Visa källa för MOSFET

[[Bild:Electronic-Component-Through-Hole-Transistor.jpg|miniatyr|En 120 [[Watt|W]] MOSFET-transistor. Transistorn har bara tre ben eftersom ''body'' och ''source'' är ihopkopplade internt. Hålet är till för att kunna skruva fast transistorn mot en [[kylfläns]].]]
'''MOSFET''' (''metal-oxide-semiconductor field-effect transistor'') är en typ av [[fälteffekttransistor]]. Till skillnad från [[Bipolär transistor|bipolära transistorer]] och [[Fälteffekttransistor|JFET]]-transistorer har MOSFET-transistorer fyra terminaler; ''source'', ''drain'', ''gate'' och ''body''. En MOSFET är spänningsstyrd vilket innebär att strömmen från ''source'' till ''drain'' regleras av spänningen mellan ''gate'' och ''body''. ''Gate'' är isolerad från substratet av [[Oxid|metalloxid]] vilket ger hög ingångsimpedans.

En MOSFET-transistor är relativt enkel och billig att tillverka, tar liten plats och kräver lite [[effekt]] för att fungera; en kombination av egenskaper som har gjort MOSFET-transistorer till de mest tillverkade elektroniska komponenterna någonsin. MOSFET-transistorer används i alla typer av elektronik från [[processor]]er till [[kraftelektronik]].

==Historik==
Fälteffekttransistorn uppfanns av [[Julius Edgar Lilienfeld]] som tog patent på den 1930. [[Oskar Heil]] vidareutvecklade idén och tog bland annat patent på en fälteffekttransistor med isolerad ''gate'' 1935. Ingen av dem lyckades vare sig tillverka någon fungerande transistor eller förklara den underliggande fysiken och deras patent löpte ut utan att komma till användning.<ref>{{harvnb|Millman|Grabel|1988|p=8}}</ref>

Det kom att dröja till 1960 innan [[Mohamed Atalla]] och [[Dawon Kahng]] på [[Bell Labs]] lyckades bygga den första fungerande MOSFET-transistorn. Två år senare tog [[Fred Heiman]] och [[Steven Hofstein]] på [[Radio Corporation of America|RCA]] patent på en process att tillverka MOSFET-baserade [[integrerad krets|IC-kretsar]].<ref>{{harvnb|Millman|Grabel|1988|p=11}}</ref>

==Konstruktion==
[[Bild:Mosfet cross section-sv.svg|miniatyr|En schematisk genomskärning av en MOSFET-transistor. '''''L''''' är kanalen mellan ''source'' och ''drain'' vars ledningsförmåga regleras av spänningsfältet mellan ''gate'' och ''body''.]]
Den viktigaste komponenten i en MOSFET-transistor är det metalloxidlager som isolerar ''gate'' från ''body'' och som hindrar likström från att läcka från ''gate''. ''Body'' är själva substratet som består av en lätt [[Dopning (fysik)|''p''-dopad]] halvledare (vanligtvis [[kisel]]) medan ''gate'' är en jämförelsevis stor<ref group="not">Stor i jämförelse med övriga delar av transistorn. Den fysiska storleken kan fortfarande vara mindre än hundra [[nanometer]].</ref> platta av metall (vanligen [[aluminium]]). Lagren med metall–oxid–halvledare fungerar som en [[kondensator]]. Den del av ''body'' som ligger under ''gate'' och mellan ''source'' och ''drain'' kallas för '''kanal'''. När en spänning ''V<sub>G</sub>'' läggs på ''gate'' blir den positivt laddad samtidigt som kanalen blir negativt laddad. Överskottet av elektroner som ansamlas i kanalen är rörliga och gör att en ström kan flyta parallellt med kondensatorn från ''source'' till ''drain''.<ref name="Horenstein p240">{{harvnb|Horenstein|1996|pp=240–241}}</ref>

''Source'' och ''drain'' är två diken med ''n''-dopat material som löper längs med varsin kant av ''gate''. Deras uppgift är att fungera som terminaler för den ström ''I<sub>DS</sub>'' som löper genom ''body'' under ''gate'' och som regleras av spänningen på ''gate''.<ref name="Horenstein p240"/>

==Funktion==
En MOSFET har olika karaktäristik i de ''mättade regionerna'' när kanalen mellan ''source'' och ''drain'' är helt öppen eller helt stängd, samt i den ''ohmiska regionen'' däremellan. Transistorn går in i den övre mättade regionen (bottnad) när
:<math>I_D > k \  {\frac{W}{L}} \  V_{DS}^2</math>
där ''I<sub>D</sub>'' är strömmen genom ''drain'' och ''k'' är en karaktäristikparameter som brukar anges i mikroampere per kvadratvolt (μA/V²), ''W'' och ''L'' är kanalens bredd respektive längd samt ''V<sub>DS</sub>'' är spänningen mellan ''drain'' och ''source''.<ref name="Microelectronics p145">{{harvnb|Millman|Grabel|1988|p=145}}</ref>

När spänningen ''V<sub>DS</sub>'' är mindre än tröskelvärdet ''V<sub>T</sub>'' går transistorn in i den undre mättade regionen (strypt).

