild Semiconductor в 1963 году. CMOS потребляла меньше энергии, но изначально была медленнее, чем NMOS, которая более широко использовалась в компьютерах в 1970-х годах. В 1978 году Hitachi представила процесс КМОП с двумя лунками, который позволил КМОП соответствовать производительности NMOS с меньшим энергопотреблением. Процесс двухъямной CMOS в конечном итоге обогнал NMOS как наиболее распространенный процесс производства полупроводников для компьютеров в 1980-х годах. К 1970-1980-м годам логика CMOS потребляла в 7 раз меньше энергии, чем логика NMOS, и примерно в 100 000 раз меньше энергии, чем логика биполярного транзистора-транзистора (TTL).
Существуют полевые МОП - транзисторы с режимом истощения, которые используются реже, чем уже описанные стандартные устройства с расширенным режимом. Это полевые МОП-транзисторы, которые легированы таким образом, что канал существует даже при нулевом напряжении от затвора к истоку. Для управления каналом к затвору прикладывается отрицательное напряжение (для n-канального устройства), истощая канал, что уменьшает ток, протекающий через устройство. По сути, устройство режима истощения эквивалентно нормально замкнутому (включенному) переключателю, в то время как устройство расширенного режима эквивалентно нормально разомкнутому (выключенному) переключателю.
Из-за низкого коэффициента шума в РЧ- диапазоне и лучшего усиления эти устройства часто предпочитают биполярным входам в РЧ-интерфейсах, например, в телевизорах.
Истощение режима MOSFET семейства включают BF960 по Siemens и Telefunken, и BF980 в 1980 году Philips (впоследствии NXP полупроводники ), производные которых все еще используются в АРУ и РЧ смесителя передних-концов.
Полевой транзистор металл-изолятор-полупроводник, или MISFET, является более общим термином, чем MOSFET, и синонимом полевого транзистора с изолированным затвором (IGFET). Все МОП-транзисторы являются МОП-транзисторами, но не все МОП-транзисторы.
Диэлектрическим изолятором затвора в MISFET является диоксид кремния в MOSFET, но можно использовать и другие материалы. Диэлектрика затвора находится непосредственно ниже электрода затвора и над каналом на МДП - транзистора. Термин « металл» исторически используется для материала затвора, хотя сейчас это обычно высоколегированный поликремний или какой-либо другой неметалл.
Типы изоляторов могут быть:
С плавающей затвора МОП - транзистора (FGMOS) представляет собой тип полевого МОП - транзистора, где затвор электрически изолированы, создавая плавающий узел в DC и ряд вторичных ворот или входов осаждаются над плавающим затвором (FG) и электрически изолированы от него. Первый отчет о MOSFET с плавающим затвором (FGMOS) был сделан Давоном Кангом (соавтором оригинального MOSFET) и Саймоном Мин Сзе в 1967 году.
FGMOS обычно используется в качестве ячейки памяти с плавающим затвором, цифрового запоминающего элемента в EPROM, EEPROM и флэш-памяти. Другие применения FGMOS включают нейронный вычислительный элемент в нейронных сетях, аналоговый запоминающий элемент, цифровые потенциометры и однотранзисторные ЦАП.
Два силовых полевых МОП-транзистора в корпусах D2PAK для поверхностного монтажа. Работая как переключатели, каждый из этих компонентов может выдерживать блокирующее напряжение 120 В в выключенном состоянии и может проводить непрерывный ток 30 А во включенном состоянии, рассеивая примерно до 100 Вт и контролируя нагрузку более 2000 Вт. спичка изображена на масштаб. 
Поперечное сечение силового полевого МОП-транзистора с квадратными ячейками. Типичный транзистор состоит из нескольких тысяч ячеек. Основная статья: Power MOSFET Смотрите также: усилитель на полевых транзисторах и силовая электроника Силовые полевые МОП-транзисторы имеют другую структуру. Как и у большинства силовых устройств, конструкция вертикальная, а не плоская. Используя вертикальную структуру, транзистор может выдерживать как высокое напряжение блокировки, так и большой ток. Номинальное напряжение транзистора является функцией легирования и толщины N- эпитаксиального слоя (см. Поперечное сечение), а номинальное значение тока зависит от ширины канала (чем шире канал, тем выше ток). В планарной структуре номинальный ток и напряжение пробоя являются функцией размеров канала (соответственно ширины и длины канала), что приводит к неэффективному использованию «кремниевого комплекса». При вертикальной структуре площадь компонента примерно пропорциональна току, который он может выдерживать, а толщина компонента (фактически толщина N-эпитаксиального слоя) пропорциональна напряжению пробоя.
Полевые МОП-транзисторы с боковой структурой в основном используются в высококачественных аудиоусилителях и мощных акустических системах. Их преимущество - лучшее поведение в насыщенной области (соответствующей линейной области биполярного транзистора ), чем у вертикальных полевых МОП-транзисторов. Вертикальные полевые МОП-транзисторы предназначены для коммутации приложений.
Силовой полевой МОП-транзистор, который обычно используется в силовой электронике, был разработан в начале 1970-х годов. Мощный полевой МОП-транзистор обеспечивает низкую мощность привода затвора, высокую скорость переключения и расширенные возможности параллельного подключения.
Существуют VDMOS (вертикальный металлооксидный полупроводник с двойной диффузией ) и LDMOS (боковой металлооксидный полупроводник с двойной диффузией ). Большинство мощных полевых МОП-транзисторов изготавливаются с использованием этой технологии.
Конденсатор MOS является частью структуры MOSFET, где конденсатор MOS окружен двумя pn переходами. Конденсатор MOS широко используется в качестве накопительного конденсатора в микросхемах памяти и в качестве основного строительного блока устройства с зарядовой связью (CCD) в технологии датчиков изображения. В DRAM (динамической памяти с произвольным доступом ) каждая ячейка памяти обычно состоит из полевого МОП-транзистора и МОП-конденсатора.
Тонкопленочный транзистор (TFT), представляет собой тип полевого МОП - транзистора отличается от стандартного объемного МОП - транзистора. Первый TFT был изобретен Полом К. Веймером в RCA в 1962 году, основываясь на более ранней работе Аталлы и Канга по MOSFET.
Идея жидкокристаллического дисплея (ЖКД) на основе TFT была задумана Бернардом Лехнером из RCA Laboratories в 1968 году. Лехнер, Ф. Дж. Марлоу, Э. О. Нестер и Дж. Талтс продемонстрировали концепцию в 1968 году с помощью ЖК-дисплея с динамическим рассеянием с матрицей 18x2, который использовал стандартные дискретные полевые МОП-транзисторы, поскольку в то время производительность TFT была недостаточной.
