Войти
МОП-транзистор, показывающий клеммы затвора (G), корпуса (B), истока (S) и стока (D). Ворота отделены от корпуса изоляционным слоем (розового цвета). 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 (IGFET), 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 переключения электронных сигналов. MOSFET был изобретен египетским инженером Мохамедом М. Аталлой и корейским инженером Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году. Это основной строительный блок современной электроники и наиболее часто производимое устройство в истории, общее количество которых оценивается в 13 секстиллионов (1,3 × 10 22) МОП-транзисторы, произведенные в период с 1960 по 2018 год.
MOSFET - это наиболее распространенное полупроводниковое устройство в цифровых и аналоговых схемах, а также наиболее распространенное силовое устройство. Это был первый по-настоящему компактный транзистор, который можно было миниатюризировать и массово производить для широкого спектра применений, что произвело революцию в электронной промышленности и мировой экономике, поскольку он сыграл центральную роль в компьютерной революции, цифровой революции, информационной революции, кремниевой эпохе и информационной эпохе.. Масштабирование и миниатюризация полевых МОП-транзисторов стимулировали быстрый экспоненциальный рост технологий электронных полупроводников с 1960-х годов и позволяют создавать интегральные схемы (ИС) высокой плотности, такие как микросхемы памяти и микропроцессоры. MOSFET считается, возможно, самым важным изобретением в электронике, поскольку он является «рабочей лошадкой» электронной промышленности и «базовой технологией» конца 20-го - начала 21-го веков, произведя революцию в современной культуре, экономике, обществе и повседневной жизни.
MOSFET - это наиболее широко используемый транзистор как в цифровых, так и в аналоговых схемах, и он является основой современной электроники. 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.
МОП-транзисторы в интегральных схемах являются основными элементами компьютерных процессоров, полупроводниковой памяти, датчиков изображения и большинства других типов интегральных схем. 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 оповещения, звукоусиления, домашних и автомобильных звуковых систем.
Мохамед М. Аталла (слева) и Давон Канг (справа) изобрели полевой МОП-транзистор в 1959 году. МОП - транзистор был изобретен Египетский инженер Mohamed М. Atalla и корейский инженер Давон Канг в Bell Telephone Laboratories в 1959 г. Они изготовлены устройства в ноябре 1959 г. и представил его как «кремний-кремний поля диоксида индуцированной поверхности устройства» в начале 1960 - х, на конференции по твердотельным устройствам в Университете Карнеги-Меллона.
В начале 1960-х годов исследовательские программы по технологии MOS были созданы Fairchild Semiconductor, RCA Laboratories, General Microelectronics (во главе с бывшим инженером Fairchild Фрэнком Ванлассом ) и IBM. В 1963 году было сделано первое официальное публичное объявление о существовании MOSFET как потенциальной технологии. Впервые он был коммерциализирован компанией General Microelectronics (GMe) в мае 1964 года, а затем Fairchild в октябре 1964 года. Первый контракт GMe на MOS был заключен с НАСА, которое использовало полевые МОП-транзисторы для космических аппаратов и спутников в программе платформы межпланетного мониторинга (IMP) и программе исследователей. Первые полевые МОП-транзисторы, коммерциализированные GMe 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.
Разработка MOSFET привела к революции в электронных технологиях, названной революцией MOS или революцией MOSFET. MOSFET был первым по-настоящему компактным транзистором, который можно было миниатюризировать и выпускать серийно для широкого спектра применений. Благодаря стремительно масштабирующейся миниатюризации технология MOS стала в центре внимания RCA, Fairchild, Intel и других полупроводниковых компаний в 1960-х годах, подпитывая технологический и экономический рост ранней полупроводниковой промышленности, базирующейся вокруг Калифорнии (включая то, что позже стало известно как Силиконовая долина ) как ну как Япония.
Влияние MOSFET стало коммерчески значимым с конца 1960-х годов. Это привело к революции в электронной промышленности, которая с тех пор повлияла на повседневную жизнь почти во всех смыслах, а технология MOS привела к революционным изменениям в технологиях, экономике, культуре и мышлении. Изобретение полевого МОП-транзистора было названо рождением современной электроники. МОП - транзистор занимает центральное место в революцию электроники, микроэлектроники революции, революции кремния, и микрокомпьютер революции,
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 энергопотребление микросхем интегральных схем и электронных устройств с 1960-х гг.
