Cs.Kádár Péter - XXI. századi Diszkónika, 107. A nagyMOSás

A tranzisztor győzött. Kicsi, könnyű, üzembiztos, alacsony a fogyasztása. Szinte mindenhonnan kiszorította az elektroncsöveket, s végre folyamatosan működő számítógépéket lehetett gyártani vele. Hiszen az Eniacba, a világ egyik első programozható számítógépébe még közel 18 000 csövet építettek, így a gyakori – kezdetben kb. óránkénti – leállás fő oka az volt, hogy valamelyik „lámpa” kipurcant.

 

A tranzisztor azonban még mindig túl sokat fogyasztott ahhoz, hogy a fejlesztők ne áhítoztak volna egy még kisebb fogyasztású eszköz után. A fogyasztási adatok persze a csövekéhez képest eltörpültek, azonban a csövek tudtak valamit, amit a tranzisztorok nem, és ami miatt a fogyasztás nem volt csökkenthető. Az elektroncső esetében az anódáram vezérlése általában feszültséggel történik, a rács alig vesz föl áramot; míg a tranzisztor áramvezérelt, pontosabban teljesítményvezérelt eszköz. Nem mellékesen, a cső bemenő impedanciája a feszültségvezérlés térvezérlés – miatt nagy. Jó lenne, ha a félvezető eszközé is nagy, esetenként akár gigaohmos is lenne, ráadásul úgy, hogy még erősíteni is lehetne vele. Még ráadásabbul, eközben a kimenő impedancia kicsi maradna.

Az elvet már régóta ismerték, csak éppen a megvalósítás technológiája volt ismeretlen. Ám ami késik, az nem múlik, s megszületett az első térvezérlésű tranzisztor – FET –, hogy aztán szép, nagy családdá terebélyesedjék.

nm02

A hagyományos, bipolárisnak is nevezett (bjt) tranzisztorral szemben a térvezérlésű tranzisztorok áramát vagy csak lyukak vagy csak elektronok alkotják. Ezeket a félvezetőket unipoláris tranzisztoroknak hívják.

A záróréteges FET – jFET – tranzisztoroknak n-csatornás és p-csatornás változatuk is van.

A jFET működése olyan locsolócső működéséhez hasonlítható, amelynek keresztmetszetét – így a vízsugár erősségét is – úgy csökkentjük, hogy kezdjük elszorítani a csövet. A szorítási erő a feszültség, a víz áramlása az áramerősség. Erről szól a világ első ismert vígjátéka is, kár, hogy akkor még nem találták föl a jFET-et.

A jFET működését az n-csatornással szokták bemutatni.

Az eszköz alapja egy „n” típusúra gyengén adalékolt kristály, amelyben két „p” típusú zónát alakítanak ki.

nm03

Ha az „n” kristályra feszültséget kapcsolunk az ábrán látható módon, akkor a forrástól a nyelő felé elektronok fognak áramlani. (Ha forítva kapcsolnánk, akkor meg ellenkező irányban.) Az elektronok áramlásának mértékét a kristályra adott feszültség és a kristály ellenállása határozza meg – mint azt az ohm-törvényből már régóta tudjuk: I=U/R. A feszültség a kristályszakasz mentén csökken, a „tetején” maximális, az „alján” nulla.

A két „p”zónát összekötjük egy vezetékkel; így kapjuk meg azt a „kezet”, amelyik összeszorítja a csövet. Ha „p” zónákról kivezetett G elektródára 0 feszültséget kapcsolunk, vagyis összekötjük az S-sel, akkor mind a két pn-átmenet záróirányú lesz, hiszen a kristályon pozitív, a „p” rétegeken hozzá képest negatív lesz a feszültség.

nm04

E zárórétegek annál szélesebbek, minél nagyobb a záró irányban ható feszültség. A zárórétegek szélessége a forrástól (S) a nyelőig (D) nő. A „p” zónákban nem folyik áram, a potenciáljuk egyenlő.

nm05

A következő ábrán a záróréteg metszete látható.

nm06

A zárórétegben tértöltés van, erős elektromos tér keletkezik. Az erővonalak a pozitív töltésekből indulnak ki, és a negatívakba érkeznek. Ha ebbe az elektromos térbe negatív töltésű elektronok kerülnek, akkor erő hat rájuk. Az elektromos tér az erővonalakkal ellentétes erővel hat az elektronokra, úgy löki ki őket a zárórétegből, mint mocskos macskát a tiszta szobából. A záróréteg az elektronok számára tiltott hely, az elektronok csak az n-csatornán mehetnek keresztül.