BiCMOS - это интегральная схема, объединяющая транзисторы BJT и CMOS на одном кристалле.
Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) представляет собой мощный транзистор с характеристиками как на МОП - транзистора и биполярный плоскостной транзистор (BJT).
Был разработан ряд датчиков MOSFET для измерения физических, химических, биологических параметров и параметров окружающей среды. Самые ранние датчики MOSFET включают полевой транзистор с открытым затвором (OGFET), представленный Йоханнесеном в 1970 году, ионно-чувствительный полевой транзистор (ISFET), изобретенный Питом Бергвельдом в 1970 году, адсорбционный полевой транзистор (ADFET), запатентованный PF Cox в 1974 году. и чувствительный к водороду MOSFET, продемонстрированный I. Lundstrom, MS Shivaraman, CS Svenson и L. Lundkvist в 1975 году. ISFET - это особый тип MOSFET с затвором на определенном расстоянии, в котором металлический затвор заменен ионным -чувствительная мембрана, раствор электролита и электрод сравнения.
К середине 1980-х годов было разработано множество других датчиков MOSFET, включая полевой транзистор газового датчика (GASFET), полевой транзистор с поверхностным доступом (SAFET), транзистор потока заряда (CFT), датчик давления FET (PRESSFET), химический полевой транзистор ( ChemFET), эталонный ISFET (REFET), биосенсорный полевой транзистор (BioFET), ферментно-модифицированный полевой транзистор (ENFET) и иммунологически модифицированный полевой транзистор (IMFET). В начале 2000 - х лет, типы BioFET, такие как ДНК - полевой транзистор (DNAFET), ген-модифицированный полевые транзисторы (GenFET) и клеточный потенциал были разработаны BioFET (CPFET).
В технологии цифровых изображений используются два основных типа датчиков изображения : устройство с зарядовой связью (CCD) и датчик с активными пикселями (датчик CMOS). И ПЗС, и КМОП-сенсоры основаны на технологии МОП, при этом ПЗС-матрица основана на МОП-конденсаторах, а КМОП-сенсор - на МОП-транзисторах.
FinFET (плавник полевой транзистор), тип мульти-затвора полевого МОП - транзистора. Основная статья: Многопользовательское устройство Дополнительная информация: FinFET Двойной затвор МОП - транзистор ( два правительства) имеет Тетрод конфигурацию, в которой оба воротах контролировать ток в устройстве. Он обычно используется для малосигнальных устройств в радиочастотных приложениях, где смещение затвора на стороне стока при постоянном потенциале снижает потери усиления, вызванные эффектом Миллера, заменяя два отдельных транзистора в каскодной конфигурации. Другие распространенные применения в радиочастотных схемах включают регулировку усиления и смешение (преобразование частоты). Описание тетрода, хотя и точное, не повторяет тетрод на электронных лампах. Тетроды на электронных лампах, в которых используется экранная сетка, демонстрируют гораздо более низкую емкость сетки и гораздо более высокие выходное сопротивление и выигрыш по напряжению, чем триодные вакуумные лампы. Эти улучшения обычно на порядок (в 10 раз) или значительно больше. Тетродные транзисторы (будь то биполярные переходные или полевые) не демонстрируют таких значительных улучшений.
FinFET является двойным затвором кремния на изоляторе устройство, один из множества геометрических форм вводятся для уменьшения влияния коротких каналов и уменьшить сток-индуцированный барьер опускания. Плавника относится к узкому каналу между истоком и стоком. Тонкий изолирующий оксидный слой с обеих сторон ребра отделяет его от затвора. КНИТЕ FinFETs с толстым оксидом на верхней части ребер называется двойным затвором, и те, с тонким оксидом на вершине, а также по бокам называются тройным затвор FinFETs.
С двойным затвором полевой МОП - транзистор был впервые продемонстрирован в 1984 году электротехнической лаборатории исследователей Тосихиро Sekigawa и Yutaka Hayashi. GAAFET (ворота-все вокруг полевого МОП - транзистора), тип мульти-затвора неплоской 3D транзистора, была впервые продемонстрирована в 1988 году Toshiba исследовательской группы, включая Фьюджио Масуока, Х. Takato и К. Sunouchi. FinFET (плавник полевой транзистор), тип 3D неплоской двойным затвором полевого МОП - транзистора, возникла из исследования DIGH Hisamoto и его команда в Центральной научно - исследовательской лаборатории Hitachi в 1989 году разработка нанопроводов нескольких ворот MOSFETs с тех пор стать основой наноэлектроники.
Квантовой полевой транзистор (QFET) или квантовой ямы полевой транзистор (QWFET) представляет собой тип полевого МОП - транзистора, который использует преимущества квантового туннелирования, чтобы значительно увеличить скорость работы транзистора.
Полупроводниковые электронные схемы субмикрометрового и нанометрового размеров являются первоочередной задачей для работы в пределах нормальных допусков в суровых радиационных средах, таких как космическое пространство. Одним из конструктивных подходов к созданию радиационно- стойкого устройства (RHBD) является закрытый транзистор (ELT). Обычно затвор полевого МОП-транзистора окружает сток, расположенный в центре ELT. Источник полевого МОП-транзистора окружает затвор. Другой RHBD MOSFET называется H-Gate. Оба этих транзистора имеют очень низкий ток утечки по отношению к излучению. Однако они имеют большие размеры и занимают больше места на кремнии, чем стандартный полевой МОП-транзистор. В более старых конструкциях STI (изоляция из неглубоких канавок) радиационные удары вблизи области оксида кремния вызывают инверсию каналов в углах стандартного полевого МОП-транзистора из-за накопления радиационно-индуцированных захваченных зарядов. Если заряды достаточно велики, накопленные заряды влияют на края поверхности STI вдоль канала около интерфейса канала (затвора) стандартного полевого МОП-транзистора. Таким образом, инверсия канала устройства происходит по краям канала, и устройство создает путь утечки в закрытом состоянии, вызывая включение устройства. Таким образом, надежность цепей сильно ухудшается. ELT предлагает множество преимуществ. Эти преимущества включают повышение надежности за счет уменьшения нежелательной инверсии поверхности на краях затвора, которая возникает в стандартном полевом МОП-транзисторе. Поскольку края затвора заключены в ELT, нет края оксида затвора (STI на интерфейсе затвора), и, таким образом, утечка в закрытом состоянии транзистора значительно снижается. Микроэлектронные схемы с низким энергопотреблением, включая компьютеры, устройства связи и системы мониторинга в космических челноках и спутниках, сильно отличаются от того, что используется на Земле. Им требуются радиационные (высокоскоростные атомные частицы, такие как протон и нейтрон, рассеяние магнитной энергии солнечной вспышки в космическом пространстве, энергетические космические лучи, такие как рентгеновские лучи, гамма-лучи и т. Д.), Устойчивые схемы. Эта специальная электроника разработана с применением различных методов с использованием полевых МОП-транзисторов с RHBD для обеспечения более безопасных путешествий и выходов в открытый космос для космонавтов.
