MOSFET

Metal oxido erdieroalezko eremu-efektuko transistorea —ingelesez: metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET— seinale elektronikoak kommutatzeko edo anplifikatzeko erabiltzen den transistore mota bat da. Gaur egun, industria mikroelektronikoan gehien erabiltzen den transistorea da, zirkuitu analogikoetan nahiz digitaletan. Hori dela eta, mikroprozesadore komertzialen gehiengoa MOSFET transistoreetan dago oinarritua.

MOSFETak honako lau terminal ditu: iturria (S), drainatzailea (D), atea (G) eta oinarria (B). Dena den, oinarria iturriaren terminalera konektatua egon daiteke. Hori dela eta, hiru terminal dituzten MOSFETak ere aurki daitezke.

MOSFET izenean metala aipatzen da, baina 1970ean metala silizio polikristalinoarekin ordezkatu zen, honek auto-lerrokatutako ateak sortzeko ahalmen handiagoa duelako. Baina ate hauek berriro metalezkoak egiten hasi dira, metalarekin lan egiteko azkartasuna irabazten delako. Ateetan isolatzaile modura erabiltzen den oxidoa ere beste material batzuekin ordezkatu da, tentsio txikietan lan egitean lotura sendoagoak lortzeko intentzioarekin.

1925ean, Julius Edgar Lilienfeld fisikari austro-hungarriarrak “korronte elektrikoak kontrolatzeko gailu eta metodo baten” patentea eskatu zuen, eta hau kontsideratzen da eremu-efektuko transistoreen lehen aurrekaria.

1948an, Walter Houser Brattain eta John Bardeen zientzialari amerikarrek kontaktuzko lehen transistorea patentatu zuten^[1] Bell laborategientzat. Era berean, Herbert Mataré eta Heinrich Welker alemaniarrek ere Westinghouse laborategientzat lorpen berdina lortu zuten. Transistore hori Bell laborategiek patentatuta zutela konturatzean, “transistron” izeneko elementua jarri zuten produkzioan, Frantziako sare telefonikoan erabiltzeko^[2].

1951n, William Shockley zientzialariak eremu-efektuko lehen transistorearen patentea eskatu zuen, eta gaur egun duen egitura finkatuta geratu zen. George Clement Dacey eta Ian Ross izan ziren lehenak gailu hau arrakastaz fabrikatzen, eta 1952ko urriaren 31n patentea eskatu zuten. Lehen MOSFET transistorea Dawon Kahng eta Martin Atalla zientzialarien artean lortu zuten 1960an, biak Bell laborategikoak.

Juntura-transistore bipolarreko funtzionamendu eta egiturak ditu MOSFETak. MOSFETa erdieroale baten gainean isolatzaile-geruza bat jarriz eta elektrodo metaliko bat atearen isolatzailearen gainean jarriz lortzen da. Hasieran, silizio kristalinoa erabili zen erdieroale oinarriarentzat, eta silizio dioxido geruza bat isolatzaile moduan. Siliziozko MOSFETak ez zituen tranpak eratzen interfaze, silizio eta oxidoaren artean kokatutako elektroiekin, eta horren ondorioz, eramaileen dispertsioa eta blokeoaren arazoa saihesten zituen, aurretik aipatutako eremu-efektuko transistoreetan gertatzen ez den bezala. Gaur egun, MOSFETa da zirkuitu integratuak egiteko erabiltzen den gailu nagusia, hiru faktore nagusiei esker: kutsadura murrizteko gela garbien garapena, fotolitografia zirkuituak oso pauso gutxitan eratzeko aukera eta Si-SiO2 sistemak zirkuituen prezioa asko murrizten duena eta integratzeko erraztasunak ematen dituena.

MOSFETa irudikatzeko hainbat sinbolo erabiltzen dira. Irudirik orokorrena hurrengoa da: lerro zuzen bat kanala irudikatzeko eta, angelu zuzen bat eratuz, bi lerro iturria eta dreinatzailea marrazteko. Azkenik, kanalari paralelo beste lerro bat MOSFETaren atea irudikatzeko. Oinarria dagoen kasuetan, kanalaren erdiko zatian irudikatzen da gezi bat erabiliz, eta horren noranzkoarekin transistorea PMOS edo NMOS den adierazten da. Normalean oinarria iturriari lotuta dago barrutik, eta irudietan bi hauek elkartu egiten dira lerro zuzen baten bidez.

