Tranzistorul cu efect de camp metal-oxid-semiconductor (MOSFET, MOS-FET sau MOS FET), cunoscut si sub denumirea de tranzistor metal-oxid-siliciu (MOS tranzistor sau MOS), este un tip tranzistor cu efect de camp (IGFET) care este fabricat prin oxidarea controlata a unui semiconductor, de obicei siliciu.
Tensiunea portii acoperite determina conductivitatea electrica a dispozitivului; aceasta capacitate de a modifica conductibilitatea cu cantitatea de tensiune aplicata, poate fi utilizata pentru amplificarea sau comutarea semnalelor electronice.
MOSFET-ul este elementul de baza al celor mai moderne device-uri electronice si cel mai frecvent dispozitiv fabricat din istorie, cu un total estimat de 13 sextilioane (1,3 × 1022) MOSFET fabricate intre 1960 si 2018. Este cel mai comun dispozitiv semiconductor in digital si circuite analogice si cel mai comun dispozitiv de alimentare.
A fost primul tranzistor cu adevarat compact care putea fi miniaturizat si produs in masa pentru o gama larga de utilizari. Scalarea si miniaturizarea MOSFET au condus cresterea rapida si exponentiala a tehnologiei semiconductoarelor electronice inca din anii 1960, si a permis crearea unor circuite integrate (IC) de inalta densitate, cum ar fi cipurile de memorie si microprocesoarele.
MOSFET-urile din circuitele integrate sunt elementele principale ale procesoarelor de calculator, memoriei semiconductoare, senzorilor de imagine si ale majoritatii altor tipuri de circuite integrate. Dispozitivele MOSFET discrete sunt utilizate pe scara larga in aplicatii cum ar fi sursele de alimentare cu comutare, unitati cu frecventa variabila si alte aplicatii de electronica de putere, in care fiecare dispozitiv poate comuta mii de wati.
Amplificatoarele de radiofrecventa pana la spectrul UHF folosesc tranzistori MOSFET ca amplificatoare de semnal analogic si de putere. Sistemele radio folosesc, de asemenea, MOSFET-uri ca oscilatoare sau mixere pentru a converti frecventele. Dispozitivele MOSFET sunt, de asemenea, aplicate in amplificatoarele de putere cu frecventa audio pentru sistemele de adresare publica, amplificarea sunetului si sistemele de sunet pentru casa si auto.
Circuit integrat MOS (MOS IC)
MOSFET-ul este cel mai utilizat tip de tranzistor si cea mai critica componenta a dispozitivului in cipurile de circuit integrat (IC). Procesul planar, dezvoltat de Jean Hoerni la Fairchild Semiconductor, la inceputul anului 1959, a fost esential pentru inventarea cipului de circuit integrat monolitic de catre Robert Noyce mai tarziu, in 1959.
In acelasi an, Atalla si-a folosit procesul de pasivare a suprafetei pentru a realiza primul MOSFET functional, impreuna cu Dawon Kahng, la Bell Labs. Aceasta a fost urmata de dezvoltarea fotolitografiei care, impreuna cu pasivizarea suprafetei si procesul planar, a permis realizarea circuitelor in cativa pasi.
Atalla si-a dat seama ca principalul avantaj al unui tranzistor MOS era usurinta sa de fabricare, in special fiind extrem de potrivit pentru utilizarea in circuitele integrate recent inventate. Spre deosebire de tranzistoarele bipolare care necesitau un numar de pasi pentru izolarea jonctiunii p–n a tranzistorilor pe un cip, MOSFET-urile nu necesitau astfel de pasi, dar puteau fi izolati cu usurinta unul de celalalt.
Avantajul mosfetului pentru circuitele integrate a fost reiterat de Dawon Kahng in 1961. Sistemul Si–SiO2 poseda atractiile tehnice ale costului scazut de productie (pe baza de circuit) si usurinta de integrare. Acesti doi factori, impreuna cu scalarea rapida a miniaturizarii si consumul redus de energie, au facut ca MOSFET sa devina cel mai utilizat tip de tranzistor in cipurile IC.
Cel mai vechi IC MOS experimental care a fost demonstrat a fost un cip cu 16 tranzistori construit de Fred Heiman si Steven Hofstein la RCA in 1962. General Microelectronics a introdus mai tarziu primele circuite integrate MOS comerciale in 1964, constand din 120 de tranzistori cu canal p.
