Transistor efek medan oksida-semikonduktor (MOSFET, MOS-FET, atau MOS FET) adalah jenis transistor efek medan (FET), yang paling sering dibuat dengan oksidasi terkontrol silikon. Ini memiliki gerbang terisolasi, yang tegangannya menentukan konduktivitas perangkat. Kemampuan untuk mengubah konduktivitas dengan jumlah tegangan yang diberikan dapat digunakan untuk memperkuat atau mengalihkan sinyal elektronik. Istilah transistor efek medan isolator-semikonduktor logam (MISFET) hampir sama dengan MOSFET. Istilah lain yang hampir sama adalah transistor efek medan gerbang terisolasi (IGFET).
Keuntungan utama dari MOSFET adalah bahwa ia hampir tidak memerlukan arus input untuk mengontrol arus beban, jika dibandingkan dengan transistor persimpangan bipolar (BJT). Dalam mode peningkatan MOSFET, tegangan yang diterapkan ke terminal gerbang meningkatkan konduktivitas perangkat. Dalam transistor mode penipisan, tegangan yang diterapkan pada gerbang mengurangi konduktivitas.
"Logam" dalam nama MOSFET terkadang salah kaprah, karena bahan gerbang dapat berupa lapisan polisilikon (silikon polikristalin). Demikian pula, "oksida" dalam nama juga bisa salah kaprah, karena bahan dielektrik yang berbeda digunakan dengan tujuan mendapatkan saluran yang kuat dengan tegangan yang lebih kecil.
MOSFET sejauh ini merupakan transistor yang paling umum di sirkuit digital, karena miliaran dapat dimasukkan dalam chip memori atau mikroprosesor. Karena MOSFET dapat dibuat dengan semikonduktor tipe-p atau tipe-n, pasangan komplementer transistor MOS dapat digunakan untuk membuat sirkuit switching dengan konsumsi daya yang sangat rendah, dalam bentuk logika CMOS.
Sejarah
Struktur yang menyerupai transistor MOS diusulkan oleh ilmuwan Bell, William Shockley, John Bardeen, dan Walter Houser Brattain, selama penyelidikan mereka yang mengarah pada penemuan efek transistor. Struktur ini gagal menunjukkan efek yang diantisipasi, karena masalah kondisi permukaan: jebakan pada permukaan semikonduktor yang menahan elektron untuk tidak bergerak. Pada tahun 1955, Carl Frosch dan L. Derick secara tidak sengaja menumbuhkan lapisan silikon dioksida di atas wafer silikon. Penelitian lebih lanjut menunjukkan bahwa silikon dioksida dapat mencegah dopan berdifusi ke dalam wafer silikon. Berdasarkan penelitian ini, Mohamed M. Atalla menunjukkan bahwa silikon dioksida sangat efektif dalam memecahkan masalah satu kelas keadaan permukaan yang penting.
Mengikuti penelitian ini, Mohamed Atalla dan Dawon Kahng mendemonstrasikan pada tahun 1960-an sebuah perangkat yang memiliki struktur transistor MOS modern. Prinsip-prinsip di balik perangkat ini sama dengan yang dicoba oleh Bardeen, Shockley dan Brattain dalam upaya mereka yang gagal untuk membangun perangkat efek medan permukaan.
Perangkat ini sekitar 100 kali lebih lambat daripada transistor bipolar kontemporer dan pada awalnya dianggap lebih rendah. Namun demikian, Kahng menunjukkan beberapa keuntungan dari perangkat ini, terutama kemudahan fabrikasi dan aplikasinya dalam sirkuit terpadu.
Komposisi
Biasanya semikonduktor pilihan adalah silikon. Beberapa produsen chip, terutama IBM dan Intel, menggunakan paduan silikon dan germanium (SiGe) dalam saluran MOSFET. Banyak semikonduktor dengan sifat listrik yang lebih baik daripada silikon, seperti galium arsenida, tidak membentuk antarmuka semikonduktor-ke-isolator yang baik, sehingga tidak cocok untuk MOSFET. Penelitian terus berlanjut untuk menciptakan isolator dengan karakteristik listrik yang dapat diterima pada bahan semikonduktor lainnya.
Untuk mengatasi peningkatan konsumsi daya akibat kebocoran arus gerbang, dielektrik κ tinggi digunakan sebagai pengganti silikon dioksida untuk isolator gerbang, sementara polisilikon digantikan oleh gerbang logam (mis. Intel, 2009).