					P kanala
					N kanala
JFET	MOSFET aberastua	MOSFET aberastua (oinarri gabe)		MOSFET pobretua

Irudi honetan P eta N kanaletan MOSFETak dauzkan sinbolo ezberdinak ikusi daitezke, (aberastua eta pobretua) eta baita JFETarenak. 

Bi motatako MOSFET transistoreak aurki daitezke, biak MOS egituran oinarrituak. Lehenak aberaste MOSFETak deitzen dira. Atean tentsioa aplikatzean, aberaste MOSFETak drainatzaile eta iturri artean sortzen den kanalean oinarritzen dira.. Aberaste terminoak, karga-garraiatzaileen kopurua handitzearen eraginez lortzen den eroankortasun elektrikoaren hazkundeari egiten dio erreferentzia. Bigarrenek, pobretze MOSEFTak deituak, kanal eroale bat daukate pausagune-egoeran aurkitzen direnean. Atean tentsioa aplikatzean, kanal hori desagertzen da, zeinek karga-garraiatzaileen kopurua jaistea eragiten duen, eta beraz, eroankortasunaren jaitsiera^[3].

MOS egitura batean potentzial bat aplikatzean, erdieroalearen kargen berrantolaketa gertatzen da. Ate eta drainatzaile artean V_GB tentsio positibo bat aplikatzean, agortze-eremu bat sortzen da erdieroale eta atearen artean. Modu honetan, karga-garraiatzaileen eremu aske bat sortuko da. Lehen aipaturiko tentsio hori (V_GB) handiegia bada, inbertsio-eremu bat sortuko da, karga-garraiatzaile negatiboz osatua.

Drainatzaile eta atearen artean dagoen kondentsadore batean kargak metatzean datza MOSFETaren funtzionamendua. Atea gainerako elementu guztietatik isolatuta dago, material dielektrikoz.

MOSFETa n kanalekoa bada, iturri eta drainatzaileko eremuko dopatuak n+ motakoak dira, eta oinarria p motakoa. Aldiz, MOSFETa p kanalekoa bada, iturri eta drainatzaileko eremuko dopatuak p+ eremuak dira, eta oinarria n motakoa. Iturriak izen hori hartzen du, izan ere, bertatik pasatzen dira karga-garraiatzaileak kanalera. Modu berean, karga-garraiatzaileek drainatzailetik uzten dute bidea.

MOSFET baten funtzionamendua hiru operazio-eremu ezberdinetan banandu daiteke, honen terminalen artean dagoen tentsioaren arabera:

Eremu hau V_GS < V_th ematen den kasuetan agertzen da, non V_th transistorearen atari-tentsioa den. Transistorearen ereduari erreparatuz gero, esango genuke gailua itzalita dagoela. Izan ere, ez dago korronte-jariorik iturri eta drainatzaile artean. Hala ere, beti egongo da korronte-kantitate bat, energia termikoaren ondorioz, ihes-korrontea deitua:

${\displaystyle I_{D}\approx I_{D0}e^{\begin{matrix}{\frac {V_{GS}-V_{th}}{nV_{T}}}\end{matrix}}}$

Kasu hau V_GS > V_th eta V_DS < ( V_GS – V_th ) baldintzak betetzen direnean ematen da. Ateko tentsioa atalase-tentsioa baino handiagoa denez, iturri eta drainatzaile artean agortze-eremu bat sortzen da. Ateko tentsioa handituz gero, karga-garraiatzaileak agertuko dira, eroate-kanal bat sortuz. Modu honetan, transistorea ateko tentsioz kontrolaturiko erresistentzia bilakatzen dela esan daiteke. Korrontearen balioa ekuazio honek ematen du:

${\displaystyle I_{D}=\mu _{n}C_{ox}{\frac {W}{L}}\left((V_{GS}-V_{th})V_{DS}-{\frac {V_{DS}^{2}}{2}}\right)}$

Kasu hau honako baldintzekin ematen da:

V_GS > V_th y V_DS > ( V_GS – V_th )

Drainatzaileko tentsioak muga jakin bat gainditzean, ate azpiko eroate-kanala estutu egiten da drainatzailetik gertu, desagerrarazi arte. Momentu honetan, iturri eta drainatzaile arteko korronte-jarioa kontrolatzeko aukera dago, bi terminalen arteko tentsio-ezberdintasuna handituz edo txikituz. Korronteak hartzen duen balioa formula honek adierazten du:

${\displaystyle I_{D}={\frac {\mu _{n}C_{ox}}{2}}{\frac {W}{L}}(V_{GS}-V_{th})^{2}\left(1+\lambda (V_{DS}-V_{DSsat})\right)}$