MOSFET обычно составляет основу современной электроники, поскольку является доминирующим транзистором в цифровых схемах, а также в аналоговых интегральных схемах. Это основа для множества современных технологий, которые обычно используются для самых разных приложений. По словам Жан-Пьера Колинжа, без MOSFET не было бы множества современных технологий, таких как современная компьютерная промышленность, цифровые телекоммуникационные системы, видеоигры, карманные калькуляторы и цифровые наручные часы.
Дискретные полевые МОП-транзисторы широко используются в таких приложениях, как импульсные источники питания, частотно-регулируемые приводы и другие приложения силовой электроники, где каждое устройство может переключать тысячи ватт. Радиочастотные усилители вплоть до диапазона УВЧ используют полевые МОП-транзисторы в качестве аналоговых сигналов и усилителей мощности. Радиосистемы также используют полевые МОП-транзисторы в качестве генераторов или смесителей для преобразования частот. Устройства MOSFET также применяются в усилителях мощности звуковой частоты для систем громкой связи, звукоусиления, домашних и автомобильных звуковых систем.
МОП-транзисторы в интегральных схемах являются основными элементами компьютерных процессоров, полупроводниковой памяти, датчиков изображения и большинства других типов интегральных схем.
MOSFET - это наиболее широко используемый тип транзистора и наиболее важный компонент устройства в микросхемах (ИС). Монолитный интегральная схема чип был включен по пассивации поверхности процесса, который электрический стабилизированному кремниевые поверхности с помощью термического окисления, что делает возможным изготовить монолитные интегральные микросхемы схемы с использованием кремния. Процесс пассивации поверхности был разработан Мохамедом М. Аталлой в Bell Labs в 1957 году. Он стал основой для планарного процесса, разработанного Джином Хорни из Fairchild Semiconductor в начале 1959 года, который имел решающее значение для изобретения монолитной интегральной микросхемы. Роберт Нойс позже, в 1959 году. В том же году Аталла использовал свой процесс пассивации поверхности, чтобы изобрести полевой МОП-транзистор с Давоном Кангом в Bell Labs. За этим последовало развитие чистых помещений для снижения загрязнения до уровней, которые ранее никогда не считались необходимыми, и совпало с развитием фотолитографии, которая, наряду с пассивацией поверхности и планарным процессом, позволила создавать схемы в несколько этапов.
Мохамед Аталла впервые предложил концепцию микросхемы МОП-интегральной схемы (МОП-ИС) в 1960 году, отметив, что простота изготовления МОП-транзистора сделала его полезным для интегральных схем. В отличие от биполярных транзисторов, которые требовали ряда шагов для изоляции p – n-перехода транзисторов на кристалле, полевые МОП-транзисторы не требовали таких шагов, но их можно было легко изолировать друг от друга. Ее преимущество для интегральных схем было повторено Давоном Кангом в 1961 году. Система Si - SiO 2 обладала техническими достоинствами, заключающимися в низкой стоимости производства (в расчете на одну схему) и простоте интеграции. Эти два фактора, наряду с его быстро масштабируемой миниатюризацией и низким потреблением энергии, привели к тому, что MOSFET стал наиболее широко используемым типом транзисторов в микросхемах IC.
Самой ранней экспериментальной МОП-микросхемой, которая была продемонстрирована, была микросхема с 16 транзисторами, построенная Фредом Хейманом и Стивеном Хофштейном на RCA в 1962 году. Позднее General Microelectronics представила первые коммерческие МОП-интегральные схемы в 1964 году, состоящие из 120 p-канальных транзисторов. Это был 20-битный регистр сдвига, разработанный Робертом Норманом и Фрэнком Ванлассом. В 1968 году исследователи Fairchild Semiconductor Федерико Фаггин и Том Кляйн разработали первую МОП-микросхему с кремниевым затвором.
Благодаря высокой масштабируемости, гораздо более низкому энергопотреблению и более высокой плотности, чем у транзисторов с биполярным переходом, MOSFET позволил создавать микросхемы IC с высокой плотностью. К 1964 году MOS-чипы достигли более высокой плотности транзисторов и более низких производственных затрат, чем биполярные чипы. Микросхемы МОП усложнялись со скоростью, предсказываемой законом Мура, что привело к крупномасштабной интеграции (БИС) с сотнями полевых МОП-транзисторов на кристалле к концу 1960-х годов. К началу 1970-х годов технология MOS позволила интегрировать более 10 000 транзисторов на одном кристалле LSI, а затем стала возможной очень крупномасштабная интеграция (VLSI).
МОП-транзистор является основой каждого микропроцессора и был ответственен за изобретение микропроцессора. Истоки как микропроцессора, так и микроконтроллера можно проследить до изобретения и развития технологии МОП. Применение микросхем MOS LSI в вычислениях послужило основой для первых микропроцессоров, поскольку инженеры начали осознавать, что полный компьютерный процессор может содержаться в одном кристалле MOS LSI.
Самые ранние микропроцессоры были все MOS-микросхемами, построенными на схемах MOS LSI. Первые многочиповые микропроцессоры, Four-Phase Systems AL1 в 1969 году и Garrett AiResearch MP944 в 1970 году, были разработаны с использованием нескольких микросхем MOS LSI. Первый коммерческий однокристальный микропроцессор, Intel 4004, был разработан Федерико Фаггин с использованием его технологии МОП-микросхемы с кремниевым затвором, совместно с инженерами Intel Марцианом Хоффом и Стэном Мазором, а также инженером Busicom Масатоши Шима. С появлением в 1975 году КМОП- микропроцессоров термин «МОП-микропроцессоры» стал относиться к микросхемам, полностью изготовленным из логики PMOS или полностью изготовленным из логики NMOS, в отличие от «микропроцессоров CMOS» и «биполярных бит-срезов ».
