توضیحات

 

شبیه سازی ترانزیستور ماسفت(MOSFET) در کامسول

 

امروزه با توجه به پیشرفت سریع فناوری در زمینه ادوات نیمه رسانا و ظهور ترانزیستورها در ابعاد نانو نیاز به تحلیل و مدل سازی این ادوات مشاهده می شود. با استفاده از مدل سازی تحلیلی به بررسی رفتار فیزیکی و عملکرد الکترونیکی این ادوات پرداخته می شود. افزاره های میکروالکترونیک با سرعت زیادی در حال کوچک شدن و افزایش کارایی می باشند و از طرفی امکان ساخت مدارهای مجتمع را فراهم کرده است. این امر آینده – ای روشن برای افزاره هایی با ابعاد نانومتر ایجاد می کند. ترانزیستورهای ماسفت گروه بسیار مهمی از ترانزیستورهای اثر میدانی هستند که در عرصه کوچک سازی صنعت نیمه هادی پیشرو بوده اند. ترانزیستور ماسفت به لحاظ مصرف توان کمترو چگالی بیشتر قطعه ها در مدارات مجتمع، کاربردهای زیادی پیدا کرده است. علاوه براین امروزه با پیشرفت فن آوری هر روزه ماسفت های با سرعت بیشتر به بازار عرضه می شوند. مهم ترین کاربرد ماسفت در مدارهای دیجیتال است. در الکترونیک آنالوگ بعضی ویژگی های ماسفت از جمله مقاومت ورودی زیاد از اهمیت ویژه ای برخوردار است. همچنین یکی از قابلیت های ماسفت ها امکان قرار دادن توام مدار های آنالوگ و دیجیتال روییک تراشه و نیز بهبود عملکرد کلی و یا کاهش هزینه بسته بندی است. از طرفی افزاره های مکمل (CMOS) که با به کار گیری ترانزیستور ماسفت نوع n و نوع p ایجاد شده اند توان مصرفی پایینی داشته و تعداد افزارهای مورد نیاز را به شدت کاهش داده و بازار دیجیتال را تصرف کرده اند. با این وجود جریان ترانزیستور ماسفت نسبت به ترانزیستورهای دوقطبی کمتر است و در مواردیکه نیاز به جریان بار بزرگ در مدارات وجود دارد معمولاً در طبقه های خروجی مدارات در صورت امکان از ترانزیستور دو قطبی استفاده میشود.

از مهمترین دلایل اهمیت کوچک سازی ترانزیستورها میتوان به کاهش هزینه­ها، کاهش توان مصرفی، افزایش سرعت و کم حجم و سبک شدن قطعه های الکترونیکی اشاره کرد. با وجود این مزایا، در کوچک سازی تدریجی ترانزیستور، محدودیت های فیزیکی و اثرات ناخواسته ای از جمله تغییر ولتاژ آستانه، کاهش سد پتانسیل با القای درین، کاهش شیب زیر آستانه و محدودیت رانش الكترون در رفتار ترانزیستورها مشاهده میشود که بعضی از این آثار تحت عنوان اثرات کانال کوتاه نامیده میشوند. ماسفتهای با گیت احاطه شده در ابعاد نانومتری یک از ساختارهای مناسبی هستند که در سال های اخیر برای کنترل اثرات کانال کوتاه معرفی شده اند. در ساختار این نوع ماسفت به دلیل پوشش دور تا دور بدنه توسط گیت و استفاده از بدنه بسیار نازک که معمولا بدون ناخالصی یا با ناخالصی کم در نظر گرفته میشود، کنترل قدرتمندی بر الکترواستاتیک کانال و درنتیجه اثرات کانال کوتاه به وجود می آورد.

از این رو به عنوان گزینة جدی برای ادامه روند کوچک سازی ترانزیستورها مورد توجه قرار گرفته اند. از جمله مزایای این ساختار می توان به کاهش جریان نشتی در حالت خاموش نسبت به ماسفتهای مرسوم و درنتیجه افزایش نسبت جریان در حالت روشن به جریان در حالت خاموش، کم شدن اثر پراکندگی ناخالصی ها در کاهش موبیلیته و حذف نوسانات آنها به دلیل ناخالصی کم کانال و کنترل کاهش سد پتانسیل با القای درین اشاره کرد.

ترانزیستور در مدارات زیادی از جمله تقویت کننده ها، مدارات دیجیتال و حافظه ها کاربرد دارد. اصول کلی کارکرد ترانزیستور بر این پایه است که با اعمال ولتاژ به دو ترمینال جریان ترمینال سوم را کنترل میکند. دو نوع ترانزیستور مهم وجود دارد: ترانزیستورهای پیوندی دوقطبی و ترانزیستورهای اثر میدان فلز-اکسید-نیمه هادی.

