Transistor efek-medan semikonduktor logam-oksida (MOSFET) adalah salah satu jenis
transistor efek medan. Prinsip dasar perangkat ini pertama kali diusulkan oleh
Julius Edgar Lilienfeld pada tahun
1925 . MOSFET mencakup kanal dari bahan
semikonduktor tipe-N dan
tipe-P, dan disebut NMOSFET atau PMOSFET (juga biasa nMOS, pMOS). Ini adalah transistor yang paling umum pada
sirkuit digital maupun
analog, namun
transistor sambungan dwikutub pada satu waktu lebih umum.
Etimologi
Kata 'logam' pada nama yang sekarang digunakan sebenarnya merupakan
nama yang salah karena bahan gerbang yang dahulunya lapisan logam-oksida
sekarang telah sering digantikan dengan lapisan polisilikon (
polikristalin silikon). Sebelumnya
aluminium digunakan sebagai bahan gerbang sampai pada tahun
1980
-an ketika polisilikon mulai dominan dengan kemampuannya untuk
membentuk gerbang menyesuai-sendiri. Walaupun demikian, gerbang logam
sekarang digunakan kembali karena sulit untuk meningkatkan kecepatan
operasi transistor tanpa pintu logam.
IGFET adalah peranti terkait, istilah lebih umum yang berarti
transistor efek-medan gerbang-terisolasi,
dan hampir identik dengan MOSFET, meskipun dapat merujuk ke semua FET
dengan isolator gerbang yang bukan oksida. Beberapa menggunakan IGFET
ketika merujuk pada perangkat dengan gerbang polisilikon, tetapi
kebanyakan masih menyebutnya MOSFET.
Komposisi
Fotomikrograf dua gerbang logam MOSFET dalam ujicoba.
Biasanya bahan semikonduktor pilihan adalah
silikon, namun beberapa produsen IC, terutama
IBM, mulai menggunakan campuran silikon dan
germanium (
SiGe) sebagai kanal MOSFET. Sayangnya, banyak
semikonduktor dengan karakteristik listrik yang lebih baik daripada silikon, seperti
galium arsenid (
GaAs),
tidak membentuk antarmuka semikonduktor-ke-isolator yang baik sehingga
tidak cocok untuk MOSFET. Hingga kini terus diadakan penelitian untuk
membuat isolator yang dapat diterima dengan baik untuk bahan
semikonduktor lainnya.
Untuk mengatasi peningkatan konsumsi daya akibat kebocoran arus gerbang,
dielektrik
κ tinggi menggantikan silikon dioksida sebagai isolator gerbang, dan
gerbang logam kembali digunakan untuk menggantikan polisilikon
[1].
Gerbang dipisahkan dari kanal oleh lapisan tipis isolator yang secara
tradisional adalah silicon dioksida, tetapi yang lebih maju menggunakan
teknologi silicon oxynitride. Beberapa perusahaan telah mulai
memperkenalkan kombinasi dielektrik κ tinggi + gerbang logam di
teknologi 45 nanometer.
Simbol sirkuit
Berbagai simbol digunakan untuk MOSFET. Desain dasar umumnya garis
untuk saluran dengan kaki sumber dan cerat meninggalkannya di setiap
ujung dan membelok kembali sejajar dengan kanal. Garis lain diambil
sejajar dari kanal untuk gerbang. Kadang-kadang tiga segmen garis
digunakan untuk kanal peranti moda pengayaan dan garis lurus untuk moda
pemiskinan.
Sambungan badan jika ditampilkan digambar tersambung ke bagian tengan
kanal dengan panah yang menunjukkan PMOS atau NMOS. Panah selalu
menunjuk dari P ke N, sehingga NMOS (kanal-N dalam sumur-P atau
substrat-P) memiliki panah yang menunjuk kedalam (dari badan ke kanal).