Развитие цифровых технологий, таких как микропроцессоры, послужило стимулом для развития технологии MOSFET быстрее, чем любой другой тип кремниевых транзисторов. Большим преимуществом полевых МОП-транзисторов для цифровой коммутации является то, что оксидный слой между затвором и каналом предотвращает протекание постоянного тока через затвор, дополнительно снижая энергопотребление и обеспечивая очень большой входной импеданс. Изолирующий оксид между затвором и каналом эффективно изолирует MOSFET в одном логическом каскаде от более ранних и более поздних каскадов, что позволяет одному выходу MOSFET управлять значительным количеством входов MOSFET. Логика на основе биполярных транзисторов (например, TTL ) не имеет такой большой емкости разветвления. Эта изоляция также позволяет разработчикам в некоторой степени независимо игнорировать эффекты нагрузки между этапами логики. Эта степень определяется рабочей частотой: по мере увеличения частоты входное сопротивление полевых МОП-транзисторов уменьшается.
Преимущества полевого МОП-транзистора в цифровых схемах не выражаются в превосходстве во всех аналоговых схемах. Эти два типа схем основаны на различных особенностях поведения транзисторов. Цифровые схемы переключаются, проводя большую часть своего времени либо полностью включенными, либо полностью выключенными. Переход от одного к другому касается только скорости и требуемого заряда. Аналоговые схемы зависят от работы в переходной области, где небольшие изменения V gs могут модулировать выходной (сток) ток. JFET и биполярный переходной транзистор (BJT) предпочтительны для точного согласования (соседних устройств в интегральных схемах), более высокой крутизны и определенных температурных характеристик, которые упрощают сохранение прогнозируемой производительности при изменении температуры схемы.
Тем не менее, полевые МОП-транзисторы широко используются во многих типах аналоговых схем из-за их собственных преимуществ (нулевой ток затвора, высокий и регулируемый выходной импеданс и повышенная надежность по сравнению с биполярными транзисторами, которые могут быть необратимо ухудшены даже при небольшом разрушении базы эмиттера). Характеристики и производительность многих аналоговых схем можно увеличивать или уменьшать, изменяя размеры (длину и ширину) используемых полевых МОП-транзисторов. Для сравнения, в биполярных транзисторах размер устройства существенно не влияет на его производительность. Идеальные характеристики полевых МОП-транзисторов в отношении тока затвора (ноль) и напряжения смещения сток-исток (ноль) также делают их почти идеальными переключающими элементами, а также делают практичными аналоговые схемы с переключаемыми конденсаторами. В своей линейной области полевые МОП-транзисторы могут использоваться в качестве прецизионных резисторов, которые могут иметь гораздо более высокое контролируемое сопротивление, чем биполярные транзисторы. В схемах большой мощности MOSFET иногда имеют то преимущество, что не страдают от теплового разгона, как BJT. Кроме того, полевые МОП-транзисторы могут быть сконфигурированы для работы в качестве конденсаторов и цепей гиратора, что позволяет операционным усилителям, сделанным из них, выступать в качестве катушек индуктивности, тем самым позволяя всем обычным аналоговым устройствам на микросхеме (за исключением диодов, которые можно сделать меньше, чем МОП-транзистор. в любом случае), который будет полностью построен из полевых МОП-транзисторов. Это означает, что полные аналоговые схемы могут быть изготовлены на кремниевом кристалле в гораздо меньшем пространстве и с использованием более простых технологий изготовления. МОП-транзисторы идеально подходят для переключения индуктивных нагрузок из-за устойчивости к индуктивной отдаче.
Некоторые ИС объединяют аналоговую и цифровую схемы полевых МОП-транзисторов в одной интегральной схеме со смешанными сигналами, что делает необходимое пространство на плате еще меньше. Это создает необходимость изолировать аналоговые схемы от цифровых на уровне микросхемы, что приводит к использованию изоляционных колец и кремния на изоляторе (SOI). Поскольку MOSFET требует больше места для обработки заданного количества энергии, чем BJT, процессы изготовления могут включать BJT и MOSFET в одно устройство. Устройства со смешанными транзисторами называются bi-FET (биполярными полевыми транзисторами), если они содержат только один BJT-FET, и BiCMOS (биполярно-CMOS), если они содержат дополнительные BJT-FET. Такие устройства имеют преимущества как изолированных вентилей, так и более высокой плотности тока.
В конце 1980-х Асад Абиди первым изобрел технологию RF CMOS, которая использует схемы MOS VLSI, работая в UCLA. Это изменило способ проектирования радиочастотных схем, от дискретных биполярных транзисторов к интегральным схемам КМОП. С 2008 года радиопередатчики во всех беспроводных сетевых устройствах и современных мобильных телефонах массово производятся как устройства RF CMOS. RF CMOS также используется почти во всех современных устройствах Bluetooth и беспроводной локальной сети (WLAN).
Появление полевого МОП-транзистора позволило на практике использовать МОП-транзисторы в качестве элементов хранения ячеек памяти - функцию, ранее выполняемую магнитными сердечниками в компьютерной памяти. Первая современная компьютерная память была представлена в 1965 году, когда Джон Шмидт из Fairchild Semiconductor разработал первую полупроводниковую MOS- память, 64-битную MOS SRAM (статическую память с произвольным доступом ). SRAM стала альтернативой памяти с магнитным сердечником, но для каждого бита данных требовалось шесть МОП-транзисторов.
Технология MOS является основой DRAM (динамической памяти с произвольным доступом ). В 1966 году доктор Роберт Х. Деннард из исследовательского центра IBM Thomas J. Watson работал над MOS-памятью. Изучая характеристики технологии МОП, он обнаружил, что она способна создавать конденсаторы, и что сохранение заряда или отсутствие заряда на МОП-конденсаторе может представлять 1 и 0 бита, в то время как МОП-транзистор может управлять записью заряда в конденсатор. Это привело к его разработке ячейки памяти DRAM с одним транзистором. В 1967 году Деннард подал в IBM патент на ячейку памяти DRAM с одним транзистором (динамическая память с произвольным доступом), основанная на технологии MOS. Память MOS обеспечивала более высокую производительность, была дешевле и потребляла меньше энергии, чем память с магнитным сердечником, что привело к тому, что к началу 1970-х годов MOS-память обогнала память с магнитным сердечником и стала доминирующей технологией компьютерной памяти.
Фрэнк Ванласс, изучая структуры MOSFET в 1963 году, заметил движение заряда через оксид на затвор. Хотя он этого и не добился, эта идея позже стала основой для технологии EPROM (стираемая программируемая постоянная память ). В 1967 году Давон Кан и Саймон Мин Сзе предложили использовать ячейки памяти с плавающим затвором, состоящие из полевых МОП-транзисторов с плавающим затвором (FGMOS), для создания перепрограммируемого ПЗУ ( постоянное запоминающее устройство ). Ячейки памяти с плавающим затвором позже стали основой для технологий энергонезависимой памяти (NVM), включая EPROM, EEPROM (электрически стираемое программируемое ПЗУ) и флэш-память.
