Aplikacje MOSFET - MOSFET applications

Metal-tlenek-półprzewodnik tranzystor polowy ( MOSFET , MOSFET lub MOSFET ), znany również jako tranzystor metal-tlenek krzemu ( tranzystor MOS lub MOS ), to rodzaj z izolowaną bramką polowy tranzystor (IGFET), który jest wytwarzany przez kontrolowane utlenianie z półprzewodnikowych , zwykle krzemu . Napięcie zakrytej bramki określa przewodność elektryczną urządzenia; Ta zdolność do zmiany przewodności wraz z ilością przyłożonego napięcia może być wykorzystana do wzmacniania lub przełączania sygnałów elektronicznych . MOSFET został wynaleziony przez egipskiego inżyniera Mohamed M. Atalla i koreański inżynier Dawon Kahng w Bell Labs w roku 1959. Jest to podstawowy budulec nowoczesnej elektroniki , a najczęściej produkowane urządzenie w historii, a przybliżony sumie 13 sextillion (1,3 × 10 ²² ) MOSFET-y wyprodukowane w latach 1960-2018.  

MOSFET jest najpopularniejszym urządzeniem półprzewodnikowym w obwodach cyfrowych i analogowych oraz najpopularniejszym urządzeniem zasilającym . Było to pierwsze prawdziwie zwarty tranzystor , który może być zminiaturyzowane i masowo produkowane dla szerokiego zakresu zastosowań , rewolucjonizuje przemysł elektroniczny i światową gospodarkę , będąc centralny do rewolucji komputerowej , cyfrowej rewolucji , rewolucji informacyjnej , wiek krzemu i wieku informacji . Skalowanie i miniaturyzacja tranzystorów MOSFET od lat 60. XX wieku napędza gwałtowny wzrost wykładniczy technologii półprzewodników elektronicznych i umożliwia tworzenie układów scalonych o wysokiej gęstości (IC), takich jak układy pamięci i mikroprocesory . MOSFET jest uważany za prawdopodobnie najważniejszy wynalazek w elektronice, jako „wół roboczy” przemysłu elektronicznego i „podstawowa technologia” od końca XX do początku XXI wieku, który zrewolucjonizował współczesną kulturę, gospodarkę, społeczeństwo i życie codzienne.

MOSFET jest zdecydowanie najszerzej stosowanym tranzystorem zarówno w obwodach cyfrowych, jak i analogowych i stanowi kręgosłup nowoczesnej elektroniki . Jest podstawą wielu nowoczesnych technologii i jest powszechnie stosowany w szerokim zakresie zastosowań. Według Jean-Pierre'a Colinge'a bez MOSFET nie byłoby wielu nowoczesnych technologii, takich jak np. nowoczesny przemysł komputerowy , cyfrowe systemy telekomunikacyjne , gry wideo , kalkulatory kieszonkowe i cyfrowe zegarki na rękę .

MOSFETy w układach scalonych są podstawowymi elementami procesorów komputerowych , pamięci półprzewodnikowych , czujników obrazu i większości innych typów układów scalonych. Dyskretne urządzenia MOSFET są szeroko stosowane w zastosowaniach, takich jak zasilacze impulsowe , napędy o zmiennej częstotliwości i inne aplikacje energoelektroniczne , w których każde urządzenie może przełączać tysiące watów. Wzmacniacze częstotliwości radiowych do widma UHF wykorzystują tranzystory MOSFET jako wzmacniacze sygnału analogowego i mocy . Systemy radiowe wykorzystują również tranzystory MOSFET jako oscylatory lub miksery do konwersji częstotliwości. Urządzenia MOSFET są również stosowane we wzmacniaczach częstotliwości audio dla systemów nagłośnieniowych , nagłośnienia oraz domowych i samochodowych systemach dźwiękowych.

Historia

MOSFET został wynaleziony przez egipskiego inżyniera Mohamed M. Atalla i koreański inżynier Dawon Kahng w Bell Telephone Laboratories w roku 1959. Są one wykonane urządzenie w listopadzie 1959 roku i przedstawiła go jako „krzem krzemu dwutlenek pola indukowane powierzchni urządzenia” na początku 1960 roku, na konferencji Solid-State Device Conference, która odbyła się na Uniwersytecie Carnegie Mellon .

Na początku lat 60. programy badawcze nad technologią MOS zostały ustanowione przez Fairchild Semiconductor , RCA Laboratories , General Microelectronics (kierowany przez byłego inżyniera Fairchilda Franka Wanlass ) i IBM . W 1963 dokonano pierwszego oficjalnego publicznego ogłoszenia istnienia MOSFET jako potencjalnej technologii. Następnie został po raz pierwszy skomercjalizowany przez General Microelectronics (GMe) w maju 1964 roku, a następnie przez Fairchild w październiku 1964 roku. Pierwszy kontrakt MOS GMe był zawarty z NASA , która wykorzystywała tranzystory MOSFET dla statków kosmicznych i satelitów w programie Interplanetary Monitoring Platform (IMP) i Explorers Program . Wczesne tranzystory MOSFET skomercjalizowane przez GMe i Fairchild były urządzeniami z kanałem p ( PMOS ) do zastosowań logicznych i przełączających. W połowie lat 60. RCA używała tranzystorów MOSFET w swoich produktach konsumenckich, w tym w radiu FM , telewizji i wzmacniaczach .

rewolucja MOS

Rozwój MOSFET doprowadził do rewolucji w technologii elektronicznej , zwanej rewolucją MOS lub rewolucją MOSFET. MOSFET był pierwszym prawdziwie kompaktowym tranzystorem, który można było zminiaturyzować i masowo produkować do szerokiego zakresu zastosowań. Dzięki szybko skalującej się miniaturyzacji technologia MOS stała się w latach 60. przedmiotem zainteresowania RCA, Fairchild, Intel i innych firm produkujących półprzewodniki , napędzając rozwój technologiczny i gospodarczy wczesnego przemysłu półprzewodników z siedzibą w Kalifornii (w tym to, co później stało się znane jako Dolina Krzemowa ) jako jak również Japonia.