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. Таким образом, полевые МОП-транзисторы имеют гораздо меньшие размеры, чем биполярные транзисторы, примерно в 20 раз меньше 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 называют самым важным транзистором, самым важным устройством в электронной промышленности, самым важным устройством в вычислительной индустрии, одним из самых важных достижений в полупроводниковой технологии и, возможно, самым важным изобретением 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 также послужил основой для достижений, получивших Нобелевскую премию, таких как квантовый эффект Холла и устройство с зарядовой связью (CCD), но сам MOSFET никогда не присуждался Нобелевской премии. В 2018 году Шведская королевская академия наук, присуждающая Нобелевские премии по науке, признала, что изобретение MOSFET Аталлой и Кангом было одним из самых важных изобретений в микроэлектронике и в информационных и коммуникационных технологиях (ИКТ). 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.
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 понял, что главным преимуществом МОП-транзистора является простота изготовления, особенно подходящая для использования в недавно изобретенных интегральных схемах. 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 1967 году исследователи Bell Labs Роберт Кервин, Дональд Кляйн и Джон Сарас разработали МОП-транзистор с самовыравнивающимся затвором (кремниевым затвором), который исследователи Fairchild Semiconductor Федерико Фаггин и Том Кляйн использовали для разработки первой МОП-ИС с кремниевым затвором.
Intel 4004 (1971 г.), первый однокристальный микропроцессор. Это 4-битный центральный процессор (ЦП), созданный на микросхеме крупномасштабной интеграции (LSI) с кремниевым затвором PMOS с технологией 10 мкм. Существуют различные типы микросхем MOS IC, в том числе следующие.
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 ».
Nvidia GeForce 256 (один тысяче девятьсот девяносто девять), ранний графический процессор (GPU), изготовленных на TSMC «ы 220 нм КМОП интегральной схемы (ИС). Дополнительная логика металл-оксид-полупроводник ( CMOS ) была разработана Чих-Танг Сахом и Фрэнком Ванлассом 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).
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.
Адаптер Bluetooth. Интегральные схемы со смешанными сигналами RF CMOS широко используются почти во всех современных устройствах Bluetooth. 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).
Аналоговые переключатели MOSFET используют MOSFET для передачи аналоговых сигналов, когда они включены, и в качестве высокого импеданса, когда они выключены. Сигналы проходят через переключатель MOSFET в обоих направлениях. В этом приложении сток и исток полевого МОП-транзистора меняются местами в зависимости от относительных напряжений электродов истока / стока. Источником является более отрицательная сторона для N-MOS или более положительная сторона для P-MOS. Все эти переключатели ограничены в том, какие сигналы они могут пропускать или останавливать, их напряжениями затвор-исток, затвор-сток и исток-сток; превышение пределов напряжения, тока или мощности может привести к повреждению коммутатора.
В этом аналоговом переключателе используется простой четырехконтактный полевой МОП-транзистор типа P или N.
В случае переключателя n-типа корпус подключается к самому отрицательному источнику питания (обычно GND), а затвор используется в качестве управления переключателем. Когда напряжение затвора превышает напряжение источника, по крайней мере, на пороговое напряжение, полевой МОП-транзистор проводит ток. Чем выше напряжение, тем большую проводимость МОП-транзистор может проводить. Переключатель N-MOS пропускает все напряжения ниже V gate - V tn. Когда переключатель находится в проводящем состоянии, он обычно работает в линейном (или омическом) режиме работы, поскольку напряжения истока и стока обычно примерно равны.
В случае P-MOS тело подключается к наиболее положительному напряжению, а затвор приводится к более низкому потенциалу, чтобы включить переключатель. Переключатель P-MOS пропускает все напряжения выше, чем V gate - V tp (пороговое напряжение V tp отрицательно в случае P-MOS в режиме улучшения).
Этот «дополнительный» или CMOS-тип переключателя использует один P-MOS и один N-MOS FET, чтобы противодействовать ограничениям однотипного переключателя. Сток и истоки полевых транзисторов подключены параллельно, корпус P-MOS подключен к высокому потенциалу ( V DD), а корпус N-MOS подключен к низкому потенциалу ( gnd). Чтобы включить переключатель, на затвор P-MOS устанавливается низкий потенциал, а на затвор N-MOS устанавливается высокий потенциал. Для напряжений между V DD - V tn и gnd - V tp оба полевых транзистора проводят сигнал; для напряжений менее gnd - V tp N-MOS проводит только; а для напряжений выше V DD - V tn P-MOS проводит только.