МОП-транзисторы широко используются в бытовой электронике. Одним из первых влиятельных продуктов бытовой электроники, в которых использовались схемы MOS LSI, был электронный карманный калькулятор, поскольку технология MOS LSI обеспечила большие вычислительные возможности в небольших корпусах. В 1965 году настольный калькулятор Victor 3900 был первым МОП- калькулятором с 29 микросхемами МОП. В 1967 году Texas Instruments Cal-Tech была первым прототипом портативного электронного калькулятора с тремя микросхемами MOS LSI, а позже он был выпущен как Canon Pocketronic в 1970 году. Настольный калькулятор Sharp QT-8D был первым массово производимым LSI MOS калькулятор в 1969 году, а Sharp EL-8, который использовал четыре микросхемы MOS LSI, был первым коммерческим электронным портативным калькулятором в 1970 году. Первым настоящим карманным калькулятором был Busicom LE-120A HANDY LE, в котором использовался один калькулятор MOS LSI. -a-chip от Mostek и был выпущен в 1971 году. К 1972 году схемы MOS LSI были коммерциализированы для множества других приложений.
МОП-транзисторы имеют фундаментальное значение для информационных и коммуникационных технологий (ИКТ), включая современные компьютеры, современные вычисления, телекоммуникации, инфраструктуру связи, Интернет, цифровую телефонию, беспроводную связь и мобильные сети. По словам Колинджа, современная компьютерная промышленность и цифровые телекоммуникационные системы не существовали бы без полевого МОП-транзистора. Достижения в технологии MOS явились наиболее важным фактором быстрого роста пропускной способности сети в телекоммуникационных сетях, при этом пропускная способность удваивается каждые 18 месяцев, с бит в секунду до терабит в секунду ( закон Эдхольма ).
Датчики MOS, также известные как датчики MOSFET, широко используются для измерения физических, химических, биологических параметров и параметров окружающей среды. Ион-чувствительный полевой транзистор (ИСПТ), например, широко используется в биомедицинских применениях. Многообещающие применения МОП- хеморезисторов и МОП-транзисторов были обнаружены либо в качестве отдельных сенсорных устройств, либо в качестве компонентов в массивах химических сенсоров.
МОП-транзисторы также широко используются в микроэлектромеханических системах (МЭМС), поскольку кремниевые МОП-транзисторы могут взаимодействовать и взаимодействовать с окружающей средой и обрабатывать такие вещи, как химические вещества, движения и свет. Ранним примером устройства MEMS является транзистор с резонансным затвором, адаптация полевого МОП-транзистора, разработанный Харви К. Натансоном в 1965 году.
Технология MOS является основой для современных датчиков изображения, включая устройство с зарядовой связью (CCD) и датчик CMOS с активными пикселями (датчик CMOS), используемых в цифровых изображениях и цифровых камерах. Уиллард Бойл и Джордж Э. Смит разработали ПЗС-матрицу в 1969 году. Изучая процесс МОП, они поняли, что электрический заряд является аналогом магнитного пузыря и что он может храниться на крошечном МОП-конденсаторе. Поскольку было довольно просто изготовить серию МОП-конденсаторов в ряд, они подключали к ним подходящее напряжение, чтобы заряд мог переходить от одного к другому. ПЗС - это полупроводниковая схема, которая позже использовалась в первых цифровых видеокамерах для телевещания.
MOS датчик активного пикселя (APS) был разработан Цутому Накамура на Олимпе в 1985 году CMOS сенсор с активным пиксельным позже был разработан Эрик Фоссум и его команда в НАСА «s Лаборатории реактивного движения в начале 1990 - х годов.
Датчики изображения MOS широко используются в технологии оптических мышей. В первой оптической мыши, изобретенной Ричардом Ф. Лайоном в Xerox в 1980 году, использовался сенсорный чип NMOS 5 мкм. С момента появления первой коммерческой оптической мыши IntelliMouse, представленной в 1999 году, в большинстве оптических мышей используются датчики CMOS.
MOSFET власти является наиболее широко используемым устройством питания в мире. Преимущества перед транзисторами с биполярным переходом в силовой электронике включают в себя полевые МОП-транзисторы, не требующие непрерывного потока управляющего тока, чтобы оставаться во включенном состоянии, предлагающие более высокие скорости переключения, более низкие потери мощности переключения, более низкие сопротивления в открытом состоянии и меньшую подверженность тепловому разгоне. Силовой полевой МОП-транзистор повлиял на источники питания, позволив повысить рабочие частоты, уменьшить размер и вес, а также увеличить объемы производства.
Импульсные источники питания - наиболее распространенное применение для силовых полевых МОП-транзисторов. Они также широко используются в МОП усилителях мощности ВЧ, которые позволили осуществить переход мобильных сетей с аналоговых на цифровые в 1990-х годах. Это привело к широкому распространению беспроводных мобильных сетей, которые произвели революцию в системах электросвязи. В частности, LDMOS является наиболее широко используемым усилителем мощности в мобильных сетях, таких как 2G, 3G, 4G и 5G. По состоянию на 2018 год ежегодно отгружается более 50 миллиардов полевых МОП-транзисторов с дискретной мощностью. Они широко используются, в частности, в автомобильных, промышленных и коммуникационных системах. Силовые МОП-транзисторы обычно используются в автомобильной электронике, особенно в качестве переключающих устройств в электронных блоках управления, а также в качестве преобразователей энергии в современных электромобилях. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), гибрид МОП-биполярный транзистор, также используется для самых разнообразных применений.
Основным критерием выбора материала затвора является его хорошая проводимость. Сильнолегированный поликристаллический кремний является приемлемым, но определенно не идеальным проводником, а также страдает некоторыми дополнительными техническими недостатками в своей роли стандартного материала затвора. Тем не менее, есть несколько причин в пользу использования поликремния:
Хотя ворота из поликремния были стандартом де-факто в течение последних двадцати лет, у них действительно есть некоторые недостатки, которые привели к их вероятной замене в будущем металлическими воротами. К этим недостаткам можно отнести:
Современные высокопроизводительные процессоры используют технологию металлического затвора вместе с диэлектриками с высоким κ, комбинация, известная как высокий κ, металлический затвор (HKMG). Недостатки металлических ворот преодолеваются несколькими приемами:
По мере того, как устройства становятся меньше, изолирующие слои становятся тоньше, часто за счет стадий термического окисления или локального окисления кремния ( LOCOS ). Для наноразмерных устройств в какой-то момент происходит туннелирование носителей через изолятор от канала до электрода затвора. Чтобы уменьшить результирующий ток утечки, изолятор можно сделать тоньше, выбрав материал с более высокой диэлектрической проницаемостью. Чтобы увидеть, как связаны толщина и диэлектрическая проницаемость, обратите внимание, что закон Гаусса связывает поле и заряд следующим образом:
где Q = плотность заряда, κ = диэлектрическая проницаемость, ε 0 = диэлектрическая проницаемость пустого пространства и E = электрическое поле. Из этого закона следует, что такой же заряд может поддерживаться в канале при более низком поле при увеличении κ. Напряжение на затворе определяется по формуле:
где V G = напряжение затвора, V ch = напряжение на стороне канала изолятора и t ins = толщина изолятора. Это уравнение показывает, что напряжение на затворе не будет увеличиваться при увеличении толщины изолятора при условии, что κ увеличивается, чтобы поддерживать t ins / κ = постоянным (более подробную информацию см. В статье о диэлектриках с высоким κ и в разделе этой статьи об утечке через оксид затвора.).
