MOSFET

Metal oksit yarı iletken alan etkili transistör (MOSFET, MOS-FET veya MOS FET) bir tür alan etkili transistör (FET)’dür ve daha çok silisyum'un kontrollü oksitlenmesi ile üretilir. Voltajı cihazın iletkenliğini belirleyen yalıtımlı bir kapısı vardır. Uygulanan voltaj miktarıyla iletkenliği değiştirme özelliği, elektronik sinyal’lerin güçlendirilmesi veya değiştirilmesi için kullanılabilir.

Metal-yalıtkan-yarı iletken alan etkili transistör (MISFET) terimi neredeyse MOSFET ile eş anlamlıdır. Bir diğer eşanlamlısı ise yalıtımlı- kapı alan-etkili transistördür ("IGFET").

Alan etkili transistör’ün temel prensibi ilk olarak 1925'te Julius Edgar Lilienfeld tarafından patentlendi.^[1]

Bipolar transistör'ler (bipolar bağlantı transistörleri/BJT'ler) ile karşılaştırıldığında, MOSFET'in temel avantajı, yük akımını kontrol etmek için neredeyse hiç giriş akımı gerektirmemesidir. Artırma modu MOSFET'te kapı terminaline uygulanan gerilim cihazın iletkenliğini arttırır. Azaltma modu transistörlerde kapıya uygulanan voltaj iletkenliği azaltır.^[2]

MOSFET adındaki "metal" bazen yanlış isimdir çünkü kapı malzemesi polikristalin silikon tabakası olabilir. Benzer şekilde, isimdeki "oksit" de yanlış isim olabilir çünkü uygulanan daha küçük gerilimlerle güçlü kanallar elde etmek amacıyla farklı dielektrik malzemeler kullanılır.

MOSFET, dijital devrelerde en çok kullanılan transistördür çünkü milyarlarcası bellek yongalarında veya mikroişlemcilerde kullanılır. MOSFET'ler p-tipi veya n-tipi yarı iletkenlerle yapılabildiğinden, tamamlayıcı MOS transistör çiftleri, CMOS mantığı biçiminde çok az güç tüketimli anahtarlama devreleri yapmak için kullanılabilir.

Bileşim

Bir test modelindeki iki metal kapılı MOSFET fotomikrografisi. İki kapı ve üç kaynak/drenaj düğümü için prob pedleri etiketlenmiştir.

Genellikle tercih edilen yarı iletken silisyumdur. Bazı çip üreticileri, özellikle IBM ve Intel, MOSFET kanallarında silisyum ve germanyum alaşımını (SiGe) kullanır. Galyum arsenür gibi silikondan daha iyi elektriksel özelliklere sahip birçok yarı iletken, iyi yarı iletken-yalıtkan arayüzleri oluşturmaz ve bu nedenle MOSFET'ler için uygun değildir. Diğer yarı iletken malzemeler üzerinde kabul edilebilir elektriksel özelliklere sahip yalıtkanlar oluşturmaya yönelik araştırmalar devam etmektedir.

Kapı akımı kaçağı nedeniyle güç tüketimindeki artışın üstesinden gelmek için, kapı yalıtkanı olarak silisyum dioksit yerine yüksek κ dielektrik kullanılırken, polisilisyum yerine metal kapılar kullanılır (örn. Intel, 2009).^[3]

Kapı, geleneksel olarak silisyum dioksitten ve daha sonra silisyum oksinitridden oluşan ince bir yalıtım katmanıyla kanaldan ayrılır. Bazı şirketler 45 nanometrelik düğümde yüksek κ dielektrik ve metal kapı kombinasyonu kullanınır.

Kapı ve gövde terminalleri arasına bir voltaj uygulandığında, üretilen elektrik alanı oksit boyunca nüfuz eder ve yarı iletken-yalıtkan arayüzünde ters dönüşüm katmanı veya kanalı oluşturur. Ters çevirme katmanı, akımın kaynak ve drenaj terminalleri arasında geçebileceği bir kanal sağlar. Kapı ve gövde arasındaki voltajın değiştirilmesi bu katmanın iletkenliğini modüle eder ve böylece drenaj ve kaynak arasındaki akım akışını kontrol eder. Buna, artırma modu denir.

JFET'e benzerliği

MOSFET, JFET'e pek çok yönden benzerlik gösterir. JFET'de Gate Source ters polarlanmış bir PN oluşturmaktadır. MOSFET'de ise böyle değildir. MOSFET'de gate (Türkçe: kapı) öyle oluşturulmuştur ki drain ile source arasındaki bölge üzerine silikon dioksit ve onun üzerine de gate elektrodu (metal plaka) konularak yapılmıştır. Böylece kapı metal elektrotu ile drain ve source arasına bir yalıtkan konulmuş olur. Buradaki yalıtkan silikon dioksit(SiO₂)'dir. Silikon dioksit çok iyi bir yalıtkandır ve ayrıca mükemmel mekanik özelliklere sahiptir. Metal oksit ve yarı iletken bir kapı oluşturur ve MOSFET adının oluşmasını sağlar. Bu nedenle kapı gerilimine JFET' de olduğu gibi bir sınırlandırma konulmamıştır. Tabi bu teoriktir. Kapı yalıtkanı o kadar incedir ki eğer bir koruma yoksa vücudumuzdaki gerilim bile bu yalıtkanı delmeye yeter. Ayrıca bu yalıtkan yüzünden kapı akımı neredeyse hiç yoktur ve giriş empedansı çok yüksektir. Tipik olarak kapı akımı 10⁻¹⁴ A (0,01piko amper) ve 10¹⁴ ohm (10.000 Giga ohm).