A fost un registru cu deplasare pe 20 de biti, dezvoltat de Robert Norman si Frank Wanlass. In 1967, cercetatorii de la Bell Labs – Robert Kerwin, Donald Klein si John Sarace, au dezvoltat tranzistorul MOS cu poarta auto-aliniata (poarta de siliciu), pe care cercetatorii Fairchild Semiconductor- Federico Faggin si Tom Klein, l-au folosit pentru a dezvolta primul circuit integrat MOS cu poarta de siliciu.
Cipuri MOS IC
Exista diferite tipuri diferite de cipuri MOS IC, care includ urmatoarele:
- Circuit integrat digital
- Circuit integrat analogic
- Circuit integrat specific aplicatiei (ASIC)
- Unitate logica aritmetica (ALU)
- Integrare la scara larga MOS (MOS LSI) – Integrare la scara foarte mare (VLSI), microcontroler, produs standard specific aplicatiei (ASSP), chipset, co-procesor, system-on-a-chip, unitate de procesare grafica (GPU)
- Ambalare IC
- Microprocesoare] – unitate centrala de procesare (CPU), Microarhitecturi (cum ar fi x86, arhitectura ARM, arhitectura MIPS, SPARC), procesor multi-core
- Circuit integrat cu semnal mixt
- Dispozitiv logic programabil (PLD) – CPLD, EPLD, FPGA
- Circuit integrat tridimensional (3D IC) – prin siliciu (TSV)
Integrare la scara larga MOS (MOS LSI)
Cu scalabilitatea sa ridicata, si consumul de energie mult mai mic plus densitatea mai mare decat tranzistoarele cu jonctiune bipolara, MOSFET-ul a facut posibila construirea de cipuri IC de inalta densitate. Pana in 1964, cipurile MOS atinsesera o densitate mai mare a tranzistorului si costuri de productie mai mici decat cipurile bipolare.
Cipurile MOS au crescut in continuare in complexitate la o rata prezisa de legea lui Moore, ducand la integrarea la scara larga (LSI) cu sute de MOSFET-uri pe un cip pana la sfarsitul anilor 1960. Tehnologia MOS a permis integrarea a peste 10.000 de tranzistori pe un singur cip LSI pana la inceputul anilor 1970, inainte de a permite mai tarziu integrarea la scara foarte mare (VLSI).
Microprocesoare
MOSFET-ul este baza fiecarui microprocesor si a fost responsabil pentru inventarea microprocesorului. Originile atat ale microprocesorului, cat si ale microcontrolerului, pot fi urmarite pana la inventia si dezvoltarea tehnologiei MOS. Aplicarea cipurilor MOS LSI la calcul a stat la baza primelor microprocesoare, deoarece inginerii au inceput sa recunoasca faptul ca un procesor complet de computer poate fi continut pe un singur cip MOS LSI.
Cele mai vechi microprocesoare au fost toate cipuri MOS, construite cu circuite MOS LSI. Primele microprocesoare cu mai multe cipuri, sistemele cu patru faze AL1 in 1969 si Garrett AiResearch MP944 in 1970, au fost dezvoltate cu mai multe cipuri MOS LSI. Primul microprocesor comercial cu un singur cip, Intel 4004, a fost dezvoltat de Federico Faggin, folosind tehnologia sa MOS IC cu poarta de siliciu, impreuna cu inginerii Intel – Marcian Hoff si Stan Mazor si inginerul Busicom, Masatoshi Shima.
Odata cu aparitia microprocesoarelor CMOS in 1975, termenul „microprocesoare MOS” a inceput sa se refere la cipuri fabricate in intregime din logica PMOS sau fabricate in intregime din logica NMOS, in contrast cu „microprocesoare CMOS” si „procesoare bipolare bit-slice”.
Circuite CMOS
Logica complementara metal-oxid-semiconductor (CMOS) a fost dezvoltata de Chih-Tang Sah si Frank Wanlass la Fairchild Semiconductor in 1963. CMOS avea un consum mai mic de energie, dar a fost initial mai lent decat NMOS, care a fost folosit mai pe scara larga pentru computere, in anii 1970. In 1978, Hitachi a introdus procesul CMOS cu doua godeuri, care a permis CMOS sa ajunga la performanta NMOS cu un consum mai mic de energie.
Procesul CMOS cu doua godeuri a depasit in cele din urma NMOS ca fiind cel mai comun proces de fabricare a semiconductorilor pentru computere in anii 1980. In anii 1970-1980, logica CMOS consuma de peste 7 ori mai putina energie decat logica NMOS si de aproximativ 100.000 de ori mai putina putere decat logica tranzistor-tranzistor bipolar (TTL).