Изолятор в полевом МОП-транзисторе представляет собой диэлектрик, который в любом случае может быть оксидом кремния, образованным LOCOS, но используются многие другие диэлектрические материалы. Общий термин для диэлектрика - диэлектрик затвора, поскольку диэлектрик находится непосредственно под электродом затвора и над каналом полевого МОП-транзистора.
МОП-транзистор с неглубоким переходом, приподнятый исток и сток, а также имплантат ореола. Поднятые исток и сток, отделенные от затвора оксидными прокладками Источник к кузову и сток к кузову перекрестки являются объектом пристального внимания из трех основных факторов: их конструкция влияет на вольт-амперной ( I-V) характеристика устройства, снижая выходное сопротивление, а также скорость устройства из-за эффекта нагрузки емкостей перехода и, наконец, составляющей рассеиваемой мощности в режиме ожидания из-за утечки через переход.
Сливной индуцированный барьер снижения порогового напряжения и длиной канала модуляция эффектов на IV кривых уменьшаются с помощью неглубокого расширения перехода. Кроме того, можно использовать легирование гало, то есть добавление очень тонких сильно легированных областей того же типа легирования, что и тело, плотно прилегающее к стенкам перехода, чтобы ограничить протяженность областей обеднения.
Емкостные эффекты ограничиваются за счет использования выпуклой геометрии истока и стока, которая делает большую часть границы контактной области толстым диэлектриком вместо кремния.
Эти различные особенности конструкции соединений показаны (с художественной лицензией ) на рисунке.
Тенденция длины затвора транзистора процессора Intel 
MOSFET-версия зеркала тока с усилением ; M 1 и M 2 находятся в активном режиме, а M 3 и M 4 находятся в омическом режиме и действуют как резисторы. Операционный усилитель обеспечивает обратную связь, которая поддерживает высокое выходное сопротивление. | Изготовление полупроводниковых приборов |
|---|
 |
| Масштабирование MOSFET ( технологические узлы ) |
|
| Будущее |
| |
|
За последние десятилетия размер MOSFET (используемый для цифровой логики) постоянно уменьшался; типичная длина канала полевого МОП-транзистора когда-то составляла несколько микрометров, но современные интегральные схемы включают полевые МОП-транзисторы с длиной канала в десятки нанометров. Работа Роберта Деннарда по теории масштабирования сыграла решающую роль в признании возможности этого продолжающегося сокращения. Полупроводниковая промышленность поддерживает «дорожную карту» ITRS, которая задает темп развития MOSFET. Исторически сложилось так, что трудности с уменьшением размера полевого МОП-транзистора были связаны с процессом изготовления полупроводниковых устройств, необходимостью использования очень низких напряжений, а также с более низкими электрическими характеристиками, что требовало перепроектирования схемы и инноваций (полевые МОП-транзисторы малого размера демонстрируют более высокие токи утечки и более низкое выходное сопротивление.). По состоянию на 2019 год самыми маленькими MOSFET-транзисторами являются полупроводниковые узлы FinFET с длиной волны 5 нм, производимые Samsung Electronics и TSMC.
Полевые МОП-транзисторы меньшего размера желательны по нескольким причинам. Основная причина уменьшить размер транзисторов - это разместить все больше и больше устройств в определенной области кристалла. В результате получается чип с той же функциональностью на меньшей площади или чипы с большей функциональностью на той же площади. Поскольку затраты на изготовление полупроводниковой пластины относительно фиксированы, стоимость интегральных схем в основном связана с количеством микросхем, которые могут быть произведены на пластине. Следовательно, меньшие ИС позволяют использовать больше микросхем на пластину, что снижает цену за кристалл. Фактически, за последние 30 лет количество транзисторов на микросхему удваивалось каждые 2–3 года после внедрения нового технологического узла. Например, количество полевых МОП-транзисторов в микропроцессоре, изготовленном по 45-нм технологии, может быть вдвое больше, чем в 65-нм чипе. Это удвоение плотности транзисторов впервые наблюдал Гордон Мур в 1965 году и обычно называют законом Мура. Также ожидается, что транзисторы меньшего размера переключаются быстрее. Например, одним из подходов к уменьшению размера является масштабирование полевого МОП-транзистора, которое требует пропорционального уменьшения всех размеров устройства. Основными размерами устройства являются длина канала, ширина канала и толщина оксида. Когда они уменьшаются в равном масштабе, сопротивление канала транзистора не изменяется, а емкость затвора уменьшается на этот коэффициент. Следовательно, RC-задержка транзистора масштабируется с аналогичным коэффициентом. В то время как это традиционно имело место для более старых технологий, для современных полевых МОП-транзисторов уменьшение размеров транзистора не обязательно приводит к более высокой скорости микросхемы, поскольку задержка из-за межсоединений более значительна.