ترانزیستورهای اثر میدان فلز-اکسید-نیمه هادی از ترانزیستورهای پیوندی دوقطبی کوچکتر و ساخت آن ساده تر بوده و توان کمتری مصرف می کند و در ساخت بسیاری از مدارات مجتمع کاربرد دارد. ماسفت یا ترانزیستور اثر میدان فلز-اکسید-نیمه هادی، معروفترین ترانزیستور اثر میدان در مدارهای آنالوگ و دیجیتال است. ماسفت ها در نواحی مختلف کاری ویژگی های منحصر به فردی داشته و برای کاربردهای گوناگون در مدارهای مختلف بکار برده می شوند. از طرفی پیشرفت روزافزون تکنولوژی ساخت به دنبال آن کاهش طول کانال ترانزیستورهای در عملکرد آنها بی تاثیر نبوده است.

تاریخچه:

این گونه از ترانزیستور اثر میدان نخستین بار در سال ۱۹۲۵ میلادی معرفی شد. در آن هنگام، ساخت و بکارگیری این افزاره، به علت نبود علم، ابزار و امکانات، با دشواری همراه بود و از همین رو، برای پنج دهه فراموش شد و از میدان پیشرفت های الکترونیک جاماند. در آغاز دهه۷۰، بار دیگر ماسفت مورد توجه قرار گرفت و برای ساخت مدارهای مجتمع به کار گرفته شد. اصل اساسی این نوع ترانزیستور برای اولین بار توسط جولیوس ادگار در سال۱۹۲۵ به ثبت رسید. در سال ۱۹۵۹، Dawon Kahng و مارتینAtalla در آزمایشگاههای بل، ترانزیستورهای اثر میدان فلز-اکسید-نیمه هادی را طراحی کردند و شاخه جدیدی از ترانزیستور با نام ترانزیستور اثر میدان اختراع شد. ماسفت با قراردادن یک لایه عایق در سطح نیمه هادی و سپس قرار گرفتن یک الكترود گیت فلزی بر روی آن ساخته شده بود. نیمه هادی، سیلیکون کریستالی است و از لایه ای از دی اکسید سیلیکون به عنوان عایق استفاده می شود.

در ترانزیستور اثر میدان همانطور که از نامش پیدا است، پایه کنترلی، جریانی مصرف نمی کند و تنها با اعمال ولتاژ و ایجاد میدان درون نیمه رسانا، جریان عبوری از ترانزیستور کنترل می شود. از همین رو ورودی این مدار هیچ اثر بارگذاری بر روی طبقات تقویت قبلی نمی گذارد و امپدانس بسیار بالایی دارد. گیت ترانزیستورهای ماسفت توسط لایه ای از اکسید سیلیسیم از کانال مجزا شده است. به این دلیل به ماسفت ها، فت با گیت مجزا نیز گفته می شود.

مدارهای مجتمع بر پایه فناوری ترانزیستورهای اثر میدان فلز اکسید نیمه هادی را می توان بسیار ریزتر و ساده تر از مدارهای مجتمع بر پایه ترانزیستورهای دوقطبی ساخت، بی آنکه(حتی در مدارها و تابع های پیچیده و مقیاس های بزرگ) نیازی به مقاومت، دیود یا دیگر قطعه های الکترونیکی داشته باشد. همین ویژگی، تولید انبوه آنها را آسان میکند، چندان که هم اکنون بیش تر از ۸۵ درصد از مدارهای مجتمع، بر پایه فناوری فلز-اکسید-نیمه هادی طراحی و ساخته می شوند.

با واردشدن مدارات مجتمع در صنعت نیمه هادی ها در اواخر دهه ۱۹۵۰ میلادی، علاقه مصرف کنندگان به استفاده از مدارهای الکترونیک و پردازنده های کوچکتر و سریعتر، شرکتهای سازننده را بر آن داشت تا بر روی کاهش ابعاد پایه ای ترین عنصر مداری مدارات مجتمع یا همان ماسفت ها تحقیق کنند. گوردون مور در سال ۱۹۶۸ پیش بینی کرد که توسعه صنعت نیمه هادی به گونه ای خواهد بود که در هر ۱۸-۲۴ ماه یکبار گنجایش پردازنده های الکترونیکی دو برابر خواهدشد. تحقق این پیش بینی به معنای این است که هر دو سال یکبار، چگالی یک فیلم سیلیکونی دو برابر شده و درنتیجه کاهش توان مصرفی افزاره، کاهش خازنهای پارازیتی و افزایش سرعت سوئیچینگ افزاره را در این مدت به همراه دارد. توسعه صنعت نیمه هادی باعث ورود ابعاد افزاره به گستره نانو شده است. پیش بینی شده است که این کاهش ابعاد تا دستیابی به افزارهای با طول گیت۱۰-۸ نانومتر ادامه یابد.

انواع ترانزیستورهای فلز – اکسید-نیمه هادی:

این ترانزیستورها، بسته به کانالی که در آنها شکل میگیرد، به دو نوع تقسیم می شود: ترانزیستور فلز-اکسید-نیمه هادی با کانال نوع n¹ و كانال نوع p². در آغاز کار، ترانزیستور با کانال p، ترانزیستور پرکاربردتر در فناوری فلز-اکسید-نیمه هادی بود. اما از آن جا که ساختن ترانزیستورn کانال، آسانتر است و مساحت کمتری هم میگیرد، از p کانال پیشی گرفت. برخلاف ترانزیستورهای دوقطبی، در ترانزیستورهای ماسفت، جریان، نتیجه شارش تنها یک حامل (الكترون یا حفره) در میان پیوندها است و از این رو، این ترانزیستورها را تک قطبی هم می نامند.