Jika badan terhubung ke sumber (seperti yang umumnya dilakukan)
kadang-kadang saluran badan dibelokkan untuk bertemu dengan sumber dan
meninggalkan transistor. Jika badan tidak ditampilkan (seperti yang
sering terjadi pada desain IC desain karena umumnya badan bersama)
simbol inversi kadang-kadang digunakan untuk menunjukkan PMOS, sebuah
panah pada sumber dapat digunakan dengan cara yang sama seperti
transistor dwikutub (keluar untuk NMOS, masuk untuk PMOS).
|
|
|
|
Kanal-P
|
|
|
|
|
Kanal-N
|
JFET |
MOSFET pengayaan |
MOSFET pemiskinan
|
Untuk simbol yang memperlihatkan saluran badan, di sini dihubungkan
internal ke sumber. Ini adalah konfigurasi umum, namun tidak berarti
hanya satu-satunya konfigurasi. Pada dasarnya, MOSFET adalah peranti
empat saluran, dan di sirkuit terpadu banyak MOSFET yang berbagi
sambungan badan, tidak harus terhubung dengan saluran sumber semua
transistor.
Operasi MOSFET
Untuk informasi lebih lanjut, lihat referensi berikut
[2].
Struktur Semikonduktor–Logam–Oksida
Struktur Semikonduktor–Logam–Oksida pada silikon tipe-P
Struktur semikonduktor–logam–oksida sederhana diperoleh dengan
menumbuhkan selapis oksida silikon di atas substrat silikon dan
mengendapkan selapis logam atau silikon polikristalin. Karena oksida
silikon merupakan bahan dielektrik, struktur MOS serupa dengan
kondensator planar dengan salah satu elektrodenya digantikan dengan
semikonduktor.
Ketika tegangan diterapkan membentangi struktur MOS, tegangan ini
mengubah penyebaran muatan dalam semikonduktor. Umpamakan sebuah
semikonduktor tipe-p (dengan
NA merupakan kepadatan akseptor,
p kepadatan lubang;
p = NA pada badan netral), sebuah tegangan positif
dari gerbang ke badan membuat lapisan pemiskinan dengan memaksa lubang
bermuatan positif untuk menjauhi antarmuka
gerbang-isolator/semikonduktor, meninggalkan daerah bebas pembawa. Jika
cukup tinggi, kepadatan tinggi pembawa muatan negatif membentuk lapisan
inversi dibawah antarmuka antara semikonduktor dan isolator. Umumnya,
tegangan gerbang dimana kepadatan elektron pada lapisan inversi sama
dengan kepadatan lubang pada badan disebut tegangan ambang.
Struktur badan tipe-p ini adalah konsep dasar dari MOSFET tipe-n,
yang mana membutuhkan penambahan daerah sumber dan cerat tipe-n.
Struktur MOSFET dan formasi kanal
Irisan NMOS tanpa kanal yang terbentuk (keadaan mati)
Irisan NMOS dengan kanal yang terbentuk (keadaan hidup)
Sebuah transistor efek-medan semikonduktor–logam–oksida (MOSFET)
adalah berdasarkan pada modulasi konsentrasi muatan oleh kapasitansi MOS
di antara elektrode badan dan elektrode gerbang yang terletak di atas
badan dan diisolasikan dari semua daerah peranti dengan sebuah lapisan
dielektrik gerbang yang dalam MOSFET adalah sebuah oksida, seperti
silikon dioksida. Jika dielektriknya bukan merupakan oksida, peranti
mungkin disebut sebagai FET semikonduktor–logam–terisolasi (
MISFET) atau FET gerbang–terisolasi (
IGFET).
MOSFET menyertakan dua saluran tambahan yaitu sumber dan cerat yang
disambungkan ke daerah dikotori berat tersendiri yang dipisahkan dari
daerah badan. Daerah tersebut dapat berupa tipe-p ataupun tipe-n, tetapi
keduanya harus dari tipe yang sama, dan berlawanan tipe dengan daerah
badan. Daerah sumber dan cerat yang dikotori berat biasanya ditandai
dengan '+' setelah tipe pengotor. Sedangkan daerah yang dikotori ringan
tidak diberikan tanda.
Jika MOSFET adalah berupa salur-n atau NMOS FET, lalu sumber dan
cerat adalah daerah 'n+' dan badan adalah daerah 'p'. Maka seperti yang
dijelaskan di atas, dengan tegangan gerbang yang cukup, di atas harga
tegangan ambang, elektron dari sumber memasuki lapisan inversi atau
salur-n
pada antarmuka antara daerah-p dengan oksida. Kanal yang menghantar ini
merentang di antara sumber dan cerat, dan arus dialirkan melalui kanal
ini jika ada tegangan yang dikenakan di antara sumber dan cerat.