Kapı geriliminin sınırlı olmaması ayrıca MOSFET'de iki durumda çalışma olanağı sağlar. Bunlar "Arttırılmış - Enhancement" ve "Azaltıcı - Depletion" çalışma şekilleridir. Enhancement MOSFET' ler uygun şekilde kutuplanmadığı sürece üzerlerinden akım akmaz. Çünkü kapı geriliminin sıfır olması ile kaynak ve savak arasında iki tane arka arkaya bağlanmış PN diyotu vardır. Savak-kaynak gerilimi ne değerde olursa olsun kaynak akımı akmaz. Depletion tipi MOSFET'ler Enhancement tiplerinin tam tersidir. Bu tip MOSFET'ler normalde "ON" tipi MOSFET'lerdir. Gate uygun şekilde bayslanmadığı sürece akım geçirirler.

Enhancement MOSFET'in kabaca üç çalışma bölgesi vardır:

Kesim: Kapı-kaynak gerilimi, eşik geriliminden düşük olduğunda, $V_{GS}<V_{Th}$ , savak akımı sıfıra çok yakındır $I_{D}=0$ .
Doğrusal: Kapı-kaynak gerilimi, eşik geriliminden yüksek, $V_{GS}>V_{Th}$ ve savak-kaynak gerilimi kapı-kaynak gerilimi ile eşik gerilimi arasındaki farktan daha düşük $V_{DS}<V_{GS}-V_{Th}$ olduğunda;
Doyum: Kapı-kaynak gerilimi, eşik geriliminden yüksek, $V_{GS}>V_{Th}$ ve savak-kaynak gerilimi kapı-kaynak gerilimi ile eşik gerilimi arasındaki farktan daha yüksek olduğunda, $V_{DS}>V_{GS}-V_{Th}$ , savak akımı (I_D) ile kapı gerilimi arasındaki ilişki kabaca aşağıdaki formülle verilir. Bu formüle kare kanunu da denir. SPICE devre benzeşim programında kullanılan 1. seviye model de bu formüle dayanır.

$I_{D}=KP{\frac {W}{L}}(V_{GS}-V_{Th})^{2}$

MOSFET, girişinde hiç güç harcamadığı için ve drain - source arası tam olarak "ON" yapıldığında üzerinde çok az güç harcar. Bu nedenle içinde çok sayıda transistör olması istenen entegre devrelerin vazgeçilmez parçalarıdır. Yazının baş taraflarında da söz edildiği gibi MOSFET' in kapısını oluşturan dioksit çok ince olduğundan vücut elektriğinden bile kolayca bozulabilir. Bu durumu önlemek için gate ile MOSFET'i oluşturan alt taş (substrate) arasına bir zener diyot fabrikasyon olarak yerleştirilir. Bu zenerin iletime geçme voltajı düşük olacağına göre dışarıdan gelebilecek gerilimler zener üzerinden kısa devre olur. Fabrikasyon tedbirler alınmasına rağmen bu tür transistörleri taşırken dikkatli olmalı, eğer bacakları bir tel ya da benzeri bir şeyle kısa devre edilmişse bunu, transistörü yerine taktıktan sonra çıkarmalıdır.

Günümüzde MOSFET transistörlerinin yerine BJT tipi transistörler daha fazla kullanılmaya başladığından daha az tercih edilir hale gelmektedirler.

Dış bağlantılar

Wikimedia Commons'ta MOS(FET) ile ilgili ortam dosyaları bulunmaktadır.

Understanding power MOSFET data sheet parameters - NXP PDF Application Note AN11158
An introduction to depletion-mode MOSFETs
Power MOSFETs6 Temmuz 2012 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
Mosfet Bilgisi ve Mosfetin Sürülmesı12 Temmuz 2010 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
Mosfet Özellikleri, Mosfet Çeşitleri15 Nisan 2010 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.

Kaynakça

^ Lilienfeld, Julius Edgar (1926-10-08) "Method and apparatus for controlling electric currents" ABD patent 1745175A
^ "D‐MOSFET OPERATION AND BIASING" (PDF). 22 Ekim 2022 tarihinde kaynağından arşivlendi (PDF).
^ "Intel 45nm Hi-k Silicon Technology". Intel. 5 Temmuz 2007 tarihinde kaynağından arşivlendi.

[p1-1] Lilienfeld, Julius Edgar (1926-10-08) "Method and apparatus for controlling electric currents" ABD patent 1745175A

[depletion-2] "D‐MOSFET OPERATION AND BIASING" (PDF). 22 Ekim 2022 tarihinde kaynağından arşivlendi (PDF).

[3] "Intel 45nm Hi-k Silicon Technology". Intel. 5 Temmuz 2007 tarihinde kaynağından arşivlendi.

[1]

[2]

[3]