عملکرد ترانزیستورهای فلز – اکسید-نیمه هادی:

این ترانزیستور بصورت یک المان با سه ترمینال گیت، سورس و درین مورد استفاده قرار می گیرد. اگر ولتاژی به گیت وصل نشده باشد بین سورس و درین دو دیود وجود خواهد داشت: یکی بین n سورس و p پایه و دیگری بینp پایه و n درین. چون این دو دیود پشت به پشت به هم وصل شده اند هیچ جریانی بین سورس و درین نمی تواند برقرار شود. درنتیجه مقاومت بين سورس و درین خیلی زیاد خواهد بود. درواقع یک ناحیه تخلیه بین دو قطعه p و n مجاور تشکیل می شود که از عبور جریان بین پایه و درین و همچنین پایه و سورس جلوگیری میکند.

تغییر ولتاژ گیت، میدان الکتریکی عمودی روی کانال را تغییر داده و درنتیجه تجمع الكترون زیر اکسید گیت را تغییر میدهد و رسانایی کانال ایجاد شده را تغییر و درنتیجه جریان درین را کنترل میکند به دلیل این خاصیت به این ترانزیستورها، ترانزیستورهای اثر میدان می گویند. اگر درین و سورس را به زمین وصل کرده و ولتاژ مثبتی به گیت وصل کنیم، حامل های مثبت زير ناحیه گیت تحت تاثیر این ولتاژ از زیر گیت دور شده و به سمت زیرلایه رانده می شوند. این ولتاژ متقابلاً الكترونهای منفی را از ناحیه های سورس و درین جذب می نماید. اگر در ناحیه زیر گیت الکترون کافی جمع شودیک ناحیه منفی بوجود می آید که دو ناحیهn مربوط به سورس و درین را به هم وصل می کند. درواقع کانالی برای عبور جریان الکترون از سورس به درین تشکیل می شود. قابل توجه است که زیرلایه که قبلا از نوع p بود در ناحیه زیر گیت به نوع n تبدیل میشود یعنی ناحیه زیر کانال وارون می شود.

در شکل زیر تخلیه حامل های بار را در زیر گیت بر اثر اعمال ولتاژ مثبت می بینیم.

شکل رفتار ترانزیستورNMOS در زمان اعمال یک ولتاژ مثبت به گیت.

الکترونهای آزاد شده یا به درین وارد میشوند که باعث افزایش جریان درین شده، یا وارد اکسید گیت میشوند و جریان نشتی گیت را افزایش میدهند و در ولتاژ آستانه تغییر ایجاد میکنند. حفره های ایجادشده در اثر پدیده یونیزاسیون برخوردی نیز یا مثل الكترونهای مذکور، وارد اکسید گیت می شوند یا از مسیر بستر باعث افزایش جریان بستر میشوند، یا از همین مسیر به طرف سورس میروند.

مشاهده می شود که مقدار جریان به نسبت طول به عرض کانال بستگی دارد. مقدار L توسط سازنده انتخاب می شود تا ترانزیستور برای جریان دلخواه قابل استفاده باشد. از آنجا که ساخت ترانزیستور کوچک یک امتیاز است، سعی میشود تا با کوچک کردن L به ترانزیستور کوچکتری رسید.

عملکرد ترانزیستور در ناحیه زیر آستانه:

گفته شد که اگر V_GS<V_t باشد جریانی از ترانزیستور عبور نخواهد کرد، اما در این ناحیه اگر ولتاژ V_GS به ولتاژ آستانه نزدیک باشد، ممکن است که جریانی که رابطه نمائی با ولتاژ دارد از آن عبور نماید. با این وجود در اغلب کاربردها میتوان از آن صرفنظر نمود. سه ناحیه عملکرد مختلف برای ترانزیستور میتوان در نظر گرفت: قطع، تریود و اشباع.

ناحيه اشباع وقتی که ترانزیستور به عنوان تقویت کننده مورد استفاده است بکار می رود و برای ترانزیستوری که بعنوان سوئیچ کار می کند از ناحيه قطع و تریود استفاده می شود.

شکل زیر این نواحی را بر روی نمودار جریان درین بر حسب ولتاژ درین سورس تعیین می کند. نواحی کار ترانزیستور بصورت زیر نامگذاری شده است.

Triode region: V_GS > V_th , V_DS < V_DSsat

Saturation region: V_GS >V_th, V_DS  V_DSat

شکل مشخصه ی جریان درین برحسب ولتاژ درین سورس، برای قطعه ای با k_n(W/L)=1.0 mA/V²

با افزایش ولتاژ درین به نقطه ای می رسیم که پیوند درین و پایه به صورت بهمنی شکست پیدا می کند (بین۲۰ تا ۱۵۰ ولت) و باعث میشود تا جریان خیلی زیاد شود. در ترانزیستورهایی که ناحیة کانال کوچک است با افزایش ولتاژ درین ناحیه تخلیه گسترش زیادی پیدا کرده و تا سورس امتداد پیدا می کند.