Wpływ MOSFET stał się znaczący komercyjnie od końca lat sześćdziesiątych. Doprowadziło to do rewolucji w branży elektronicznej , która od tego czasu wpłynęła na codzienne życie niemal pod każdym względem, a technologia MOS doprowadziła do rewolucyjnych zmian w technologii, gospodarce, kulturze i myśleniu . Wynalezienie tranzystora MOSFET jest uważane za narodziny nowoczesnej elektroniki . MOSFET był kluczem do rewolucji elektronicznej, rewolucji mikroelektronicznej, rewolucji krzemowej i rewolucji mikrokomputerowej ,

Znaczenie

MOSFET stanowi podstawę nowoczesnej elektroniki i jest podstawowym elementem w najnowocześniejszym sprzęcie elektronicznym . Jest to najpopularniejszy tranzystor w elektronice i najczęściej używane urządzenie półprzewodnikowe na świecie. Został opisany jako „wół roboczy przemysłu elektronicznego” i „podstawowa technologia” od końca XX do początku XXI wieku. Skalowanie i miniaturyzacja tranzystorów MOSFET (patrz Lista przykładów w skali półprzewodników ) były głównymi czynnikami stojącymi za szybkim wykładniczym wzrostem technologii elektronicznych półprzewodników od lat 60. XX wieku, ponieważ szybka miniaturyzacja tranzystorów MOSFET była w dużej mierze odpowiedzialna za wzrost gęstości tranzystorów , zwiększenie wydajności i zmniejszenie pobór mocy układów scalonych i urządzeń elektronicznych od lat 60. XX wieku.

MOSFET są zdolne do wysokiej skalowalności ( prawo Moore'a i skalowanie Dennarda ), wraz ze wzrostem miniaturyzacji i mogą być łatwo skalowane do mniejszych rozmiarów. Zużywają znacznie mniej energii i pozwalają na znacznie większą gęstość niż tranzystory bipolarne. MOSFET mają zatem znacznie mniejsze rozmiary niż BJT, około 20 razy mniejsze na początku lat 90. XX wieku. MOSFETy mają również większą prędkość przełączania, z szybkim elektronicznym przełączaniem włącz-wyłącz, co czyni je idealnymi do generowania ciągów impulsów , stanowiących podstawę sygnałów cyfrowych . w przeciwieństwie do BJT, które wolniej generują sygnały analogowe przypominające fale sinusoidalne . MOSFETy są również tańsze i mają stosunkowo proste etapy przetwarzania, co skutkuje wysoką wydajnością produkcji . W ten sposób tranzystory MOSFET umożliwiają integrację na dużą skalę (LSI) i są idealne do obwodów cyfrowych , a także liniowych obwodów analogowych .

MOSFET został nazwany najważniejszym tranzystorem , najważniejszym urządzeniem w branży elektronicznej, najważniejszym urządzeniem w branży komputerowej , jednym z najważniejszych osiągnięć w technologii półprzewodnikowej i prawdopodobnie najważniejszym wynalazkiem w elektronice. MOSFET jest podstawowym budulcem nowoczesnych elektroniki cyfrowej , podczas cyfrowej rewolucji , rewolucji informacyjnej , ery informacji i wieku krzemu . MOSFETy były siłą napędową rewolucji komputerowej i technologii, które ona umożliwia. Szybki postęp przemysłu elektronicznego na przełomie XX i XXI wieku został osiągnięty dzięki szybkiemu skalowaniu MOSFET ( skalowanie Dennarda i prawo Moore'a ) do poziomu nanoelektroniki na początku XXI wieku. MOSFET zrewolucjonizował świat w erze informacji, dzięki swojej wysokiej gęstości, dzięki czemu komputer może funkcjonować na kilku małych układach scalonych zamiast wypełniać pokój, a później umożliwił korzystanie z technologii komunikacji cyfrowej , takiej jak smartfony .

MOSFET jest najczęściej produkowanym urządzeniem w historii. MOSFET generuje roczną sprzedaż w wysokości 295 miliardów dolarów od 2015 roku. Szacuje się, że w latach 1960-2018 wyprodukowano 13 bilionów tranzystorów MOS, co stanowi co najmniej 99,9% wszystkich tranzystorów. Cyfrowe układy scalone, takie jak mikroprocesory i urządzenia pamięci, zawierają od tysięcy do miliardów zintegrowanych tranzystorów MOSFET na każdym urządzeniu, zapewniając podstawowe funkcje przełączania wymagane do implementacji bramek logicznych i przechowywania danych. Istnieją również urządzenia pamięci zawierające co najmniej bilion tranzystorów MOS, takie jak karta pamięci microSD o pojemności 256 GB , większa niż liczba gwiazd w galaktyce Drogi Mlecznej . Od 2010 r. zasady działania nowoczesnych tranzystorów MOSFET pozostają w dużej mierze takie same, jak w przypadku oryginalnego MOSFET-u zademonstrowanego po raz pierwszy przez Mohameda Atallę i Dawona Kahnga w 1960 r.   

US Patent and Trademark Urząd wzywa MOSFET jest „przełomowy wynalazek, który przekształca życie i kulturę na całym świecie” i Muzeum Historii Komputerów kredytów to z „nieodwracalnie zmienia ludzkie doświadczenie.” MOSFET był również podstawą przełomowych odkryć, które zdobyły Nagrodę Nobla, takich jak kwantowy efekt Halla i urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym (CCD), jednak nigdy nie przyznano nagrody Nobla za sam MOSFET. W 2018 r. Królewska Szwedzka Akademia Nauk, która przyznaje naukowe Nagrody Nobla, uznała, że ​​wynalazek MOSFET przez Atalla i Kahnga był jednym z najważniejszych wynalazków w mikroelektronice oraz w technologii informacyjno-komunikacyjnej (ICT). MOSFET znajduje się również na liście kamieni milowych IEEE w dziedzinie elektroniki, a jego wynalazcy Mohamed Atalla i Dawon Kahng weszli do National Inventors Hall of Fame w 2009 roku.