Производство полевых МОП-транзисторов с длиной канала намного меньше микрометра является сложной задачей, а трудности изготовления полупроводниковых устройств всегда являются ограничивающим фактором в развитии технологии интегральных схем. Хотя такие процессы, как осаждение атомных слоев ( ALD ), улучшили производство небольших компонентов, небольшой размер полевого МОП-транзистора (менее нескольких десятков нанометров) создал эксплуатационные проблемы:
Связанное с этим правило масштабирования - закон Эдхольма. В 2004 году Фил Edholm отметил, что пропускная способность в телекоммуникационных сетях ( в том числе Интернет ) удваивается каждые 18 месяцев. За несколько десятилетий пропускная способность сетей связи выросла с бит в секунду до терабит в секунду. Быстрый рост в телекоммуникационном пропускной способности в значительной степени из - за того же масштаба МОП - транзистор, что позволяет закон Мура, так как телекоммуникационные сети строятся из МОП - транзисторов.
| Дата | Длина канала | Толщина оксида | Логика MOSFET | Исследователь (ы) | Организация | Ссылка |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Июнь 1960 г. | 20000 нм | 100 нм | PMOS | Мохамед М. Аталла, Давон Канг | Bell Telephone Laboratories | |
| NMOS | ||||||
| 10,000 нм | 100 нм | PMOS | Мохамед М. Аталла, Давон Канг | Bell Telephone Laboratories | ||
| NMOS | ||||||
| Май 1965 г. | 8000 нм | 150 нм | NMOS | Чих-Танг Сах, Отто Лейстико, AS Grove | Полупроводник Fairchild | |
| 5000 нм | 170 нм | PMOS | ||||
| Декабрь 1972 г. | 1000 морских миль | ? | PMOS | Роберт Х. Деннард, Фриц Х. Гэнсслен, Хва-Ниен Ю | Исследовательский центр IBM TJ Watson | |
| 1973 | 7500 нм | ? | NMOS | Сохичи Сузуки | NEC | |
| 6000 нм | ? | PMOS | ? | Toshiba | ||
| Октябрь 1974 г. | 1000 морских миль | 35 нм | NMOS | Роберт Х. Деннард, Фриц Х. Гэнсслен, Хва-Ниен Ю | Исследовательский центр IBM TJ Watson | |
| 500 нм | ||||||
| Сентябрь 1975 г. | 1500 нм | 20 нм | NMOS | Риоичи Хори, Хироо Масуда, Осаму Минато | Hitachi | |
| Март 1976 г. | 3000 нм | ? | NMOS | ? | Intel | |
| Апрель 1979 г. | 1000 морских миль | 25 нм | NMOS | Уильям Р. Хантер, Л. М. Эфрат, Элис Крамер | Исследовательский центр IBM TJ Watson | |
| Декабрь 1984 г. | 100 нм | 5 нм | NMOS | Тосио Кобаяси, Сэйдзи Хоригучи, К. Киучи | Nippon Telegraph and Telephone | |
| Декабрь 1985 г. | 150 нм | 2,5 нм | NMOS | Тосио Кобаяси, Сэйдзи Хоригучи, М. Мияке, М. Ода | Nippon Telegraph and Telephone | |
| 75 нм | ? | NMOS | Стивен Ю. Чоу, Генри И. Смит, Димитри А. Антониадис | Массачусетский технологический институт | ||
| Январь 1986 | 60 нм | ? | NMOS | Стивен Ю. Чоу, Генри И. Смит, Димитри А. Антониадис | Массачусетский технологический институт | |
| Июнь 1987 г. | 200 нм | 3,5 нм | PMOS | Тосио Кобаяси, М. Мияке, К. Дегучи | Nippon Telegraph and Telephone | |
| Декабрь 1993 г. | 40 нм | ? | NMOS | Мизуки Оно, Масанобу Сайто, Такаши Ёситоми | Toshiba | |
| Сентябрь 1996 | 16 нм | ? | PMOS | Хисао Каваура, Тосицугу Сакамото, Тосио Баба | NEC | |
| Июнь 1998 г. | 50 нм | 1,3 нм | NMOS | Халед З. Ахмед, Эффионг Э. Ибок, Мирён Сон | Усовершенствованные микроустройства (AMD) | |
| Декабрь 2002 г. | 6 нм | ? | PMOS | Брюс Дорис, Омер Докумачи, Мэйкей Ионг | IBM | |
| Декабрь 2003 г. | 3 нм | ? | PMOS | Хитоши Вакабаяши, Сигехару Ямагами | NEC | |
| ? | NMOS |
| Дата | Длина канала | Толщина оксида | Исследователь (ы) | Организация | Ссылка |
|---|---|---|---|---|---|
| Февраль 1963 г. | ? | ? | Чих-Тан Сах, Фрэнк Ванласс | Полупроводник Fairchild | |
| 1968 г. | 20000 нм | 100 нм | ? | RCA лаборатории | |
| 1970 г. | 10,000 нм | 100 нм | ? | RCA лаборатории | |
| Декабрь 1976 г. | 2000 нм | ? | А. Эйткен, Р. Г. Поульсен, ATP MacArthur, JJ White | Mitel Semiconductor | |
| Февраль 1978 г. | 3000 нм | ? | Тошиаки Масухара, Осаму Минато, Тошио Сасаки, Ёсио Сакаи | Центральная исследовательская лаборатория Hitachi | |
| Февраль 1983 г. | 1200 нм | 25 нм | RJC Chwang, M. Choi, D. Creek, S. Stern, PH Pelley | Intel | |
| 900 нм | 15 морских миль | Цунео Мано, Дж. Ямада, Дзюнъити Иноуэ, С. Накадзима | Nippon Telegraph and Telephone (NTT) | ||
| Декабрь 1983 г. | 1000 морских миль | 22,5 нм | Г. Дж. Ху, Юань Таур, Роберт Х. Деннард, Чунг-Ю Тин | Исследовательский центр IBM TJ Watson | |
| Февраль 1987 г. | 800 нм | 17 морских миль | Т. Суми, Цунео Танигучи, Микио Кисимото, Хиросигэ Хирано | Мацусита | |
| 700 нм | 12 нм | Цунео Мано, Дж. Ямада, Дзюнъити Иноуэ, С. Накадзима | Nippon Telegraph and Telephone (NTT) | ||
| Сентябрь 1987 г. | 500 нм | 12,5 нм | Хусейн И. Ханафи, Роберт Х. Деннард, Юан Таур, Надим Ф. Хаддад | Исследовательский центр IBM TJ Watson | |
| Декабрь 1987 г. | 250 нм | ? | Наоки Касаи, Нобухиро Эндо, Хироши Китадзима | NEC | |