این پدیدهpunch through نامیده شده و باعث افزایش زیاد جریان می شود. پدیده شکست دیگری وجود دارد که با افزایش ولتاژ گیت سورس رخ می دهد(در حدود ۳۰ ولت). این پدیده باعث از بین رفتن عایق ناحیه گیت شده و به ترانزیستور صدمه غیرقابل برگشت می زند.

تغییرات ولتاژ آستانه:

برای ترانزیستورهای معمولی ولتاژ آستانه به پارامترهای تکنولوژی و ولتاژ VSB بستگی دارد و میتوان آن را ثابت فرض کرد. اما با کوچک شدن ترانزیستورها ولتاژ آستانه به مقادیرW و L و VDS نیز وابسته می شود. در ترانزیستور معمولی برای محاسبه ولتاژ آستانه فقط به تاثیرVGS در تشکیل کانال دقت میشود و به نواحی تخلیه مربوط به پیوندهای بایاس معکوس سورس و درین توجهی نمی شود.

با کوچک شدن طول کانال وجود یک ولتاژ کوچک نیز برای بوجود آمدن حالت وارونگی کافی خواهد بود زیرا قسمتی از ناحیه زیر گیت که به سورس و درین مربوط می شود قبلا از حامل خالی شده است. لذا مقدار VT0 کاهش خواهد یافت. به همین ترتیب با زیاد شدن ولتاژ V_ds نیز ناحیه تخلیه زیر گیت بزرگتر شده و به ولتاژ آستانه کمتری نیاز خواهد بود. این خاصیت که باعث وابستگی ولتاژ آستانه به ولتاژ V_ds می شود، کاهش سد پتانسیل ناشی از ولتاژ درین نامیده میشود. با افزایش بیشترVDS ممکن است حتی ناحیه سورس و درین به هم برسند و با اتفاق افتادن پدیدهی تونل زنی حامل ها، جریان زیادی از ترانزیستور عبور کرده و به آن صدمه بزند. از این رو باید مانع این پدیده شد. از آنجائیکه امروزه اکثر ترانزیستورهای مدارات مجتمع بصورت کانال کوتاه ساخته میشوند، تغییرات ولتاژ آستانه برای همه ترانزیستور های مدار مشابه خواهد بود. اما پدیدهDIBL در مدارهایی مانند حافظه های دینامیکی که جریان نشتی هر سلول تابعی از ولتاژ داده موجود در سلول است می توان مسئله ساز باشد. این امر باعث بوجود آمدن نویز وابسته به داده می شود.

ساختار ترانزیستور ماسفت:

افزاره فلز -اکسید-نیمه هادی که اصطلاحاً ماسفت نامیده میشود، پرکاربردترین ترانزیستور اثر میدانی است. ساختار فیزیکی ترانزیستور ماسفت n کانال در شکل زیر نشان داده شده است. این ترانزیستور روی زیر لایه نوع p ساخته میشود که یک سیلیسیوم تک بعدی است و حامل فیزیکی ترانزیستور به حساب می آید. دو ناحيه⁺  n با آلايش زیاد روی زیر لایه نفوذ داده شده است. این نواحی به صورت نواحی سورس و درین در شکل مشخص شده اند.

یک لایه نازک( ضخامت حدود ۲ تا ۵ نانومتر ) از دی اکسید سیلیسیوم (Sio2) که عایق بسیار خوبی است، روی سطح زیر لایه رشد داده شده و سطح بین نواحی سورس و درین را می پوشاند. روی لایه اکسید، فلز نشانده می شود تا الکترود گیت ترانزیستور را تشکیل دهد. تا این جا روشن شده است که نام این افزاره ( فلز – اکسید- نیمه هادی ) از ساختمان فیزیکی آن گرفته شده است.

اساس کار ماسفت بر مبنای کنترل جریان حامل ها به وسیله تغییر ولتاژ اعمال شده به گیت می باشد. این جریان به صورت طولی در ناحیه بین سورس و درین که اصطلاحا ناحیه کانال نامیده می شود، از درین به سورس می گذرد. ماسفت به صورت یک افزاره متقارن ساخته می شود، به گونه ای که می توان جای سورس و درین را تغییر داد بدون این که مشخصات عنصر تغییر کند.

شکل ساختار ترانزیستور ماسفت n کانال.

 

در ساختمان این ترانزیستور بدون اعمال ولتاژ گیت، بین سورس و درین دو پیوندp-n به صورت پشت به پشت وجود دارد. این دو دیود اجازه نمی دهند جریانی بین سورس و درین برقرار شود، حتی اگر ولتاژ بایاس درین سورس بین آنها اعمال شده باشد. اگر ولتاژ بایاس گیت را افزایش دهیم، این ولتاژ باعث می شود که حفره های آزاد از ناحیه زیر گیت رانده شوند. این حفره ها به سمت پایین زیر لایه رفته و ناحیة تهی از حامل ها به جا میگذارند. همچنین ولتاژ مثبت گیت، الکترون های نواحی سورس و درین را به ناحیه کانال می کشاند. زمانیکه تعداد الکترون های جمع شده در زیر گیت به حد کافی زیاد می شود، درواقع یک ناحیه نوع n در زیر گیت ایجاد می شود. اگر ولتاژ بایاس درین سورس به ترانزیستور اعمال شده باشد، از این ناحیهn القا شده جریانی میگذرد. حامل های این جریان الکترون های نامقید هستند. بنابراین ناحیهn القا شده کانالی برای عبور جریان از درین به سورس تشکیل می دهد.