Jika tegangan gerbang dibawah harga ambang, kanal kurang terpopulasi
dan hanya sedikit arus bocoran praambang yang dapat mengalir dari sumber
ke cerat.
Moda operasi
Operasi dari MOSFET dapat dibedakan menjadi tiga moda yang berbeda,
bergantung pada tegangan yang dikenakan pada saluran. Untuk mempermudah,
perhitungan dibawah merupakan perhitungan yang telah disederhanakan
[3][4].
Untuk sebuah
MOSFET salur-n moda pengayaan, ketiga moda operasi adalah:
Moda Inversi Lemah
Disebut juga moda Titik-Potong atau Pra-Ambang, yaitu ketika
VGS < Vth
-
- dimata V_th adalah tegangan ambang peranti.
- Berdasarkan model ambang dasar, transistor dimatikan dan tidak ada
penghantar antara sumber dan cerat. Namun pada kenyataannya, distribusi
Boltzmann dari energi elektron memungkinkan beberapa elektron berenergi
tinggi pada sumber untuk memasuki kanal dan mengalir ke cerat,
menghasilan arus praambang yang merupakan fungsi eksponensial terhadan
tegangan gerbang–sumber. Walaupun arus antara cerat dan sumber harusnya
nol ketika transistor minatikan, sebenarnya ada arus inversi-lemah yang
sering disebut sebagai bocoran praambang.
- Pada inversi-lemah, arus berubah eksponensial terhadap panjar gerbang-ke-sumber VGS[5][6]
- ,
- dimana ID0 = arus pada dan faktor landaian n didapat dari
- ,
- dengan = kapasitansi dari lapisan pemiskinan dan = kapasitansi dari lapisan oksida.
- Beberapa sirkuit daya-mikro didesain untuk mengambil keuntungan dari bocoran praambang.[7][8][9]
Dengan menggunakan daerah inversi-lemah, MOSFET pada sirkuit tersebut
memberikan perbandingan transkonduktansi terhadap arus yang tertinggi (), hampir seperti transistor dwikutub. Sayangnya lebar-jalur rendah dikarenakan arus penggerak yang rendah.[10][11]
arus cerat MOSFET vs. Tegangan cerat-ke-sumber untuk beberapa harga
, perbatasan antara moda
linier (
Ohmik) dan
penjenuhan (
aktif) diperlihatkan sebagai lengkung parabola di atas
Irisan MOSFET dalam noda linier (ohmik), daerah inversi kuat terlihat bahkan didekat cerat
Irisan MOSFET dalam moda penjenuhan (aktif), terdapat takik didekat cerat
Moda trioda
Disebut juga sebagai daerah linear (atau daerah Ohmik
[12][13]) yaitu ketika
VGS > Vth dan
VDS < ( VGS - Vth )
.
- Transistor dihidupkan dan sebuah kanal dibentuk yang memungkinkan
arus untuk mengalir di antara sumber dan cerat. MOSFET beroperasi
seperti sebuah resistor, dikendalikan oleh tegangan gerbang relatif
terhadap baik tegangan sumber dan cerat. Arus dari cerat ke sumber
ditentukan oleh:
- dimana adalah pergerakan efektif pembawa muatan, adalah lebar gerbana, adalah panjang gerbang dan
adalah kapasitansi oksida gerbang tiap unit luas. Transisi dari daerah
eksponensial praambang ke daerah trioda tidak setajam seperti yang
diperlihatkan perhitungan.
Moda penjenuhan
Juga disebut dengan Moda Aktif
[14][15]
- Ketika VGS > Vth dan VDS > ( VGS - Vth )
- Transistor dihidupkan dan kanal dibentuk, memungkinkan arus untuk
mengalir di antara sumber dan cerat. Karena tegangan cerat lebih tinggi
dari tegangan gerbang, elektron menyebar dan penghantaran tidak melalui
kanal sempit tetapi melalui kanal yang jauh lebih lebar. Awal dari
daerah kanal disebut penyempitan untuk menunjukkan kurangnya daerah
kanal didekat cerat. Arus cerat sekarang hanya sedikit bergantung pada
tegangan cerat dan dikendalikan terutama oleh tegangan gerbang–sumber.