===Mättad region===
I de mättade regionerna är strömmen ''I<sub>D</sub>'' antingen nära noll (strypt) eller maximal (bottnad). I båda fallen är den ohmiska effektförlusten minimal och därför är det de regionerna man vill använda i [[digital elektronik]] samtidigt som man vill växla mellan dem så snabbt som möjligt för att få minimal effektförlust i den ohmiska regionen.
:<math>I_D = k \  {\frac{W}{L}} \  (V_{GS} - V_T) \equiv I_{DS} \quad</math><ref name="Microelectronics p145"/>

===Ohmisk region===
I [[analog elektronik]] är det transistorns förstärkning man är ute efter. I de mättade regionerna är den obefintlig, men i den ohmiska regionen mellan dem är den väldigt hög.
:<math>I_D = k \  {\frac{W}{L}} \  [2 \  (V_{GS} - V_T) \  V_{DS} - V_{DS}^2] \quad</math><ref name="Microelectronics p145"/>

===Depletion mode===
I normalfallet (kallat ''enhancement mode MOSFET'') är kanalen helt strypt när det inte finns någon spänning på ''gate'' (''V<sub>T</sub>'' > 0). Men om en MOSFET förses med en smal sträng av dopat material mellan ''source'' och ''drain'' kommer den att leda ström även om ''gate'' är spänningslös (''V<sub>T</sub>'' < 0). En sådan transistor kallas för ''depletion mode MOSFET''. I det fallet behöver ''gate'' ha en negativ spänning för att transistorn ska gå in i den undre mättade regionen (strypt).
:<math>V_{GS} \le -I_D R_S \quad</math><ref name="Microelectronics p152">{{harvnb|Millman|Grabel|1988|p=152}}</ref>

===Body bias===
I [[Diskret komponent|diskreta komponenter]] är ''source'' ofta sammankopplad med ''body''. I [[Integrerad krets|integrerade kretsar]] har är alla transistorer byggda på samma substrat och då är det inte möjligt att koppla samman ''source'' med ''body''. Då måste ''source'' ha högre spänning än ''body'' vilket skapar en utarmningsregion runt varje transistor som isolerar den från intilliggande transistorer på samma substrat. När flera transistorer kopplas samman, exempelvis i en [[vippa]] kommer en transistors ''drain'' att kopplas direkt till en annan transistors ''source''. Med diskreta komponenter är det oproblematiskt, men i integrerade kretsar är det ytterligare ett skäl till att ''source'' måste ha högre spänning än ''body''.<ref name="Horenstein p250">{{harvnb|Horenstein|1996|p=250}}</ref>

Den praktiska effekten av olika spänningar på ''source'' och ''body'' är att tröskelspänningen ''V<sub>T</sub>'' påverkas. Skillnaden i tröskelspänning kan uttryckas som
:<math>\Delta V_T = \gamma(\sqrt{2 \phi_F -V_{BS}} - \sqrt{2 \phi_F}) \quad</math><ref>{{harvnb|Horenstein|1996|p=251}}</ref>
där ''γ'' är en parameter mellan {{formatnum:0.3}} och {{formatnum:1.0}} V<sup>½</sup> och ''φ<sub>F</sub>'' är den så kallade ''Fermipotentialen'' som för kisel är {{formatnum:0.347}}&nbsp;V.<ref>{{harvnb|Streetman|Banerjee|2000|p=269}}</ref>

==Tillverkning==
I det första steget täcks kiselsubstratet av ett lager av [[kiselnitrid]] (Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>) i vilket en ram runt transistorn etsas fram. Ramen ''p<sup>+</sup>''-dopas för att isolera den från omgivande kretsar. Det området kommer att bli ''body''-området utanför kanalen. Steget avslutas med att ett relativt tjockt lager av oxid läggs ovanpå (fältoxiden).