Układ scalony MOS (MOS IC)

MOSFET jest najszerzej stosowanym typem tranzystora i najważniejszym elementem urządzenia w układach scalonych (IC). Monolityczny układ scalony układ było możliwe dzięki pasywacji powierzchni procesu, który elektrycznie stabilizowanego krzemu powierzchni przez utlenianie termiczne , przez co można wytwarzać monolityczne układy wióry obwodu za pomocą silikonu. Proces pasywacji powierzchni został opracowany przez Mohameda M. Atallę w Bell Labs w 1957 roku. Stanowiło to podstawę procesu planarnego , opracowanego przez Jeana Hoerniego w Fairchild Semiconductor na początku 1959 roku, który miał kluczowe znaczenie dla wynalezienia monolitycznego układu scalonego przez Robert Noyce później w 1959. W tym samym roku Atalla wykorzystał swój proces pasywacji powierzchni do wynalezienia MOSFET z Dawonem Kahngiem w Bell Labs. Potem nastąpił rozwój czystych pomieszczeń w celu zmniejszenia zanieczyszczenia do poziomów, które nigdy wcześniej nie uważano za konieczne, i zbiegły się z rozwojem fotolitografii, która wraz z pasywacją powierzchni i procesem planarnym pozwoliła na wykonanie obwodów w kilku krokach.

Mohamed Atalla zdał sobie sprawę, że główną zaletą tranzystora MOS jest łatwość jego wytwarzania , szczególnie nadające się do zastosowania w niedawno wynalezionych układach scalonych. W przeciwieństwie do tranzystorów bipolarnych, które wymagały szeregu kroków do izolacji złącza p-n tranzystorów na chipie, tranzystory MOSFET nie wymagały takich kroków, ale można je było łatwo odizolować od siebie. Jego zaletę dla układów scalonych powtórzył Dawon Kahng w 1961 roku. System Si – SiO ₂ posiadał techniczne zalety niskich kosztów produkcji (w przeliczeniu na układ) i łatwości integracji. Te dwa czynniki, wraz z szybko skalującą się miniaturyzacją i niskim zużyciem energii , doprowadziły do ​​tego, że MOSFET stał się najszerzej stosowanym typem tranzystora w układach scalonych.

Najwcześniejszym zademonstrowanym eksperymentalnym układem scalonym MOS był 16-tranzystorowy układ scalony zbudowany przez Freda Heimana i Stevena Hofsteina w RCA w 1962 roku. Firma General Microelectronics wprowadziła później pierwsze komercyjne układy scalone MOS w 1964 roku, składające się ze 120 tranzystorów p-kanałowych . Był to 20-bitowy rejestr przesuwny , opracowany przez Roberta Normana i Franka Wanlass . W 1967 roku badacze z Bell Labs, Robert Kerwin, Donald Klein i John Sarace, opracowali tranzystor MOS z samonastawną bramką ( bramką krzemową), który badacze z Fairchild Semiconductor, Federico Faggin i Tom Klein, wykorzystali do opracowania pierwszego układu scalonego MOS z bramką krzemową .

Układy scalone MOS

Istnieją różne rodzaje układów scalonych MOS IC, które obejmują następujące elementy.

Integracja MOS na dużą skalę (MOS LSI)

Dzięki wysokiej skalowalności , znacznie niższemu zużyciu energii i większej gęstości niż tranzystory bipolarne, MOSFET umożliwił budowę układów scalonych o wysokiej gęstości . Do 1964 chipy MOS osiągnęły wyższą gęstość tranzystorów i niższe koszty produkcji niż chipy bipolarne . Układy MOS dodatkowo zwiększyły swoją złożoność w tempie przewidzianym przez prawo Moore'a , prowadząc do integracji na dużą skalę (LSI) z setkami tranzystorów MOSFET w układzie pod koniec lat sześćdziesiątych. Technologia MOS umożliwiła integrację ponad 10 000 tranzystorów na jednym chipie LSI na początku lat 70., a później umożliwiła integrację na bardzo dużą skalę (VLSI).

Mikroprocesory

MOSFET jest podstawą każdego mikroprocesora i był odpowiedzialny za wynalezienie mikroprocesora. Początki zarówno mikroprocesora, jak i mikrokontrolera sięgają wynalezienia i rozwoju technologii MOS. Zastosowanie chipów MOS LSI w obliczeniach było podstawą pierwszych mikroprocesorów, ponieważ inżynierowie zaczęli zdawać sobie sprawę, że kompletny procesor komputerowy może być zawarty w jednym chipie MOS LSI.

Te najwcześniejsze mikroprocesory były wszystkie żetony MOS, zbudowane z układów MOS LSI. Pierwsze wieloukładowe mikroprocesory, czterofazowe systemy AL1 w 1969 i Garrett AiResearch MP944 w 1970, zostały opracowane z wieloma chipami MOS LSI. Pierwszy komercyjny jednoukładowy mikroprocesor, Intel 4004 , został opracowany przez Federico Faggina , przy użyciu jego technologii MOS IC z bramką krzemową , z inżynierami Intela Marcianem Hoffem i Stanem Mazorem oraz inżynierem z Busicom Masatoshi Shima . Wraz z pojawieniem się mikroprocesorów CMOS w 1975 roku termin „mikroprocesory MOS” zaczął odnosić się do chipów wytworzonych w całości z logiki PMOS lub w całości z logiki NMOS , w przeciwieństwie do „mikroprocesorów CMOS” i „bipolarnych procesorów bit-slice ”.