به همین دلیل ماسفت، n کانال یا ترانزیستورNMOS نامیده می شود. باید توجه داشت که روی زیر لایه نوع Pیک ماسفت n کانال تشکیل شده است، کانال با تغییر سطح زیر لایه از نوع P به نوع n تشکیل میشود. به همین دلیل کانال القا شده را لایه وارون می نامند. مقدار ولتاژ بایاس گیت که به ازای آن تعداد الکترون های نامقید جمع شده در ناحیه کانال آنقدر هستند که کانال تشکیل شود، ولتاژ آستانه نامیده می شود.

شکل زیر کانال ایجاد شده در ماسفت را نشان میدهد. اکنون که کانال تشکیل شده است، با اعمال ولتاژ بایاس درین سورس کوچک جریان الکتریکی در کانال برقرار می شود. اندازه این جریان به چگالی الکترونهای کانال بستگی دارد و چگالی الکترون های کانال نیز وابسته به ولتاژ بایاس گیت میباشد. با افزایش ولتاژ بایاس درین سورس جریان الکتریکی درین افزایش مییابد. در این حالت گفته می شود ماسفت در ناحیه خطی کار میکند. ماسفت در این ناحیه مشابه یک مقاومت عمل میکند و از آن به عنوان سوئیچ جریان در مدارات استفاده میشود.

توصیف بالا نشان میدهد که برای گذشتن جریان از ماسفت باید کانالی القا شود. بزرگترشدن مقدار ولتاژ بایاس گیت از ولتاژ آستانه، عمق کانال را افزایش می دهد. نام ماسفت افزایشی یا کار در وجه افزایشی از همین موضوع گرفته شده است.

شکل تشکیل کانال ماسفت با اعمال ولتاژ گیت سورس.

با افزایش بیشتر ولتاژ بایاس درین سورس، عرض کانال در انتهای سورس افزایش و در مجاورت درین کاهش می یابد. بنابراین شیب کانال بیشتر و مقاومت آن نیز به تناسب زیاد می شود. سرانجام اگر ولتاژ درین سورس آنقدر زیاد شود که ولتاژ گیت – کانال در انتهای درین به مقدار ولتاژ آستانه برسد، یعنی V_ds=V_gs-V_t عمق کانال در انتهای درین تقریبا صفر میشود. افزایش ولتاژ بایاس درین سورس به بیش از این مقدار بر شکل کانال اثر اندکی خواهد داشت و جریان کانال در مقداری که به ازای V_ds=V_gs-V_t دارد، ثابت می ماند. در این حالت ماسفت وارد ناحيه اشباع شده است. اگر بخواهیم ماسفت را به عنوان تقویت کننده به کار ببریم از ناحیه اشباع استفاده می کنیم. مشخصه جریان درین بر حسب ولتاژ درین سورس در ناحیه خطی و اشباع در شکل زیر برای ماسفت n نشان داده شده است. بنابراین سه ناحیه کاری قطع یا ناحیه زیر آستانه ناحیه اهمییا خطی و ناحیه اشباع یا فعال برای ماسفت تعریف می شود.

شکل  جریان درین بر حسب ولتاژ درین- سورس ماسفت n کانال.

 

سیلیکون مهم ترین و اصلی ترین ماده ای است که در صنعت میکروالکترونیک برای ساخت افزاره ها مورد استفاده قرار میگیرد. در ماسفت از ماده سیلیکون برای هدایت الکتریکی استفاده می شود. ماسفت های بالک بر روی لایه ضخیمی از ویفر سیلیکون ساخته شده اند که ضخامت آن به حدود چندصد میکرومتر میرسد. به طور کلی افزاره های فلز اکسید نیمه هادی، افزاره های ماسفت نامیده میشوند و طرح و تکنولوژی ساخت این افزاره ها نقش مهمی در کوچک سازی ابعاد مدارات مجتمع داشته است.

در ماسفت های بدنه سیلیکون تنها چندین میکرومتر بالای ویفرهای سیلیکونی برای ترانزیستور مورد استفاده قرار می گیرد، درواقع ماسفت های بدنه سیلیکون بر روی ویفرهایی با ضخامت ۸۰۰ میکرومتر ساخته می شوند. از نام های دیگر این ترانزیستور میتوان به ترانزیستور بالک، ترانزیستور بدنه بالک، ترانزیستور اثر میدانی با گیت عایق شده یا ترانزیستور فلز-اکسید-نیمه هادی اشاره کرد. اولین ترانزیستورهای بدنه سیلیکن، در سال ۱۹۲۶ میلادی توسط کانگ و آنالا ساخته شد. ترانزیستور ماسفت بدنه سیلیکون، یک المان با سه ترمینال است که جریان میان ترمینال سورس و درین، توسط اثر میدانی حاصل از ترمینال گیت کنترل میشود، به همین دلیل این ترانزیستور به نام ترانزیستور اثر میدانی با گیت عایق شده نامیده میشود. از طرفی گیت افزاره توسط یک لایه عایق اکسید از دیگر قسمت های افزاره جدا می شود.