Gerbang dipisahkan dari saluran oleh lapisan isolasi tipis, secara tradisional dari silikon dioksida dan kemudian silikon oksinitrida. Beberapa perusahaan menggunakan kombinasi dielektrik dan gerbang logam κ tinggi di simpul 45 nanometer.
Ketika tegangan diterapkan antara gerbang dan terminal badan, medan listrik yang dihasilkan menembus oksida dan menciptakan lapisan inversi atau saluran pada antarmuka semikonduktor-isolator. Lapisan inversi menyediakan saluran yang melaluinya arus dapat lewat antara terminal sumber dan terminal pembuangan. Memvariasikan tegangan antara gerbang dan bodi memodulasi konduktivitas lapisan ini dan dengan demikian mengontrol aliran arus antara saluran pembuangan dan sumber. Ini dikenal sebagai mode peningkatan.
Operasi
Struktur semikonduktor oksida-logam
Struktur semikonduktor oksida-logam (MOS) tradisional diperoleh dengan menumbuhkan lapisan silikon dioksida (SiO
2) di atas substrat silikon, biasanya dengan oksidasi termal dan menyimpan lapisan logam atau silikon polikristalin (yang terakhir biasanya digunakan). Karena silikon dioksida adalah bahan dielektrik, strukturnya setara dengan kapasitor planar, dengan salah satu elektroda digantikan oleh semikonduktor.
Secara konvensional, tegangan gerbang di mana kerapatan volume elektron dalam lapisan inversi sama dengan kerapatan volume lubang di dalam bodi disebut tegangan ambang. Ketika tegangan antara gerbang transistor dan sumber (VGS) melebihi tegangan ambang batas (Vth), perbedaannya dikenal sebagai tegangan overdrive.
Struktur dengan bodi tipe-p ini adalah dasar dari MOSFET tipe-n, yang membutuhkan penambahan daerah sumber dan drain tipe-n.
Kapasitor MOS dan diagram pita
Struktur kapasitor MOS adalah jantung dari MOSFET. Pertimbangkan kapasitor MOS di mana basis silikon adalah tipe-p. Jika tegangan positif diterapkan pada gerbang, lubang yang berada di permukaan substrat tipe-p akan ditolak oleh medan listrik yang dihasilkan oleh tegangan yang diterapkan. Pada awalnya, lubang-lubang tersebut hanya akan ditolak dan yang akan tetap berada di permukaan adalah atom-atom yang tidak bergerak (negatif) dari tipe akseptor, yang menciptakan daerah penipisan pada permukaan. Sebuah lubang dibuat oleh atom akseptor, misalnya Boron, yang memiliki satu elektron lebih sedikit daripada Silikon. Lubang tidak benar-benar ditolak, karena tidak memiliki entitas; elektron tertarik oleh medan positif, dan mengisi lubang ini. Hal ini menciptakan wilayah penipisan di mana tidak ada pembawa muatan karena elektron sekarang terpasang pada atom dan tidak bergerak.
Ketika tegangan pada gerbang meningkat, akan ada titik di mana permukaan di atas daerah penipisan akan diubah dari tipe-p menjadi tipe-n, karena elektron dari area curah akan mulai tertarik oleh medan listrik yang lebih besar. Hal ini dikenal sebagai inversi. Tegangan ambang batas di mana konversi ini terjadi adalah salah satu parameter terpenting dalam MOSFET.
Dalam kasus MOSFET tipe-p, inversi massal terjadi ketika tingkat energi intrinsik di permukaan menjadi lebih kecil dari tingkat Fermi di permukaan. Ini dapat dilihat pada diagram pita. Tingkat Fermi mendefinisikan jenis semikonduktor dalam diskusi. Jika tingkat Fermi sama dengan tingkat Intrinsik, semikonduktor adalah jenis intrinsik, atau murni. Jika tingkat Fermi terletak lebih dekat ke pita konduksi (pita valensi) maka tipe semikonduktor akan menjadi tipe-n (tipe-p).
Ketika tegangan gerbang dinaikkan dalam arti positif (untuk contoh yang diberikan), ini akan menggeser pita tingkat energi intrinsik sehingga akan melengkung ke bawah ke arah pita valensi. Jika tingkat Fermi terletak lebih dekat ke pita valensi (untuk tipe-p), akan ada titik ketika tingkat Intrinsik akan mulai melewati tingkat Fermi dan ketika tegangan mencapai tegangan ambang batas, tingkat intrinsik benar-benar melewati tingkat Fermi, dan itulah yang dikenal sebagai inversi. Pada saat itu, permukaan semikonduktor dibalik dari tipe-p menjadi tipe-n.