Obwody CMOS

Układ logiczny komplementarnego półprzewodnika z tlenkiem metalu ( CMOS ) został opracowany przez Chih-Tang Sah i Franka Wanlass w Fairchild Semiconductor w 1963 roku. CMOS miał mniejsze zużycie energii, ale początkowo był wolniejszy niż NMOS, który był szerzej stosowany w komputerach w latach 70. XX wieku. W 1978 roku firma Hitachi wprowadziła proces CMOS z dwoma dołkami, który pozwolił CMOS dorównać wydajnością NMOS przy mniejszym zużyciu energii. Proces CMOS z dwoma dołkami ostatecznie wyprzedził NMOS jako najpopularniejszy proces produkcji półprzewodników w komputerach w latach 80. XX wieku. W latach 70. i 80. logika CMOS zużywała ponad 7  razy mniej energii niż logika NMOS i około 100 000 razy mniej energii niż bipolarna logika tranzystorowo-tranzystorowa (TTL).

Cyfrowy

Rozwój technologii cyfrowych, takich jak mikroprocesor , dostarczył motywacji do rozwoju technologii MOSFET szybciej niż jakikolwiek inny rodzaj tranzystorów krzemowych. Dużą zaletą tranzystorów MOSFET do przełączania cyfrowego jest to, że warstwa tlenku między bramką a kanałem zapobiega przepływowi prądu stałego przez bramkę, co dodatkowo zmniejsza zużycie energii i zapewnia bardzo dużą impedancję wejściową. Izolujący tlenek między bramką a kanałem skutecznie izoluje tranzystor MOSFET w jednym stopniu logicznym od wcześniejszych i późniejszych stopni, co umożliwia pojedynczemu wyjściu MOSFET sterowanie znaczną liczbą wejść MOSFET. Układy logiczne oparte na tranzystorach bipolarnych (takie jak TTL ) nie mają tak dużej wydajności fanout. Ta izolacja ułatwia również projektantom ignorowanie do pewnego stopnia efektów ładowania niezależnie między etapami logicznymi. Zakres ten jest określony przez częstotliwość roboczą: wraz ze wzrostem częstotliwości impedancja wejściowa tranzystorów MOSFET maleje.

Analog

Zalety MOSFET-a w układach cyfrowych nie przekładają się na dominację we wszystkich układach analogowych . Te dwa typy obwodów wykorzystują różne cechy zachowania tranzystorów. Obwody cyfrowe przełączają się, spędzając większość czasu albo w pełni włączone, albo całkowicie wyłączone. Przejście z jednego do drugiego dotyczy tylko szybkości i wymaganej opłaty. Układy analogowe zależy od pracy w obszarze przejściowym, gdzie małe zmiany V _gs może modulowania wyjściowego (spustowy) prądu. JFET i tranzystor bipolarny (BJT) są preferowane do dokładnego dopasowywania (sąsiednich urządzeń w układach scalonych), wyższej transkonduktancji i pewnych charakterystyk temperaturowych, które upraszczają utrzymanie przewidywalności wydajności przy zmieniającej się temperaturze obwodu.

Niemniej jednak tranzystory MOSFET są szeroko stosowane w wielu typach obwodów analogowych ze względu na swoje zalety (prąd bramki zerowej, wysoka i regulowana impedancja wyjściowa oraz zwiększona odporność w porównaniu z tranzystorami BJT, które mogą być trwale degradowane nawet przez lekkie rozbicie podstawy emitera). Charakterystykę i wydajność wielu obwodów analogowych można skalować w górę lub w dół, zmieniając rozmiary (długość i szerokość) używanych tranzystorów MOSFET. Dla porównania, w tranzystorach bipolarnych wielkość urządzenia nie wpływa znacząco na jego wydajność. Idealne właściwości tranzystorów MOSFET w zakresie prądu bramki (zero) i napięcia niezrównoważenia źródła drenu (zero) sprawiają, że są one niemal idealnymi elementami przełączającymi, a także praktyczne obwody analogowe z przełączanymi kondensatorami . W swoim obszarze liniowym MOSFETy mogą być używane jako precyzyjne rezystory, które mogą mieć znacznie wyższą kontrolowaną rezystancję niż BJT. W obwodach dużej mocy tranzystory MOSFET czasami mają tę zaletę, że nie cierpią z powodu niestabilności termicznej, tak jak robią to BJT. Ponadto tranzystory MOSFET można skonfigurować tak, aby działały jako kondensatory i obwody żyroskopowe , dzięki czemu wykonane z nich wzmacniacze operacyjne mogą pojawiać się jako cewki indukcyjne, umożliwiając w ten sposób wszystkim normalnym urządzeniom analogowym na chipie (z wyjątkiem diod, które mogą być mniejsze niż MOSFET w każdym razie) do zbudowania w całości z tranzystorów MOSFET. Oznacza to, że na chipie krzemowym można wykonać kompletne obwody analogowe na znacznie mniejszej przestrzeni i przy użyciu prostszych technik produkcyjnych. MOSFETy idealnie nadają się do przełączania obciążeń indukcyjnych ze względu na tolerancję na indukcyjny odrzut.

Niektóre układy scalone łączą analogowe i cyfrowe obwody MOSFET w jednym układzie scalonym z mieszanymi sygnałami , dzięki czemu wymagana przestrzeń na płytce jest jeszcze mniejsza. Stwarza to potrzebę odizolowania obwodów analogowych od obwodów cyfrowych na poziomie układu scalonego, co prowadzi do stosowania pierścieni izolacyjnych i krzemu na izolatorze (SOI). Ponieważ tranzystory MOSFET wymagają więcej miejsca do obsługi określonej ilości energii niż tranzystory BJT, procesy produkcyjne mogą obejmować tranzystory BJT i ​​MOSFET w jednym urządzeniu. Urządzenia z mieszanym tranzystorem nazywane są bi-FET (bipolarnymi FET), jeśli zawierają tylko jeden BJT-FET i BiCMOS (bipolarny-CMOS), jeśli zawierają komplementarne BJT-FET. Takie urządzenia mają zalety zarówno izolowanych bramek, jak i wyższej gęstości prądu.