-
- Faktor tambahan menyertakan λ, yaitu parameter modulasi panjang
kanal, membuat tegangan cerat mandiri terhadap arus, dikarenakan oleh
adanya efek Early.
-
- ,
- dimana kombinasi Vov = VGS - Vth dinamakan tegangan overdrive.[16] Parameter penting desain MOSFET adalah resistansi keluaran :
-
- .
Tipe MOSFET lainnya
MOSFET gerbang ganda
MOSFET gerbang ganda mempunyai konfigurasi tetroda, dimana semua
gerbang mengendalikan arus dalam peranti. Ini biasanya digunakan untuk
peranti isyarat kecil pada penggunaan frekuensi radio dimana gerbang
kedua gerang keduanya digunakan sebagai pengendali penguatan atau
pencampuran dan pengubahan frekuensi.
FinFET
Peranti FinFET gerbang ganda.
FinFET
adalah sebuah peranti gerbang ganda yang diperkenalkan untuk
memprakirakan flek kanal pendek dan mengurangi perendahan sawar
diinduksikan-cerat.
MOSFET moda pemiskinan
Peranti MOSFET moda pemiskinan adalah MOSFET yang dikotori sedemikian
pura sehingga sebuah kanal terbentuk walaupun tidak ada tegangan dari
gerbang ke sumber. Untuk mengendalikan kanal, tegangan negatif dikenakan
pada gerbang untuk peranti salur-n sehingga
"memiskinkan" kanal,
yang mana mengurangi arus yang mengalir melalui kanal. Pada dasarnya,
peranti ini ekivalen dengan sakelar normal-hidup, sedangkan MOSFET moda
pengayaan ekivalen dengan sakelar normal-mati.
[17]
Karena peranti ini kurang berdesah pada daerah RF dan penguatan yang
lebih baik, peranti ini sering digunakan pada peralatan elektronik RF.
Logika NMOS
MOSFET salur-n lebih kecil daripada MOSFET salur-p untuk performa
yang sama, dan membuat hanya satu tipe MOSFET pada kepingan silikon
lebih murah dan lebih sederhana secara teknis. Ini adalah prinsip dasar
dalam desain logika NMOS yang hanya menggunakan MOSFET salur-n. Walaupun
begitu, tidak seperti logika CMOS, logika NMOS menggunakan daya bahkan
ketika tidak ada pensakelaran. Dengan peningkatan teknologi, logika CMOS
menggantikan logika NMOS pada tahun 1980-an.
MOSFET daya
Irisan sebuah MOSFET daya dengan sel persegi. Sebuah transistor biasanya terdiri dari beberapa ribu sel.
MOSFET daya memiliki struktur yang berbeda dengan MOSFET biasa.
[18]
Seperti peranti semikonduktor daya lainnya, strukturnya adalah
vertikal, bukannya planar. Menggunakan struktur vertikal memungkinkan
transistor untuk bertahan dari tegangan tahan dan arus yang tinggi.
Rating tegangan dari transistor adalah fungsi dari pengotoran dan
ketebalan dari lapisan epitaksial-n, sedangkan rating arus adalah fungsi
dari lebar kanal. Pada struktur planar, rating arus dan tegangan tembus
ditentukan oleh fungsi dari dimensi kanal, menghasilkan penggunaan yang
tidak efisien untuk daya tinggi. Dengan struktur vertikal, besarnya
komponen hampir sebanding dengan rating arus dan ketebalan komponen
sebanding dengan rating tegangan.
MOSFET daya dengan struktur lateral banyak digunakan pada penguat
audio hi-fi. Kelebihannya adalah karakteristik yang lebih baik pada
daerah penjenuhan daripada MOSFET vertikal. MOSFET vertikal didesain
untuk penggunaan pensakelaran.
DMOS
DMOS atau semikonduktor–logam–oksida terdifusi–ganda adalah teknologi
penyempurnaan dari MOSFET vertikal. Hampir semua MOSFET daya
dikonstruksi dengan teknologi ini.