I andra steget etsas resten av kiselnitriden bort och ytterligare ett oxidlager läggs på. Det lagret är betydligt tunnare än det första och blir det isolerande lager mellan ''gate'' och ''body''. Därefter läggs ett lager av polykristallin kisel eller aluminium på i vilket det som ska bli ''gate'' etsas fram. Mellanrummet mellan ''gate'' och den tidigare dopade ramen kommer att bli ''source'' och ''drain'' i nästa steg.

I tredje steget ''n<sup>+</sup>''-dopas ''source'' och ''drain'' genom beskjutning med en jonkanon. Jonerna kan inte tränga igenom fältoxiden eller aluminiumet, utan jonerna kan bara tränga in i substratet genom det tunna oxidlagret i springan mellan dessa. Om ''gate'' består av polykristallin kisel kommer den också att ''n<sup>+</sup>''-dopas. Det är något som sällan framgår av schematiska bilder av MOSFET-transistorer, men det ökar konduktiviteten i ''gate'' vilket gör att laddningen har lättare att fördela sig jämnt över hela ''gate''.

I det fjärde steget beläggs hela kretsen med ytterligare ett oxidlager. Hål för anslutningsterminalerna etsas ut genom både detta oxidlager och den underliggande fältoxiden ner till ''body'', ''source'', ''drain'' och ''gate''. Terminalerna bildas genom att aluminium läggs på och i vilket och själva anslutningarna etsas fram.

En egenskap hos MOSFET som underlättar tillverkningen är att fältoxiden och ''gate'' används som [[Mask (grafik)|mask]] vid dopningen av ''drain'' och ''source''. Det gör att ''drain'' och ''source'' kan läggas precis intill ''gate'' vilket ger både en kortare kanal och minimal kapacitans mellan ''source'', ''gate'' och ''drain''.<ref>{{harvnb|Millman|Grabel|1988|p=188}}</ref>

==Typer==

===pMOS och nMOS===
{{dubbel bild|right|IGFET P-Ch Enh Labelled.svg|100|IGFET N-Ch Enh Labelled.svg|100|pMOS|nMOS}}
En MOSFET-transistor kan antingen byggas med ''p''-dopad ''source'' och ''gate'' med ''n''-dopad kanal eller med ''n''-dopad ''source'' och ''gate'' med ''p''-dopad kanal. Det förstnämnda benämns nMOS och det sistnämnda pMOS. I nMOS är gatespänningen positiv vilket gör att kanalen blir negativt laddad medan i pMOS är gatespänningen negativ vilket gör kanalen positivt laddad.<ref>{{harvnb|Horenstein|1996|p=260}}</ref> Eftersom [[elektron]]er har högre rörlighet än [[Hål (kvasipartikel)|hål]] är nMOS mer effektiv och därför också den vanligaste varianten. Det faktum att pMOS har omvända egenskaper jämfört med nMOS gör att båda varianterna används tillsammans i [[CMOS]]-logik.<ref>{{harvnb|Millman|Grabel|1988|pp=167–169}}</ref>

===MESFET===
''Metal-semiconductor Field Effect Transistor'' (MESFET) är baserade på [[galliumarsenid]] (GaAs) som har betydligt högre elektronmobilitet än kisel vilket gör att de kan växla mellan strypt och bottnad mycket snabbare. Nackdelarna är lägre hålmobilitet, vilket gör pMOS-transistorer av GaAs olämpliga, samt att galliumarsenid är svår att oxidera vilket gör att det inte går att skapa ett isolerande lager mellan ''gate'' och ''body''. I stället läggs en ''gate'' av [[guld]] eller [[titan]] direkt på en kanal av ''n''-dopat materiel. Övergången bildar en [[Schottkydiod|Schottkybarriär]] mellan ''gate'' och kanal som får den att mer likna en [[JFET]]-transistor. ''Body'' under kanalen är odopad vilket gör att kretsen är bättre isolerad mot intilliggande kretsar än på kiselbaserad MOSFET.<ref>{{harvnb|Horenstein|1996|pp=261–262}}</ref><ref>{{harvnb|Millman|Grabel|1988|p=142}}</ref>