RF CMOS

Pod koniec lat 80. Asad Abidi był pionierem technologii RF CMOS , która wykorzystuje obwody MOS VLSI , pracując w UCLA . Zmieniło to sposób projektowania obwodów RF , odchodząc od dyskretnych tranzystorów bipolarnych w kierunku układów scalonych CMOS. Od 2008 r. nadajniki radiowe we wszystkich bezprzewodowych urządzeniach sieciowych i nowoczesnych telefonach komórkowych są masowo produkowane jako urządzenia RF CMOS. RF CMOS jest również używany w prawie wszystkich nowoczesnych urządzeniach Bluetooth i bezprzewodowych sieciach LAN (WLAN).

Przełączniki analogowe

Przełączniki analogowe MOSFET wykorzystują MOSFET do przesyłania sygnałów analogowych, gdy są włączone i jako wysoka impedancja, gdy są wyłączone. Sygnały przepływają w obu kierunkach przez przełącznik MOSFET. W tej aplikacji dren i źródło wymiany MOSFET są umieszczone w zależności od względnych napięć elektrod źródła/drenu. Źródło jest bardziej negatywną stroną dla N-MOS lub bardziej pozytywną stroną dla P-MOS. Wszystkie te przełączniki są ograniczone do tego, jakie sygnały mogą przekazywać lub zatrzymywać przez ich napięcia bramka-źródło, bramka-dren i źródło-dren; przekroczenie limitów napięcia, prądu lub mocy może spowodować uszkodzenie przełącznika.

Pojedynczy typ

Ten analogowy przełącznik wykorzystuje czterozaciskowy prosty tranzystor MOSFET typu P lub N.

W przypadku przełącznika typu n korpus jest podłączony do najbardziej ujemnego zasilania (zazwyczaj GND), a bramka służy jako sterowanie przełącznikiem. Za każdym razem, gdy napięcie bramki przekracza napięcie źródła o co najmniej napięcie progowe, MOSFET przewodzi. Im wyższe napięcie, tym więcej MOSFET może przewodzić. Przełącznik N-MOS przechodzi wszystkie napięcia poniżej V _bramy - V _TN . Gdy przełącznik przewodzi, zwykle działa w trybie liniowym (lub omowym), ponieważ napięcia źródła i drenu są zwykle prawie równe.

W przypadku P-MOS, korpus jest podłączony do najbardziej dodatniego napięcia, a bramka jest doprowadzana do niższego potencjału, aby włączyć przełącznik. Przełącznik P-MOS przepuszcza wszystkie napięcia wyższe niż _bramka V - V _tp (napięcie progowe V _tp jest ujemne w przypadku P-MOS w trybie wzmocnionym).

Podwójny (CMOS)

Ten przełącznik „komplementarny” lub CMOS wykorzystuje jeden P-MOS i jeden N-MOS FET, aby przeciwdziałać ograniczeniom przełącznika pojedynczego typu. FET mają swoje dreny i źródła połączone równolegle, korpus P-MOS jest podłączony do wysokiego potencjału ( V _DD ), a korpus N-MOS jest podłączony do niskiego potencjału ( gnd ). Aby włączyć przełącznik, bramka P-MOS jest ustawiana na niski potencjał, a bramka N-MOS na wysoki potencjał. Dla napięć pomiędzy V _DD - V _tn i gnd - V _tp oba tranzystory FET przewodzą sygnał; dla napięć mniejszych niż gnd - V _tp , sam N-MOS przewodzi; i napięć większa niż V _DD - V _tn P-MOS prowadzi sam.

Limity napięcia dla tego przełącznika to limity napięcia bramka-źródło, bramka-dren i źródło-dren dla obu FET. Ponadto P-MOS jest zwykle dwa do trzech razy szerszy niż N-MOS, więc przełącznik będzie zrównoważony pod kątem szybkości w dwóch kierunkach.

Obwody trójstanowe czasami zawierają przełącznik CMOS MOSFET na swoim wyjściu, aby zapewnić niskoomowy, pełnozakresowy sygnał wyjściowy, gdy jest włączony, oraz wysokoomowy sygnał o średnim poziomie, gdy jest wyłączony.

Pamięć MOS

Pojawienie się tranzystora MOSFET umożliwiło praktyczne wykorzystanie tranzystorów MOS jako elementów pamięci komórek pamięci, które to funkcje wcześniej pełniły rdzenie magnetyczne w pamięci komputera . Pierwsza nowoczesna pamięć komputerowa została wprowadzona w 1965 roku, kiedy John Schmidt w Fairchild Semiconductor zaprojektował pierwszą pamięć półprzewodnikową MOS , 64-bitową pamięć MOS SRAM (statyczną pamięć o dostępie swobodnym ). SRAM stał się alternatywą dla pamięci z rdzeniem magnetycznym , ale wymagał sześciu tranzystorów MOS na każdy bit danych.

Technologia MOS jest podstawą DRAM (dynamicznej pamięci o dostępie swobodnym ). W 1966 dr Robert H. Dennard z IBM Thomas J. Watson Research Center pracował nad pamięcią MOS . Badając charakterystykę technologii MOS, odkrył, że jest ona zdolna do budowania kondensatorów i że przechowywanie ładunku lub brak ładunku na kondensatorze MOS może reprezentować 1 i 0 bitu, podczas gdy tranzystor MOS może sterować zapisem ładunku do kondensator. Doprowadziło to do opracowania przez niego jednotranzystorowej komórki pamięci DRAM. W 1967 Dennard złożył patent w IBM na jednotranzystorową komórkę pamięci DRAM (dynamiczną pamięć o dostępie swobodnym), opartą na technologii MOS. Pamięć MOS umożliwiała wyższą wydajność, była tańsza i zużywała mniej energii niż pamięć z rdzeniem magnetycznym , co doprowadziło do tego, że pamięć MOS wyprzedziła pamięć z rdzeniem magnetycznym jako dominującą technologię pamięci komputerowych na początku lat 70. XX wieku.