Пределы напряжения для этого переключателя - это пределы напряжения затвор-исток, затвор-сток и исток-сток для обоих полевых транзисторов. Кроме того, P-MOS обычно в два-три раза шире, чем N-MOS, поэтому переключатель будет сбалансирован по скорости в двух направлениях.
Схема с тремя состояниями иногда включает переключатель CMOS MOSFET на выходе для обеспечения низкоомного полнодиапазонного выхода при включении и высокоомного сигнала среднего уровня в выключенном состоянии.
Модуль памяти DDR4 SDRAM с двухрядным расположением выводов (DIMM). Это тип DRAM (динамическая память с произвольным доступом ), в которой используются ячейки MOS-памяти, состоящие из полевых МОП-транзисторов и МОП-конденсаторов. 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 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.
USB-накопитель. Он использует флэш-память, тип МОП-памяти, состоящий из ячеек памяти MOSFET с плавающим затвором. Существуют различные типы MOS-памяти. В следующем списке представлены различные типы памяти MOS.
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.
CMOS-датчик изображения. Датчики изображения MOS являются основой для цифровых фотоаппаратов, цифровых изображений, камерофонов, экшн-камер и оптических мышей. 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.
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.
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.
Общие области применения других МОП-датчиков включают следующее.
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. Мощности MOSFET, который обычно используется в силовой электронике, был разработан в начале 1970 - х лет. Мощный полевой МОП-транзистор обеспечивает низкую мощность привода затвора, высокую скорость переключения и расширенные возможности параллельного подключения.
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.
LDMOS, силовой полевой МОП-транзистор с боковой структурой, обычно используется 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.
Силовые полевые МОП-транзисторы, включая устройства DMOS, LDMOS и VMOS, обычно используются для множества других приложений, в том числе следующих.
RF DMOS, также известный как RF power MOSFET, представляет собой тип силового транзистора DMOS, предназначенный для радиочастотных (RF) приложений. Он используется в различных радио- и радиочастотных приложениях, в том числе в следующих.
МОП-транзисторы имеют фундаментальное значение для индустрии бытовой электроники. По словам Колинджа, без MOSFET не было бы множества бытовой электроники, такой как, например, цифровые наручные часы, карманные калькуляторы и видеоигры.
МОП-транзисторы обычно используются в широком спектре бытовой электроники, в том числе в перечисленных ниже устройствах. Компьютеры или телекоммуникационные устройства (например, телефоны ) сюда не включены, но перечислены отдельно в разделе « Информационные и коммуникационные технологии (ИКТ) » ниже.
Карманный калькулятор Casio с жидкокристаллическим дисплеем (LCD). МОП-транзисторы являются основой карманных калькуляторов и ЖК-дисплеев. 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 калькулятором MOS LSI с 29 микросхемами MOS LSI. 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 массовым калькулятором LSI MOS. в 1969 году, и 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 на- a-chip от Mostek и был выпущен в 1971 году. К 1972 году схемы MOS LSI были коммерциализированы для множества других приложений.
Домашний кинотеатр Sony с ЖК-телевизором Full HD, цифровой ТВ -приставкой, DVD-плеером, игровой приставкой PlayStation 3 и громкоговорителями. МОП-транзисторы используются во всех этих бытовых электронных устройствах. МОП-транзисторы обычно используются для широкого спектра аудиовизуальных (AV) медиа-технологий, которые включают следующий список приложений.
Силовые МОП-транзисторы обычно используются в широком спектре бытовой электроники. Силовые МОП-транзисторы широко используются в следующих потребительских приложениях.
Зарядное устройство для аккумулятора мобильного телефона, тип импульсного источника питания (SMPS), адаптер переменного тока. Силовые полевые МОП-транзисторы широко используются в большинстве источников питания SMPS и адаптерах переменного тока мобильных устройств. 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 ).
Персональный компьютер (ПК) с монитором, клавиатурой и мышью. МОП-транзисторы являются основой ПК, а также широко используются в периферийных устройствах, таких как мониторы, клавиатуры, принтеры, динамики и оптические мыши. МОП-транзисторы обычно используются в широком спектре компьютеров и вычислительных приложений, в том числе в следующих.