هنگامی که، ولتاژ اعمال شده به گیت، مقدار کمی داشته باشد، از نیمه رسانایی که میان سورس و درین قرار دارد، جریان کمی عبور میکند، اما با افزایش ولتاژ اعمال شده به گیت، الکترون های بیشتری در زیر گیت جمع می شوند و کانال اجازه عبور الکترون ها از سمت سورس به درین را می دهد. حرکت الکترون ها از سمت سورس به درین با افزایش ولتاژ گیت باعث افزایش چشم گیر جریان می شود. تغییرات در جریان ماسفت، باعث می شود که این افزاره قابلیت این را داشته باشد که بتوان از آن به عنوان یک تقویت کننده استفاده کرد.

شکل ترانزیستور ماسفت بالک

ساختارهای ترانزیستور ماسفت بالک:

به طورکلی سیلیکون خالص که یکی از مهمترین و پایه ای ترین ماده های مورد استفاده در ساخت افزاره های ماسفت است، نیمه رسانای بسیار ضعیفی است، به همین دلیل برای افزایش رسانایی آن، ناخالصی هایی مانند برون و آرسینک به سیلیکون اضافه میکنند. افزودن این ناخالصی ها به سیلیکون خالص موجب آزادشدن بارهای مثبت و منفی بیشتری میشود. درنتیجه سیلیکونهای آلاییده شده به صورت منفی، که سیلیکونهای آلاییده نوع N نامیده می شوند، سیلیکون هایی هستند که شامل الکترونهای آزاد می باشند. این الکترونهای آزاد می توانند در نیمه رسانا حرکت کنند. به همین نحو، سیلیکون های آلاییده شده به صورت مثبت، که سیلیکون های آلاینده نوع P نامیده می شوند، سیلیکون هایی هستند که شامل حفره های آزاد می باشند.

شکل انواع ماسفت.(الف) ماسفت از نوع n و (ب) ماسفت از نوع p.

 

عملکرد ترانزیستور ماسفت بالک:

برای بررسی عملکرد ترانزیستور یک ولتاژ متغیر به گیت آن باید اعمال کرد. در صورتیکه هیچ ولتاژی به گیت افزاره اعمال نشود، بین ترمینال های درین و سورس افزاره دو دیود به صورت پشت به پشت، یکی بین ترمینال سورس و زیر لایهP و دیود دیگر در بین نواحی ⁺N و زیر لایهP ایجاد میشود. وجود این دو دیود در بین ترمینالهای سورس و درین افزاره باعث میشود که حتی اگر افزاره تحت اعمال ولتاژ درین سورس قرار بگیرد، جریانی بین درین و سورس به وجود نمی آید. حال در صورتی ولتاژ گیت -سورس به افزاره اعمال شود، اگر ولتاژ گیت اعمال شده به افزاره از ولتاژ آستانه بیشتر باشد، باعث میشود بارهای مثبت بر روی گیت ایجاد شود. تجمع بارهای مثبت بر روی گیت، باعث دورشدن حفره ها از زیر اکسید گیت میشود. بنابراین با دورشدن حفره ها از زیر اکسید گیت، ناحیه تخلیه ای از حفره ها ایجاد می شود. ناحیه تهی بوجود آمده، قابلیت پذیرش یونهای منفی را دارد. از این رو با افزایش ولتاژ گیت، الکترون های موجود در ناحیه بستر در زیر گیت تجمع میکنند. به این وضعیت وارونگی گفته میشود زیرا در ماسفت با بدنه نوع p باید سطح بدنه دارای حفره های زیادی باشد و این در حال است که با اعمال ولتاژ گیت، بیشتر از ولتاژ آستانه، بدنه نوع p حاوی غلظت بالایی از الکترون ها میباشد.

شکل کانال تشکیل شده ماسفت.

 

لایه وارون، در واقع لایه حاوی الکترون های موجود در سطح است. اکنون با بوجودآمدن لایه وارون، یک مسیر در بین سورس و درین افزاره وجود دارد که در صورت اعمال ولتاژ درین سورس، قابلیت برقراری جریان میان درین و سورس افزاره را دارد. با تغییر ولتاژ اعمالی به گیت، میدان الکتریکی کانال تغییر می کند، درنتیجه با تغییر میدان الکتریکی میزان تجمع الكترون ها در زیر گیت تغییر میکند. با تغییر میزان الکترونهای جمع شده در زیر گیت، رسانای کانال تغییر میکند، بنابراین با تغییر ولتاژ گیت می توان جریان افزاره را کنترل کرد.