Frank Wanlass , badając struktury MOSFET w 1963 roku, zauważył ruch ładunku przez tlenek na bramkę . Chociaż nie realizował tego, pomysł ten stał się później podstawą technologii EPROM (wymazywalnej programowalnej pamięci tylko do odczytu ). W 1967 Dawon Kahng i Simon Sze zaproponowała, pływające brama komórek pamięci, składający się z tranzystorów MOSFET o zmiennym bram (FGMOS), mogą być wykorzystane do produkcji programowalnej pamięci ROM ( pamięć tylko do odczytu ). Komórki pamięci z pływającą bramką stały się później podstawą technologii pamięci nieulotnej (NVM), w tym EPROM, EEPROM (elektrycznie kasowalna programowalna pamięć ROM) i pamięci flash .

Rodzaje pamięci MOS

Istnieje wiele różnych typów pamięci MOS. Poniższa lista zawiera różne typy pamięci MOS.

Czujniki MOS

Opracowano szereg czujników MOSFET do pomiaru parametrów fizycznych , chemicznych , biologicznych i środowiskowych. Najwcześniejsze czujniki MOSFET obejmują FET z otwartą bramką (OGFET) wprowadzony przez Johannessena w 1970 roku, jonowrażliwy tranzystor polowy (ISFET) wynaleziony przez Pieta Bergvelda w 1970 roku, adsorpcyjny FET (ADFET) opatentowany przez PF Cox w 1974 roku. oraz wodoru wrażliwego MOSFET wykazano, Lundstrom I. MS Shivaraman CS Svenson i L. Lundkvist w 1975. ISFET jest szczególnym rodzajem MOSFET z bramką w pewnej odległości, a w przypadku gdy metalem brama jest zastąpiony jonem -czuła membrana , roztwór elektrolitu i elektroda odniesienia .

W połowie lat 80. opracowano wiele innych czujników MOSFET, w tym czujnik gazu FET (GASFET), FET dostępny powierzchniowo (SAFET), tranzystor przepływu ładunku (CFT), czujnik ciśnienia FET (PRESSFET), tranzystor polowy chemiczny ( ChemFET), referencyjny ISFET (REFET), biosensor FET (BioFET), enzymatycznie modyfikowany FET (ENFET) i immunologicznie zmodyfikowany FET (IMFET). Na początku XXI wieku opracowano typy BioFET, takie jak tranzystor polowy DNA (DNAFET), FET ze zmodyfikowanym genem (GenFET) i BioFET z potencjałem komórkowym (CPFET).

Dwa główne typy czujników obrazu stosowanych w technologii obrazowania cyfrowego to urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym (CCD) i czujnik z aktywnymi pikselami (czujnik CMOS). Zarówno matryce CCD, jak i CMOS oparte są na technologii MOS, przy czym CCD na kondensatorach MOS, a matryca CMOS na tranzystorach MOS.

Czujniki obrazu

Technologia MOS jest podstawą nowoczesnych przetworników obrazu , w tym urządzenia ze sprzężeniem ładunkowym (CCD) i aktywnego czujnika CMOS (czujnik CMOS), stosowanych w obrazowaniu cyfrowym i aparatach cyfrowych . Willard Boyle i George E. Smith opracowali CCD w 1969 roku. Podczas badania procesu MOS zdali sobie sprawę, że ładunek elektryczny jest analogią bańki magnetycznej i może być przechowywany na małym kondensatorze MOS. Ponieważ wyprodukowanie szeregu kondensatorów MOS z rzędu było dość proste, podłączyli do nich odpowiednie napięcie, aby można było przenosić ładunek z jednego do drugiego. CCD to obwód półprzewodnikowy, który później został wykorzystany w pierwszych cyfrowych kamerach wideo do transmisji telewizyjnych .

MOS sensor aktywnych pikseli (APS) został opracowany przez Tsutomu Nakamura w Olympus w 1985 roku CMOS aktywnych pikseli później został opracowany przez Eric Fossum i jego zespół NASA „s Jet Propulsion Laboratory w początkach 1990 roku.

Czujniki obrazu MOS są szeroko stosowane w technologii myszy optycznych . Pierwsza mysz optyczna, wynaleziona przez Richarda F. Lyona w firmie Xerox w 1980 roku, wykorzystywała chip czujnika 5  µm NMOS . Od czasu pierwszej komercyjnej myszy optycznej IntelliMouse wprowadzonej w 1999 r. większość myszy optycznych wykorzystuje czujniki CMOS.

Inne czujniki

Czujniki MOS , znane również jako czujniki MOSFET, są szeroko stosowane do pomiaru parametrów fizycznych , chemicznych , biologicznych i środowiskowych. Na przykład jonowy tranzystor polowy (ISFET) jest szeroko stosowany w zastosowaniach biomedycznych .

MOSFETy są również szeroko stosowane w systemach mikroelektromechanicznych (MEMS), ponieważ krzemowe MOSFETy mogą wchodzić w interakcje i komunikować się z otoczeniem oraz przetwarzać takie rzeczy, jak chemikalia , ruchy i światło. Wczesnym przykładem urządzenia MEMS jest tranzystor z bramką rezonansową, adaptacja tranzystora MOSFET, opracowana przez Harveya C. Nathansona w 1965 roku.