Digital
Cresterea tehnologiilor digitale precum microprocesorul, a oferit motivatia pentru a avansa tehnologia MOSFET, mai rapid decat orice alt tip de tranzistor pe baza de siliciu. Un mare avantaj al MOSFET-urilor pentru comutarea digitala este ca stratul de oxid dintre poarta si canal, impiedica curentul continuu sa curga prin poarta, reducand si mai mult consumul de energie si oferind o impedanta de intrare foarte mare.
Oxidul izolator dintre poarta si canal izoleaza eficient un MOSFET intr-o etapa logica de etapele anterioare si ulterioare, ceea ce permite unei singure iesiri MOSFET, sa conduca un numar considerabil de intrari MOSFET. Logica bazata pe tranzistori bipolari (cum ar fi TTL) nu are o capacitate atat de mare de fan-out.
Aceasta izolare face, de asemenea, mai usor pentru proiectanti sa ignore intr-o oarecare masura efectele de incarcare intre etapele logice, in mod independent. Aceasta masura este definita de frecventa de functionare: pe masura ce frecventele cresc, impedanta de intrare a MOSFET-urilor scade.
Analogic
Avantajele MOSFET-ului in circuitele digitale nu se traduc in suprematie in toate circuitele analogice. Cele doua tipuri de circuite se bazeaza pe caracteristici diferite ale comportamentului tranzistorului. Circuitele digitale se comuta, petrecand cea mai mare parte a timpului fie complet pornite, fie complet oprite.
Trecerea de la unul la altul este un motiv de ingrijorare doar in ceea ce priveste viteza si incarcarea necesara. Circuitele analogice depind de functionarea in regiunea de tranzitie, unde mici modificari ale Vgs pot modula curentul de iesire (drain). JFET si tranzistorul de jonctiune bipolara (BJT) sunt preferate pentru potrivirea precisa (a dispozitivelor adiacente in circuitele integrate), avand transconductanta mai mare si anumite caracteristici de temperatura care simplifica mentinerea performantei predictibile pe masura ce temperatura circuitului variaza.
Cu toate acestea, MOSFET-urile sunt utilizate pe scara larga in multe tipuri de circuite analogice datorita propriilor avantaje (curent de poarta zero, impedanta de iesire mare si reglabila si robustete imbunatatita fata de BJT-uri, care pot fi degradate permanent chiar si prin defalcarea usoara a bazei emitatorului).
Caracteristicile si performanta multor circuite analogice pot fi marite sau reduse prin modificarea dimensiunilor (lungimea si latimea) MOSFET-urilor utilizate. Prin comparatie, la tranzistoarele bipolare dimensiunea dispozitivului nu afecteaza in mod semnificativ performanta acestuia. Caracteristicile ideale ale MOSFET-urilor in ceea ce priveste curentul de poarta (zero) si tensiunea de compensare a sursei de scurgere (zero) le fac, de asemenea, elemente de comutare aproape ideale. In regiunea lor liniara, MOSFET-urile pot fi utilizate ca rezistente de precizie, care pot avea o rezistenta controlata mult mai mare decat BJT-urile.
In circuitele de mare putere, MOSFET-urile au uneori avantajul ca nu sufera de evadare termica, asa cum o fac BJT-urile, permitand astfel ca toate dispozitivele analogice normale de pe un cip (cu exceptia diodelor, care oricum pot fi facute mai mici decat un MOSFET), sa fie construite in intregime din MOSFET.
Aceasta inseamna ca circuitele analogice complete pot fi realizate pe un cip de siliciu intr-un spatiu mult mai mic si cu tehnici de fabricatie mai simple. MOSFET-urile sunt potrivite in mod ideal pentru comutarea sarcinilor inductive datorita tolerantei la recul inductiv.
Unele circuite integrate combina circuitele MOSFET analogice si digitale pe un singur circuit integrat cu semnal mixt, facand spatiul necesar pe placa si mai mic. Acest lucru creeaza nevoia de a izola circuitele analogice de circuitele digitale la nivel de cip, ceea ce duce la utilizarea inelelor de izolare si a siliciului pe izolator (SOI).
Deoarece MOSFET-urile necesita mai mult spatiu pentru a gestiona o anumita cantitate de putere decat un BJT, procesele de fabricatie pot incorpora BJT-uri si MOSFET-uri intr-un singur dispozitiv. Dispozitivele cu tranzistoare mixte sunt numite bi-FET (bipolar FET) daca contin doar un BJT-FET si BiCMOS (bipolar-CMOS) daca contin BJT-FET complementare.