Jika tingkat Fermi terletak di atas tingkat Intrinsik, semikonduktor adalah tipe-n, oleh karena itu pada Inversi, ketika tingkat Intrinsik mencapai dan melintasi tingkat Fermi (yang terletak lebih dekat ke pita valensi), jenis semikonduktor berubah di permukaan seperti yang ditentukan oleh posisi relatif tingkat energi Fermi dan Intrinsik.
Struktur dan pembentukan saluran
MOSFET didasarkan pada modulasi konsentrasi muatan oleh kapasitansi MOS antara elektroda badan dan elektroda gerbang yang terletak di atas badan dan diisolasi dari semua wilayah perangkat lainnya oleh lapisan dielektrik gerbang. Jika dielektrik selain oksida digunakan, perangkat ini dapat disebut sebagai FET isolator-semikonduktor logam (MISFET). Dibandingkan dengan kapasitor MOS, MOSFET mencakup dua terminal tambahan (sumber dan saluran pembuangan), masing-masing terhubung ke masing-masing daerah yang sangat didoping yang dipisahkan oleh daerah tubuh. Daerah-daerah ini dapat berupa tipe p atau n, tetapi keduanya harus memiliki tipe yang sama, dan berlawanan dengan daerah badan. Sumber dan saluran pembuangan (tidak seperti tubuh) sangat didoping seperti yang ditandai dengan tanda "+" setelah jenis doping.
Jika MOSFET adalah n-channel atau nMOS FET, maka sumber dan saluran pembuangan adalah daerah n+ dan badan adalah daerah p. Jika MOSFET adalah p-channel atau pMOS FET, maka sumber dan saluran pembuangan adalah daerah p+ dan badan adalah daerah n. Sumber dinamakan demikian karena merupakan sumber pembawa muatan (elektron untuk saluran-n, lubang untuk saluran-p) yang mengalir melalui saluran; Demikian pula, saluran pembuangan adalah tempat pembawa muatan meninggalkan saluran.
Hunian pita energi dalam semikonduktor ditentukan oleh posisi tingkat Fermi relatif terhadap tepi pita energi semikonduktor.
Dengan tegangan gerbang yang cukup, tepi pita valensi didorong jauh dari tingkat Fermi, dan lubang dari tubuh didorong menjauh dari gerbang.
Pada bias gerbang yang lebih besar, di dekat permukaan semikonduktor, tepi pita konduksi dibawa mendekati tingkat Fermi, mengisi permukaan dengan elektron dalam lapisan inversi atau saluran-n pada antarmuka antara daerah p dan oksida. Saluran konduksi ini membentang antara sumber dan saluran pembuangan, dan arus dialirkan melaluinya ketika tegangan diterapkan di antara dua elektroda. Meningkatkan tegangan pada gerbang menyebabkan kepadatan elektron yang lebih tinggi pada lapisan inversi dan oleh karena itu meningkatkan aliran arus antara sumber dan drain. Untuk tegangan gerbang di bawah nilai ambang batas, saluran akan terisi sedikit, dan hanya arus bocor sub-ambang batas yang sangat kecil yang dapat mengalir antara sumber dan saluran pembuangan.
Ketika tegangan gerbang-sumber negatif (gerbang-sumber positif) diterapkan, ini menciptakan saluran-p di permukaan wilayah n, analog dengan kasus saluran-n, tetapi dengan polaritas muatan dan tegangan yang berlawanan. Ketika tegangan yang kurang negatif dari nilai ambang batas (tegangan negatif untuk saluran-p) diterapkan antara gerbang dan sumber, saluran menghilang dan hanya arus sub-ambang batas yang sangat kecil yang dapat mengalir antara sumber dan saluran pembuangan. Perangkat ini dapat terdiri dari silikon pada perangkat isolator di mana oksida yang terkubur terbentuk di bawah lapisan semikonduktor tipis. Jika daerah saluran antara dielektrik gerbang dan daerah oksida yang terkubur sangat tipis, saluran tersebut disebut sebagai daerah saluran ultra-tipis dengan daerah sumber dan saluran pembuangan yang terbentuk di kedua sisi di dalam atau di atas lapisan semikonduktor tipis. Bahan semikonduktor lain dapat digunakan. Ketika daerah sumber dan saluran pembuangan dibentuk di atas saluran secara keseluruhan atau sebagian, mereka disebut sebagai daerah sumber / saluran pembuangan yang ditinggikan.
Disadur dari: en.wikipedia.org