Typowe zastosowania innych czujników MOS obejmują poniższe.

MOSFET mocy

MOSFET mocy , który jest powszechnie używany w energoelektroniki , został opracowany w roku 1970. MOSFET mocy zapewnia niską moc napędu bramy, dużą prędkość przełączania i zaawansowane możliwości pracy równoległej.

MOSFET mocy jest najczęściej używanym urządzeniem moc w świecie. Przewagi nad bipolarnymi tranzystorami złączowymi w energoelektronice obejmują tranzystory MOSFET, które nie wymagają ciągłego przepływu prądu sterującego w celu pozostania w stanie włączonym, oferując wyższe prędkości przełączania, niższe straty mocy przełączania, niższe rezystancje włączania i zmniejszoną podatność na niestabilność cieplną. MOSFET mocy miał wpływ na zasilacze , umożliwiając wyższe częstotliwości pracy, zmniejszenie rozmiaru i masy oraz zwiększenie produkcji masowej.

Zasilacze impulsowe to najczęstsze zastosowania tranzystorów MOSFET mocy. Są one również szeroko stosowane we wzmacniaczach mocy MOS RF , które umożliwiły przejście sieci komórkowych z analogowych na cyfrowe w latach 90. XX wieku. Doprowadziło to do szerokiego rozpowszechnienia bezprzewodowych sieci komórkowych, które zrewolucjonizowały systemy telekomunikacyjne . W szczególności LDMOS jest najczęściej używanym wzmacniaczem mocy w sieciach komórkowych, takich jak 2G , 3G , 4G i 5G . Ponad 50  miliardów dyskretnych tranzystorów MOSFET jest wysyłanych rocznie, począwszy od 2018 r. Są one szeroko stosowane w szczególności w systemach motoryzacyjnych , przemysłowych i komunikacyjnych . MOSFETy mocy są powszechnie stosowane w elektronice samochodowej , szczególnie jako urządzenia przełączające w elektronicznych jednostkach sterujących oraz jako konwertery mocy w nowoczesnych pojazdach elektrycznych . IGBT (IGBT), hybryda MOS tranzystor bipolarny jest również wykorzystywane do wielu różnych zastosowań.

LDMOS , MOSFET mocy o strukturze bocznej, jest powszechnie stosowany w wysokiej klasy wzmacniaczach audio i systemach PA dużej mocy. Ich zaletą jest lepsze zachowanie w obszarze nasycenia (odpowiadającym obszarowi liniowemu tranzystora bipolarnego ) niż w przypadku pionowych tranzystorów MOSFET. Pionowe tranzystory MOSFET są przeznaczone do przełączania aplikacji.

DMOS i VMOS

MOSFETy mocy, w tym urządzenia DMOS , LDMOS i VMOS , są powszechnie używane w wielu innych zastosowaniach, które obejmują poniższe.

RF DMOS

RF DMOS, znany również jako MOSFET mocy RF, to rodzaj tranzystora mocy DMOS przeznaczonego do zastosowań wykorzystujących częstotliwość radiową (RF). Jest używany w różnych aplikacjach radiowych i RF, które obejmują następujące.

Elektroniki użytkowej

MOSFETy mają fundamentalne znaczenie dla branży elektroniki użytkowej . Według Colinge'a bez MOSFET nie istniałoby wiele urządzeń elektroniki użytkowej, na przykład cyfrowe zegarki na rękę , kalkulatory kieszonkowe i gry wideo .

MOSFETy są powszechnie używane w szerokiej gamie elektroniki użytkowej, która obejmuje wymienione poniżej urządzenia. Komputery lub urządzenia telekomunikacyjne (takie jak telefony ) nie są tutaj uwzględnione, ale są wymienione osobno w sekcji Technologie informacyjne i komunikacyjne (ICT) poniżej.

Kalkulatory kieszonkowe

Jednym z najwcześniejszych wpływowych produktów elektroniki użytkowej, które umożliwiały obwody MOS LSI, był elektroniczny kalkulator kieszonkowy , ponieważ technologia MOS LSI umożliwiła duże możliwości obliczeniowe w małych pakietach. W 1965 roku kalkulator biurkowy Victor 3900 był pierwszym kalkulatorem MOS LSI z 29 układami MOS LSI. W 1967 roku Texas Instruments Cal-Tech był pierwszym prototypowym elektronicznym kalkulatorem ręcznym z trzema układami MOS LSI, a później został wydany jako Canon Pocketronic w 1970 roku. Kalkulator biurkowy Sharp QT-8D był pierwszym masowo produkowanym kalkulatorem LSI MOS w 1969 roku, a Sharp EL-8, który używał czterech układów MOS LSI, był pierwszym komercyjnym elektronicznym ręcznym kalkulatorem w 1970 roku. Pierwszym prawdziwym elektronicznym kalkulatorem kieszonkowym był Busicom LE-120A HANDY LE, który używał pojedynczego kalkulatora MOS LSI na a-chip firmy Mostek i został wydany w 1971 roku. Do 1972 roku obwody MOS LSI zostały skomercjalizowane do wielu innych zastosowań.

Media audiowizualne (AV)

MOSFETy są powszechnie używane w szerokiej gamie technologii audiowizualnych (AV), które obejmują poniższą listę zastosowań.

Aplikacje mocy MOSFET

MOSFETy mocy są powszechnie stosowane w szerokiej gamie elektroniki użytkowej . MOSFETy mocy są szeroko stosowane w następujących zastosowaniach konsumenckich.