===FGMOS===
[[Bild:Floating gate transistor-en.svg|miniatyr|En floating-gate MOSFET.]]
''Floating-gate'' MOSFET (FGMOS) är en speciell typ av MOSFET-transistor som har två tycken ''gate''; en övre ''control gate'' som är kopplad till en anslutande krets eller terminal, samt en ''floating gate'' under den som är isolerad mot både ''body'' och ''floating gate'' av oxidlager. Det gör ''floating gate'' galvaniskt isolerad från omgivningen och har bara kapacitiv koppling mot ''body'' och ''control gate''. Effekten blir att laddningen i ''gate'' och kanalen är opåverkade över lång tid vilket gör dem användbara i [[EPROM]] och [[flashminne]]n. Gaten laddas upp genom att gatespänningen görs högre än oxidlagrets [[genombrottsspänning]]. Genombrottsspänningen är avsevärt högre än logikspänningen, ofta 20–25&nbsp;volt.<ref>{{harvnb|Millman|Grabel|1988|pp=302–304}}</ref><ref>{{harvnb|Horenstein|1996|pp=987–988}}</ref>

===Bio-FET===
En ''[[Biosensor]] Field-Effect Transistor'' (Bio-FET) är en MOSFET där ''gate'' består av ett material som reagerar på ändringar i den fysikaliska miljön. Den första typen var ''Ion-Sensitive Field-Effect Transistor'' (ISFET) som konstruerades 1970 av [[Piet Bergveld]] för att mäta koncentrationen av [[jon]]er i en lösning. Därefter har flera olika typer av Bio-FET konstruerats, bland annat GASFET (gassensor), PRESSFET (trycksensor), DNSFET ([[DNA]]-känslig) och Chem-FET som kan användas för att detektera och mäta koncentrationen av ett flertal olika kemiska ämnen.<ref>{{webbref |url=https://www.researchgate.net/figure/a-Schematic-view-of-the-Bio-FET-device-b-Operation-principle-including-the-binding_fig2_48872117 |titel=Schematic view of the Bio-FET device. |utgivare=ResearchGate |hämtdatum=2021-03-18}}</ref>

===Tunnfilmstransistor===
{{Huvudartikel|Tunnfilmstransistor}}
En tunnfilmstransistor (TFT) skiljer sig från en MOSFET såtillvida att den tillverkas genom att halvledarmaterial och oxid byggs upp på ett isolerande substrat i stället för att etsa fram komponenterna ur ett halvledarsubstrat. Ett vanligt förekommande substrat är [[glas]]. Att transistorerna kan byggas direkt på ett transparent substrat gör de lämpliga för [[aktiv matrisadressering]] av [[flytkristallskärm]]ar.

===FinFET===
I en vanlig MOSFET ligger ''gate'' ovanpå kanalen. Om man kan bygga transistorn så att ''gate'' omsluter fler sidor av kanalen kan man få en snabbare transistor med högre [[Elektrisk strömtäthet|strömtäthet]]. Nackdelen är att den är dyrare att tillverka eftersom den kräver fler lager.

===VFET===
År 1976 introducerade Silicinox en ny typ av MOSFET-transistor kallad VMOS (''Vertical Metal Oxide Semiconductor''). VMOS var konstruerad för avsevärt högre strömmar än vanliga MOSFET-transistorer. Ett utmärkande drag är att VMOS inte har någon ''body'' och att ''drain'' är ansluten till substratets undersida.  ''Gate'' är inte heller platt utan har en djup V-form som skär igenom ''source'' och vidare ner i substratet. Det faktum att strömmen från ''source'' till ''drain'' går vertikalt genom substratet i kombination med en V-formad ''gate'' gör kanalen bredare vilket tillåter större strömmar.<ref>{{harvnb|Millman|Grabel|1988|p=812–813}}</ref>

==Noter==
<references group="not"/>

==Referenser==
{{Kolumner|antal=2}}
<references/>
{{Kolumner-slut}}

===Tryckta källor===
*{{bokref
|efternamn = Horenstein
|förnamn = Mark N
|titel = Microelectronic circuits and devices
|år = 1996
|utgivare = Prentice Hall
|utgivningsort = Englewood Cliffs, New Jersey
|språk = engelska
|isbn = 0-13-185539-5
|libris = 4566077
}}
*{{bokref
|efternamn = Millman
|förnamn = Jacob
|efternamn2 = Grabel
|förnamn2 = Arvin
|titel = Microelectronics
|år = 1988
|utgivare = McGraw-Hill
|utgivningsort = New York
|språk = engelska
|isbn = 0-07-100596-X
|libris = 4501598
}}
*{{bokref
|efternamn = Streetman
|förnamn = Ben G
|efternamn2 = Banerjee
|förnamn2 = Sanjay
|titel = Solid state electronic devices
|år = 2000
|utgivare = Prentice Hall
|utgivningsort = Upper Saddle River, New Jersey
|språk = engelska
|isbn = 0-13-026101-7
}}

== Externa länkar ==
* {{commonscat WD}}


[[Kategori:Transistor]]