Ha a vezérlő G elektródát az S-hez képest negatív feszültségre kapcsoljuk, a záró irányú feszültségek megnőnek, a záróréteg szélesebb lesz, az n-csatorna viszont keskenyebb. A keskenyebb csatornának nagyobb az ellenállása, kevesebb áram folyik rajta. Feszültség változtatásával áramerősség változik. De hiszen ez volt a cél!

Csakhogy a számítástechnika még a jFET-nél is kisebb fogyasztású és gyorsabb eszközöket igényelt, mert a számítógépek bonyolultsága és sebessége is nőtt. Természetesen nemcsak a digitális világban örültek volna a jobb minőségű alkatrésznek.

Noha elvileg a jFET vezérlő elektródáján nem folyik áram, egy kis visszáram mégis átszivárog rajta. Emiatt a jFET mégsem annyira tökéletes kapcsoló.

A MOSFET-ben a vezérlő elektróda nem közvetlenül érintkezik a félvezetővel (fém-félvezető kontaktus), hanem egy 1 µm-nél is keskenyebb szigetelő réteg választja el tőle.

nm07

Az n-csatornás, növekményes típusú MOSFET „p” vezető kristályra, a szubsztrátra, hordozóra épül. Ebben két „n” típusú szigetet alakítanak ki. A kristály szilícium-dioxid fedőréteget kap, amelyben az S és a D csatlakozások számára helyet hagynak. A SiO2 nagyon jó szigetelő. Erre a rétegre gőzölögtetik rá az aluminium gate elektródát. A szubsztrát külön kivezetést kap, amit vagy összekötnek a MOSFET tokozásán belül az S elektródával, vagy kivezetik.

Ha a D-re pozitív feszültséget kötünk, nem folyik áram. Akkor sem, ha negatívat. Mindkét esetben zárva van a MOSFET. Ha a vezérlő gate a szubszráthoz képest pozítív feszültségre kerül, akkor a szubsztrátban olyan elektromos tér keletkezik a szigetelő alatt, amely úgynevezett inverz elektromos réteget hoz létre. Ebben a rétegben nincsenek pozitív töltéshordozók, csak elektronok.

Ha eddig még tudtál követni, felvisíthatsz, hogy ez miképp lehetséges?

Úgy, hogy a szubsztrátban is van kis mennyiségű elektron, amit a pozitív gate magához rántana. De mert nem tudja a szigetelő miatt, ezért egy „n” típusú vezető réteg alakul ki, amely kapcsolatot, hidat teremt a forrás (S) és a nyelő (D) között. Ez a híd az n-csatorna.

nm08

A gate (kapunak is hívják) feszültségváltozása az n-csatorna elektronsűrűségét változtatja, így vezérli a csatorna áramát. A gate feszültség növelésével nő a csatorna keresztmetszete: vastagabb csövön több áram tud átfolyni. Természetesen van egy olyan keresztmetszet, aminél nem tud nagyobb kialakulni, hiába is növelnénk tovább, a cucc telítődött.

A MOSFET-ek gyártása során már kis „n” adalékolás esetén is kialakulhat a híd. Az ilyen eszközökben már akkor is folyhat áram, ha a gate-n nincs feszültség. Ezek az önvezető MOSFET-ek, amelyek pozitív és negatív gate-feszültséggel is vezérelhetők. Pozitív feszültségre feldúsulnak az elektronok, jobban vezet a híd, negatívra pedig elszegényedik. Mivel többnyire negatív gate-feszültséget használnak, ezért ezt a fajtát kiürítéses MOSFET-nek nevezik.

A szubsztrát anyaga lehet „p” jellegű is, és ilyenből is lehet növekményes és kiürítéses változatot gyártani.

Talán hallottál CMOS tranzisztorokról is. A CMOS nem FET fajta, hanem olyan áramköri elv, amelyben egy-egy n-csatornás és p csatornás eszközt kapcsolnak össze egymással. Nagyon gyors áramkörök készíthetők íly módon.

nm09

Ha játszani szeretnél, ismét a http://www.falstad.com/circuit/ oldalt ajánlom.

nm10

nm11
Ha kiszórakoztad magad, elárulok egy titkot, csak neked. A BME-n olyan ágazatra jártam, ahol három éven keresztül tanították a félvezetők rejtelmeit. Amikor a MOSFET gyártástechnológiájából vizsgáztam, letettem a nagyesküt, hogy soha az életben nem fogok MOSFET-et gyártani, még az üzem környékét is kerülni fogom, csak engedjenek át. Remélem, azért annyi ragadt rám, hogy e napjainkban már a leggyakoribb félvezető eszköz működésének alapjait el tudtam mesélni.