Смартфон Apple iPhone (2007 г.). МОП-транзисторы являются основой для смартфонов, каждый из которых обычно содержит миллиарды полевых МОП-транзисторов. МОП-транзисторы обычно используются в широком спектре телекоммуникаций, включая следующие приложения.
Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) представляет собой мощный транзистор с характеристиками как на МОП - транзистора и биполярный плоскостной транзистор (BJT). По состоянию на 2010 год IGBT является вторым наиболее широко используемым силовым транзистором после силового MOSFET. На IGBT приходится 27% рынка силовых транзисторов, уступая только силовому MOSFET (53%) и опережая ВЧ-усилитель (11%) и транзистор с биполярным переходом (9%). IGBT широко используется в бытовой электронике, промышленных технологиях, энергетическом секторе, аэрокосмических электронных устройствах и на транспорте.
IGBT широко используется в следующих приложениях.
Двумерный электронный газ (2DEG) присутствует, когда МОП - транзистор находится в режиме инверсии, и находится непосредственно под оксидным слоем затвора. В квантовой физике и квантовой механике МОП-транзистор является основой для двумерного электронного газа (2DEG) и квантового эффекта Холла. MOSFET позволяет физикам изучать поведение электронов в двумерном газе, называемом двумерным электронным газом. В полевом МОП-транзисторе электроны проводимости перемещаются в тонком поверхностном слое, и напряжение «затвора» контролирует количество носителей заряда в этом слое. Это позволяет исследователям исследовать квантовые эффекты, используя полевые МОП-транзисторы высокой чистоты при температурах жидкого гелия.
В 1978 году исследователи из Университета Гакусуин Дзюн-ичи Вакабаяси и Синдзи Кавадзи наблюдали эффект Холла в экспериментах, проведенных на инверсионном слое полевых МОП-транзисторов. В 1980 году Клаус фон Клитцинг, работая в лаборатории сильного магнитного поля в Гренобле с образцами кремниевых полевых МОП-транзисторов, разработанных Майклом Пеппером и Герхардом Дорда, сделал неожиданное открытие квантового эффекта Холла.
MOSFET используется в квантовой технологии. 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.
МОП-транзисторы широко используются на транспорте. Например, они обычно используются для автомобильной электроники в автомобильной промышленности. Технология MOS обычно используется для широкого спектра автомобилей и транспорта, включая следующие приложения.
Tesla Model S электрического автомобиля. МОП-транзисторы являются основой современных электромобилей. МОП-транзисторы широко используются в автомобильной промышленности, особенно в автомобильной электронике в автомобилях. Автомобильные приложения включают следующее.
Силовые полевые МОП-транзисторы широко используются в транспортной технике, в том числе в следующих транспортных средствах.
В автомобильной промышленности силовые полевые МОП-транзисторы широко используются в автомобильной электронике, в том числе следующие.
Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) представляет собой мощный транзистор с характеристиками как на МОП - транзистора и биполярный плоскостной транзистор (BJT). БТИЗ широко используются в следующих транспортных приложениях.
На космическом корабле Кассини-Гюйгенс, летевшем на Сатурн, для распределения энергии использовались MOSFET- переключатели. В космической отрасли устройства MOSFET были приняты НАСА для космических исследований в 1964 году в рамках программы Interplanetary Monitoring Platform (IMP) и программы исследования космоса Explorers. Использование полевых МОП-транзисторов стало большим шагом вперед в проектировании электроники космических аппаратов и спутников. IMP D ( Explorer 33 ), запущенный в 1966 году, был первым космическим аппаратом, в котором использовался полевой МОП-транзистор. Данные, собранные космическими кораблями и спутниками IMP, были использованы для поддержки программы Apollo, что позволило осуществить первую пилотируемую посадку на Луну с миссией Apollo 11 в 1969 году.
На космическом корабле « Кассини-Гюйгенс» к Сатурну в 1997 году было выполнено распределение мощности на 192 твердотельных переключателях питания (SSPS), которые также работали как выключатели в случае перегрузки. Переключатели были разработаны на основе комбинации двух полупроводниковых устройств с возможностью переключения: MOSFET и ASIC (специализированная интегральная схема ). Эта комбинация привела к созданию усовершенствованных переключателей питания, которые имели лучшие рабочие характеристики, чем традиционные механические переключатели.
МОП-транзисторы обычно используются для множества других приложений, включая следующие.
