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.

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.

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.

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.

A következő ábrán a záróréteg metszete látható.

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.

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.

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.

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

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.