نواحی عملکردی ترانزیستور ماسفت:

شکل زیر نمودار ولتاژ جریان ترانزیستور ماسفت را نشان می دهد که با استفاده از آن می توانیم نواحی عملکردییک ترانزیستور ماسفت را نشان دهیم. همانطور که در شکل زیر دیده می شود، نواحی کاری افزاره های ماسفت به سه دسته ناحیه قطع، ناحيه اشباع و ناحیه خطی تقسیم می شود.

شکل نمودار جریان ولتاژ ترانزیستور ماسفت.

 

حالت قطع

در صورتی که ولتاژ گیت سورس اعمال شده کمتر از ولتاژ آستانه باشد، لایه وارون در افزاره ایجاد نمی شود . بنابراین، جریان بسیار ناچیزی از سورس به سمت درین حرکت می کند که این جریان بسیار ناچیز، توسط حامل های اقلیت که در کانال وجود دارند، تأمین می شود. به این جریان بسیار ناچیز، جریان حالت خاموش می گویند و این حالت را حالت قطع و یا حالت خاموش ترانزیستور می نامند.

حالت خطی:

حال در صورتی که ولتاژ گیت سورس اعمال شده از ولتاژ آستانه افزاره بیشتر شود، در صورت اعمال ولتاژ درین سورس، اختلافی پتانسیل الکتریکی بین ترمینال های درین و سورس ایجاد می شود. بنابراین این اختلاف پتانسیل بین درین و سورس باعث می شود، الکترون ها بتوانند از سورس وارد کانال شوند و به سمت درین حرکت کنند. نحوه حرکت الکترون ها از سورس به آهستگی اتفاق می افتد اما با حرکت از مسیر کانال و نزدیک شدن به ترمینال درین، سرعت الکترون ها افزایش مییابد. هر چه ولتاژ درین سورس اعمالی بیشتر شود، متناسب با آن جریان درین سورس نیز افزایش می یابد.

حالت اشباع:

همانطور که در شکل مشاهده می کنید، با افزایش ولتاژ درین سورس تا یک حد مشخص، جریان درین سورس نیز افزایش مییابد اما به ازاء مقادیر بیشتر ولتاژ درین سورس، جریان درین سورس افزایش نمی یابد و تقریبأ مقدار ثابتی دارد. در واقع در این حالت می گویند: جریان افزاره به مقدار اشباع خود رسیده است. اشباع جریان افزاره زمانی رخ می دهد که ولتاژ درین سورس اعمال شده به افزاره تا حدی بزرگ شود که ترمینال درین بتواند تمامی الکترون هایی که با توجه به مقدار ولتاژ گیت اعمالی به کانال تزریق می شود را جذب کند. بنابراین میتوان گفت: ناحيه اشباع افزاره ناحیه ای است که، افزایش ولتاژ درین سورس تأثیر ناچیزی بر روی جریان درین دارد. همانطور که قبلا نیز گفته شده است، با افزایش ولتاژ درین سورس عمق ناحیه تخلیه در سمت درین بیشتر از عمق ناحیه تخلیه در سمت سورس میشود. بنابراین با افزایش ولتاژ درین، عمق ناحیه تخلیه به حدی افزایش می یابد که باعث می شود انتهای کانال از ترمینال درین جدا شده و ناحیه تخلیه بین کانال و ترمینال درین قرار بگیرد. بنابراین افزاره وارد ناحیه اشباع می شود. در این حالت ولتاژ دو سر کانال بر حسب ولتاژ درین سورس ثابت می ماند و مابقی این ولتاژ به دوسر ناحیه تخلیه ای که بین کانال و ترمینال درین ایجاد شده است، می افتد.

ترانزیستورهای پیوندیMOSFET

ماسفتیا ترانزیستور اثر میدانی نیمه رسانا-اکسید-فلز معروف ترین ترانزیستور اثر میدان در مدارهای آنالوگ و دیجیتال است. این گونه از ترانزیستور اثر میدان نخستین بار در سال ۱۹۲۵ میلادی معرفی شد. در آن هنگام، ساخت و به کارگیری این ترانزیستورها، به سبب نبود علم و ابزار و امکان، با دشواری همراه بود و از همین روی، برای پنج دهه فراموش شدند. و از میدان پیشرفت های الکترونیک بر کنار ماندند. در آغاز دهه ۷۰، بار دیگر نگاه ها به MOSFET ها افتاد و برای ساختن مدارهای مجتمع به کار گرفته شدند.

نمونه ای از یکMOSFET در شکل زیر نشان داده شده است. عموماً نیمه رسانای مورد استفاده سیلیکون است. اگرچه سایر مواد نیمه رسانا با سرعت حمل بار بیشتر نیز در صنعت میکروالکترونیک مورد استفاده قرار میگیرد. لایه ایی نازک از مواد عایق مانند اکسید سیلیکون ناحیه بین سورس و درین را می پوشاند و این لایه با یک لایه فلزی که گیت نامیده می شود، فرا گرفته شده است. عایق به عنوان گیت اکسید در نظر گرفته می شود.

شکل ساختمان داخلی ماسفت.