Technologie informacyjne i komunikacyjne (ICT)

MOSFET mają fundamentalne znaczenie dla technologii informacyjno-komunikacyjnych (ICT), w tym nowoczesnych komputerów , nowoczesnych komputerów , telekomunikacji, infrastruktury komunikacyjnej , Internetu, telefonii cyfrowej , telekomunikacji bezprzewodowej i sieci komórkowych . Według Colinge, nowoczesny przemysł komputerowy i cyfrowe systemy telekomunikacyjne nie istniałyby bez MOSFET-u. Postępy w technologii MOS są najważniejszym czynnikiem przyczyniającym się do szybkiego wzrostu przepustowości sieci w sieciach telekomunikacyjnych , przy czym przepustowość podwaja się co 18 miesięcy, z bitów na sekundę do terabitów na sekundę ( prawo Edholma ).

Komputery

MOSFETy są powszechnie używane w szerokiej gamie komputerów i aplikacji komputerowych , które obejmują następujące elementy.

Telekomunikacja

MOSFETy są powszechnie stosowane w szerokiej gamie telekomunikacji, która obejmuje następujące zastosowania.

Aplikacje mocy MOSFET

Tranzystor bipolarny z izolowaną bramką (IGBT)

IGBT (IGBT) stanowi tranzystor mocy o właściwościach zarówno MOSFET i tranzystora bipolarnego przyłączeniowej (BJT). Od 2010 r. IGBT jest drugim najczęściej używanym tranzystorem mocy , po MOSFET mocy. IGBT stanowi 27% rynku tranzystorów mocy, ustępując tylko MOSFET mocy (53%) i wyprzedzając wzmacniacz RF (11%) i tranzystor bipolarny (9%). IGBT jest szeroko stosowany w elektronice użytkowej , technologii przemysłowej , sektorze energetycznym , urządzeniach elektronicznych w lotnictwie i transporcie.

IGBT jest szeroko stosowany w następujących aplikacjach.

Fizyka kwantowa

Gaz elektronowy 2D i kwantowy efekt Halla

W fizyce kwantowej i mechanice kwantowej MOSFET jest podstawą dwuwymiarowego gazu elektronowego (2DEG) i kwantowego efektu Halla . MOSFET umożliwia fizykom badanie zachowania elektronów w dwuwymiarowym gazie, zwanym dwuwymiarowym gazem elektronowym. W tranzystorze MOSFET elektrony przewodzące przemieszczają się w cienkiej warstwie powierzchniowej, a napięcie „bramkowe” kontroluje liczbę nośników ładunku w tej warstwie. Pozwala to naukowcom na badanie efektów kwantowych poprzez działanie tranzystorów MOSFET o wysokiej czystości w temperaturach ciekłego helu .

W 1978 roku naukowcy z Uniwersytetu Gakushuin, Jun-ichi Wakabayashi i Shinji Kawaji, zaobserwowali efekt Halla w eksperymentach przeprowadzonych na warstwie odwróconej tranzystorów MOSFET. W 1980 roku Klaus von Klitzing , pracujący w laboratorium wysokiego pola magnetycznego w Grenoble z próbkami MOSFET na bazie krzemu, opracowanymi przez Michaela Peppera i Gerharda Dordę, dokonał nieoczekiwanego odkrycia kwantowego efektu Halla.

Technologia kwantowa

MOSFET jest używany w technologii kwantowej . Tranzystor polowy kwantowej (QFET) lub studni kwantowej tranzystor polowy (QWFET) jest typu MOSFET, który wykorzystuje tunelowany kwantowo znacznie zwiększyć szybkość pracy tranzystora.

Transport

MOSFETy są szeroko stosowane w transporcie. Na przykład, są one powszechnie stosowane w elektronice motoryzacyjnej w przemyśle motoryzacyjnym . Technologia MOS jest powszechnie stosowana w szerokiej gamie pojazdów i środków transportu, które obejmują następujące zastosowania.

Przemysł samochodowy

MOSFETy są szeroko stosowane w przemyśle motoryzacyjnym , szczególnie w elektronice samochodowej w pojazdach silnikowych . Zastosowania motoryzacyjne obejmują następujące elementy.

Aplikacje mocy MOSFET

MOSFETy mocy są szeroko stosowane w technologii transportowej, która obejmuje następujące pojazdy .

W przemyśle motoryzacyjnym MOSFETy mocy są szeroko stosowane w elektronice samochodowej , do których należą:

Zastosowania IGBT

IGBT (IGBT) stanowi tranzystor mocy o właściwościach zarówno MOSFET i tranzystora bipolarnego przyłączeniowej (BJT). IGBT są szeroko stosowane w następujących zastosowaniach transportowych.

Przemysł kosmiczny

W przemyśle kosmicznym urządzenia MOSFET zostały zaadoptowane przez NASA do badań kosmicznych w 1964 roku, w ramach programu Interplanetary Monitoring Platform (IMP) i programu eksploracji kosmosu Explorers . Wykorzystanie tranzystorów MOSFET było ważnym krokiem naprzód w projektowaniu elektroniki statków kosmicznych i satelitów . IMP D ( Explorer 33 ), wystrzelony w 1966 roku, był pierwszym statkiem kosmicznym wykorzystującym MOSFET. Dane zebrane przez statki kosmiczne IMP i satelity zostały wykorzystane do wsparcia programu Apollo , umożliwiającego pierwsze załogowe lądowanie na Księżycu z misją Apollo 11 w 1969 roku.

W Cassini Huyghens do Saturna w 1997 miał kosmicznych dystrybucji energii osiągnąć 192 półprzewodnikowe wyłącznik (SPSS) urządzenia, która również funkcjonuje jako wyłączników , w przypadku wystąpienia przeciążenia. Przełączniki zostały opracowane z połączenia dwóch urządzeń półprzewodnikowych z możliwością przełączania: MOSFET i ASIC (specyficzny układ scalony do aplikacji ). Ta kombinacja zaowocowała zaawansowanymi przełącznikami zasilania, które miały lepsze parametry wydajności niż tradycyjne przełączniki mechaniczne.

Inne aplikacje

MOSFETy są powszechnie używane w wielu innych zastosowaniach, które obejmują poniższe.

Bibliografia