| Февраль 1988 г. | 400 нм | 10 нм | М. Иноуэ, Х. Котани, Т. Ямада, Хироюки Ямаути | Мацусита | |
| Декабрь 1990 г. | 100 нм | ? | Гавам Г. Шахиди, Биджан Давари, Юань Таур, Джеймс Д. Варнок | Исследовательский центр IBM TJ Watson | |
| 1993 г. | 350 нм | ? | ? | Sony | |
| 1996 г. | 150 нм | ? | ? | Mitsubishi Electric | |
| 1998 г. | 180 нм | ? | ? | TSMC | |
| Декабрь 2003 г. | 5 нм | ? | Хитоши Вакабаяси, Сигехару Ямагами, Нобуюки Икэдзава | NEC |
| Дата | Длина канала | Тип MuGFET | Исследователь (ы) | Организация | Ссылка |
|---|---|---|---|---|---|
| Август 1984 г. | ? | ДГМОС | Тосихиро Секигава, Ютака Хаяси | Электротехническая лаборатория (ЭТЛ) | |
| 1987 г. | 2000 нм | ДГМОС | Тосихиро Секигава | Электротехническая лаборатория (ЭТЛ) | |
| Декабрь 1988 г. | 250 нм | ДГМОС | Биджан Давари, Вен-Син Чанг, Мэтью Р. Уордеман, CS Oh | Исследовательский центр IBM TJ Watson | |
| 180 нм | |||||
| ? | GAAFET | Фудзио Масуока, Хироши Такато, Казумаса Сунучи, Н. Окабе | Toshiba | ||
| Декабрь 1989 г. | 200 нм | FinFET | Диг Хисамото, Тору Кага, Ёсифуми Кавамото, Эйдзи Такеда | Центральная исследовательская лаборатория Hitachi | |
| Декабрь 1998 г. | 17 морских миль | FinFET | Диг Хисамото, Ченмин Ху, Цу-Дже Кинг Лю, Джеффри Бокор | Калифорнийский университет (Беркли) | |
| 2001 г. | 15 морских миль | FinFET | Ченмин Ху, Ян-Гю Чой, Ник Линдерт, Цу-Джэ Кинг Лю | Калифорнийский университет (Беркли) | |
| Декабрь 2002 г. | 10 нм | FinFET | Шибли Ахмед, Скотт Белл, Сайрус Табери, Джеффри Бокор | Калифорнийский университет (Беркли) | |
| Июнь 2006 г. | 3 нм | GAAFET | Хёнджин Ли, Ян-кю Чой, Ли-Ын Ю, Сон-Ван Рю | KAIST |
| Дата | Длина канала (нм) | Толщина оксида (нм) | Тип MOSFET | Исследователь (ы) | Организация | Ссылка |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Октябрь 1962 г. | ? | ? | TFT | Пол К. Веймер | RCA лаборатории | |
| 1965 г. | ? | ? | GaAs | Х. Беке, Р. Холл, Дж. Уайт | RCA лаборатории | |
| Октябрь 1966 г. | 100 000 | 100 | TFT | Броды Т.П., Куниг Е.П. | Westinghouse Electric | |
| Август 1967 г. | ? | ? | ФГМОС | Давон Кан, Саймон Мин Сзе | Bell Telephone Laboratories | |
| Октябрь 1967 | ? | ? | MNOS | HA Ричард Вегенер, Эй Джей Линкольн, ХК Пао | Sperry Corporation | |
| Июль 1968 г. | ? | ? | БиМОС | Хун-Чанг Линь, Рамачандра Р. Айер | Westinghouse Electric | |
| Октябрь 1968 г. | ? | ? | BiCMOS | Хун-Чанг Линь, Рамачандра Р. Айер, Коннектикут Хо | Westinghouse Electric | |
| 1969 г. | ? | ? | VMOS | ? | Hitachi | |
| Сентябрь 1969 | ? | ? | DMOS | Ю. Таруи, Ю. Хаяси, Тосихиро Секигава | Электротехническая лаборатория (ЭТЛ) | |
| Октябрь 1970 г. | ? | ? | ISFET | Пит Бергвельд | Университет Твенте | |
| Октябрь 1970 г. | 1000 | ? | DMOS | Ю. Таруи, Ю. Хаяси, Тосихиро Секигава | Электротехническая лаборатория (ЭТЛ) | |
| 1977 г. | ? | ? | VDMOS | Джон Луи Молл | Лаборатория HP | |
| ? | ? | LDMOS | ? | Hitachi | ||
| Июль 1979 г. | ? | ? | БТИЗ | Бантвал Джаянт Балига, Маргарет Лазери | General Electric | |
| Декабрь 1984 г. | 2000 г. | ? | BiCMOS | Х. Хигучи, Горо Кицукава, Такахидэ Икеда, Я. Нишио | Hitachi | |
| Май 1985 г. | 300 | ? | ? | К. Дегучи, Кадзухико Комацу, М. Мияке, Х. Намацу | Nippon Telegraph and Telephone | |
| Февраль 1985 г. | 1000 | ? | BiCMOS | Х. Момосе, Хидеки Сибата, С. Сайто, Дзюн-ичи Миямото | Toshiba | |
| Ноябрь 1986 | 90 | 8,3 | ? | Хан-Шэн Ли, LC Puzio | Дженерал Моторс | |
| Декабрь 1986 г. | 60 | ? | ? | Гавам Г. Шахиди, Димитри А. Антониадис, Генри И. Смит | Массачусетский технологический институт | |
| Май 1987 г. | ? | 10 | ? | Биджан Давари, Чунг-Ю Тинг, Кие Й. Ан, С. Басаваия | Исследовательский центр IBM TJ Watson | |
| Декабрь 1987 г. | 800 | ? | BiCMOS | Роберт Х. Хавеманн, Р. Э. Эклунд, Хип В. Тран | Инструменты Техаса | |
| Июнь 1997 г. | 30 | ? | EJ-МОП-транзистор | Хисао Каваура, Тосицугу Сакамото, Тосио Баба | NEC | |
| 1998 г. | 32 | ? | ? | ? | NEC | |
| 1999 г. | 8 | ? | ? | ? | ||
| Апрель 2000 г. | 8 | ? | EJ-МОП-транзистор | Хисао Каваура, Тосицугу Сакамото, Тосио Баба | NEC |
![{\ displaystyle I _ {\ text {D}} = \ mu _ {n} C _ {\ text {ox}} {\ frac {W} {L}} \ left [\ left (V _ {\ text {GS}} -V _ {\ rm {th}} \ right) V _ {\ text {DS}} - {\ frac {{V _ {\ text {DS}}} ^ {2}} {2}} \ right] (1+ \ lambda V_ {DS})}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a213928719f4f0d6f821a69f29aa50a1d1e48782)
![{\ displaystyle I _ {\ text {D}} = {\ frac {\ mu _ {n} C _ {\ text {ox}}} {2}} {\ frac {W} {L}} \ left [V_ { \ text {GS}} - V _ {\ text {th}} \ right] ^ {2} \ left [1+ \ lambda (V _ {\ text {DS}} - V _ {\ text {DSsat}}) \ right ].}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f6593b8932bc4a92e53bfce27d1c29b1254b0ed3)
.
VTB = VT0, если VSB = 0, т.е. пороговое напряжение для замыкания выводов затвора и корпуса.
|journal=( помощь )|journal=( помощь )