 

محدودیت های ماسفت

در سال ۱۹۶۵ گوردون مور قاعده ای را مطرح کرد که به قانون مور معروف شد. این قانون بیان می کند تعداد ترانزیستورهای روی هر تراشه با مساحت ثابت هر دو سال تقریباً دو برابر می شود. کوچک سازی تا زمانی ادامه پیدا میکند که محدودیتهای فیزکی مانع از کوچک سازی بیشتر شود. زمانی که ابعاد یک ماسفت کوچک میشود، سطح ولتاژ و ضخامت گیت اکسید هم باید کاهش پیدا کند. از آن جایی که ولتاژ گرمایی الکترون در دمای اتاق ثابت است، نسبت ولتاژ عملکرد و ولتاژ گرمایی نیز باید کاهش یابد. این امر سبب افزایش جریان های عبوری ناشی از نفوذ گرمایی الکترون بين سورس و درین می شود. در همین حال گیت اکسید به ضخامتی حدود چند لایه اتم رسیده است. که تونل زنی مکانیک کوانتومی باعث افزایش شدید جریان های عبوری می شود. با ادامه روند کوچک سازی ، اثر جریان های نشتی دیگر تقویت می شود، مانند جریان های ناشی از اثر کاهش سد القا شده از درین(DIBL).

DIBLیکی از اثرات کانال کوتاه می باشد که باعث می شود کاهش سد پتانسیل تنها با استفاده از ولتاژ درین اتفاق می افتد و جریان بین سورس و درین بدون اعمال ولتاژ گیت ایجاد شود.

ترانزیستورهای بدون پیوند:

ترانزیستور بدون پیوند، یک ترانزیستور اثر میدان چند گیته بدون اتصلات PNیاN+N یا P+P است. این دستگاه اساسا یک مقاومت است، که در آن تراکم حامل حرکتی می تواند توسط گیت تنظیم شود. در حالت روشن جریان بدنه بزرگی به علت غلظت بالای دوپینگ در ناحیه کانال وجود دارد، که در آن جریان ورودی سطحی می تواند اضافه شود. در حالت خاموش به علت تفاوت در تابع کار نیمه هادی و ماده گیت، کانال با تخليه حامل ها خاموش میشود.

مقایسه با ترانزیستورهای اثر میدان استاندارد:

ترانزیستورهای غیر پیوندی ویژگی های الکتریکی بسیار مشابهی با ترانزیستورهای استاندارد FET دارند. هر دو ویژگی خروجی و ویژگی های زیر آستانه مشابهی در مد وارونه دستگاه دارند.

انواع MOSFET

بسته به نوع لایه واژگونی، اساسا چهار نوع MOSTET مختلف وجود دارد: اگر در ولتاژ گین صفر، ضریب هدایت کانال خیلی کوچک باشد و مجبور شویم ولتاژ به دروازه اعمال کنیم تا کانال n تشکیل شود در نتیجه قطعه یک ماسفت کانال n بطور عادی خاموش است. اگر کانالn  در اعمال ولتاژ صفر وجود داشته باشد و مجبور شویم ولتاژی منفی به دروازه اعمال کنیم تا حاملها در کانال تخلیه شوند تا ضریب رسانایی کانال کاهش یابد، در نتیجه قطعه یک ماسفت کانال n بطور عادی روشن (تهی) است. بطور مشابه، ماسفت های کانال P بطور عادی خاموش (افزایشی) و بطور عادی روشن (تهی) است.

جدول سطوح مقطع و مشخصه های انتقال و خروجی چهار نوع ماسفت.

 

 

 

در این پروژه شبیه سازی ترانزیستور ماسفت(MOSFET) که پرکاربردترین ترانزیستور اثر میدانی در نرم افزار کامسول انجام شده است.

در شکل زیر شماتیک ترانزیستور ماسفت نشان داده شده است.

 

 

شکل شماتیکی ماسفت.

 

 

شکل هندسه مدل.

 

در این مدل سورس و بیس به زمین وصل می شوند و ولتاژهای اعمال شده به درین و گیت تغییر می کنند. نخست یک ولتاژ کوچک(10 میلی ولت) برای ولتاژ درین و گیت از 0 تا 5 ولت اعمال می شود. منحنی جریان بین سورس و درین برای تعیین ولتاژ turn-on وسیله ترسیم می شود. در حالت دوم ولتاژ درین از 0 تا 5 ولت در سه مقدار متفاوت ولتاژ گیت(2، 3 و 4 ولت) تغییر می کند. سپس نمودار جریان درین در مقابل ولتاژ درین در مقادیر مختلف ولتاژ گیت ترسیم شده است.

 

شکل منحنی جریان درین در مقابل ولتاژ گیت زمانیکه ولتاژ 10 میلی ولت برای درین اعمال می شود.ولتاژ آستانه حدوداً 1.2 ولت است.

 

شکل جریان درین در مقابل ولتاژ درین برای مقادیر متفاوت ولتاژ گیت.

شکل غلظت الکترون و پتانسیل الکتریکی برای ترانزیستور ماسفت با ولتاژ گیت اعمالی 4 ولت و با ولتاژهای درین مختلف، بالا V_d = 5 ولت، وسط V_d = 1 ولت، پایین V_d = 0 ولت. اثر pinchout از نمودارها واضح است.