موسفت

موسفت
المخترع	محمد محمد عطا الله،  وداون كانغ
الاستعمال	دارة متكاملة
تعديل مصدري - تعديل

تصنيع عناصر أشباه الموصلات
مقاييس الموسفت (قائمة المقاييس [الإنجليزية]‏) 10 ميكرومتر – 1971 6 ميكرومتر [الإنجليزية] - 1974 3 ميكرومتر – 1977 1.5 ميكرومتر – 1981 1 ميكرومتر – 1984 800 نانومتر – 1987 600 نانومتر – 1990 350 نانومتر – 1993 250 نانومتر – 1996 180 نانومتر [الإنجليزية] - 1999 130 نانومتر [الإنجليزية] - 2001 90 نانومتر [الإنجليزية] - 2003 65 نانومتر [الإنجليزية] - 2005 45 نانومتر [الإنجليزية] - 2007 32 نانومتر [الإنجليزية] - 2009 22 نانومتر [الإنجليزية] - 2012 14 نانومتر [الإنجليزية] - 2014 10 نانومتر [الإنجليزية] - 2016 7 نانومتر [الإنجليزية] - 2018 مستقبلية 5 نانومتر - 2020 3 نانومتر [الإنجليزية] - ~2021
عدد الترانزستورات [الإنجليزية]‏ سيموس العناصر (متعدد البوابات) قانون مور أشباه الموصلات إلكترونيات نانوية
بوابة إلكترونيات

ترانزستور الأثر الحقلي للأكاسيد المعدنية لأشباه الموصلات (بالإنجليزية: metal–oxide–semiconductor field-effect transistor اختصاراً MOSFET)‏ وتُقرَأ موسفت، هو ترانزستور حقلي ذو قناة نقل تعتمد في بنائها على المواد شبه موصلة. يتكون من مصدر، ومصب، وبوابة،الجسم .يفصل بين الجسم والبوابة طبقة عازلة. يتحكم الجهد الكهربائي المطبق على البوابة في التيار الكهربي المار من المصدر إلى المصب - مثلما في الصمام الثلاثي حيث يتحكم جهد الشبكة في التيار المار من المهبط(كاثود) إلى المصعد(آنود). وظيفة الموسفت هو فتح وأغلاق دائرة كهربائية،التحكم في الجهود المرتفعة،الفتح والاغلاق السريع،الحماية من قفزات التيار المفاجأة ويوجد من الموسفت ثلاثة أنواع:

• Nmos
• Pmos
• Cmos

والأنواع الثلاث مقسمة حسب أنواع الأكثرية في المقاحل: نوع n ، ونوع p ، والـ Cmos هو عبارة عن خليط من المقحلين الباقيين.

كلمة موسفت MOSFET هي اختصار للاسم بالكامل: metal–oxide–semiconductor field-effect transistor

كما تتداول له عدة أسماء نوع بي: موصّل-بي، قناة-بي، و «موس-بي»، كذلك بالنسبة للنوع إن: موصل-إن، قناة-إن، و «موس-إن». , إذا استخدم كلا المقحلين في دائرة رقمية مثلا فيستخدم لهما تعبير «موس متكامل» (Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS .

كانت طريقة تشغيل الموسفت أقدم كثيرا من معرفتنا مقحل ثنائي الأقطاب. وكانت أو تسجيلات لحق الاختراع له مسجلة باسم «يوليوس إدجار» في عام 1926 و «أوسكار ليلينفيلد» في عام 1934 .^[1] إلا أن أول إنتاج للموسفت بدأت في عام 1960، عندما توصل الفيزيائون إلى مادة السليكون/أكسيد السليكون، استطاعوا بواسطها إنتاج وصلة سطحية بين شبه موصل وعازل.

واستغنى الناس عن مادة الجرمانيوم التي كانت تكوّن شبه الموصل الأساسي لتصنيع مقحل. إلا أن تصنيع المقاحل يحتاج حجرات نظيفة جدا وتحتاج اتباع نظام دقيق في المعاملة الحرارية أثناء الإنتاج.

ومنذ السبعينيات من القرن الماضي كان تشويب البولي سليكون لاستخدامه في تصنيع البوابة، واستغني عن اللألمونيوم المبخر على السطح. .^[2]

ومنذ بداية القرن 21 انصب العلماء على ابتكار نوع جديد يسمى «بوابة معدن عالية كي» High-k+Metal-Gate-Technik وتم أول إنتاج لها في عام 2007 .

للموسفت ثلاثة أطراف: G البوابة (وهي المتحكمة), و D المصب، و S المنبع. (وأحيانا في بعض الأنظمة يكون طرف رابع موصول بالجسم B . ولكن في معظم الأحوال يكون الجسم موصولا داخليا بالمنبع)

يعمل الموسفت (كما هو الحال للشبه الموصل الحقلي) كمقاومة يتحكم فيها بواسطة جهد البوابة، أي أن الجهد البوابة-المنبع U_GS يمكن أن يغير «المقاومة» بين المنبع والمصب R_DS ، وبالتالي يمكنه تغيير التيار I_DS (أو باختصار I_D) المار في المقاومة R_DS تغيررا كبيرا.

في الشكل تبين S المنبع وD المصب و G البوابة. البوابة لها حد أدنى للجهد ${\displaystyle U_{\mathrm {th} }<0\,\mathrm {V} }$ (عادة بين 1 فولط - 3 فولط) لكي تعمل، يسمى «جهد العمل». فعندما يكون الجهد المطبق على البوابة أقل من «جهد العمل» فلا تسمح البوابة بمرور تيار في الموسفت، ويبقى المصباح مطفأ (الشكل العلوي).

وعندما يعلو جهد البوابة ليصبح أعلى من «جهد العمل»، عندئذ تسمح البوابة بمرور الإلكترونات من المنبع إلى المصب (بالتالي يسير التيار المصطلح عليه تقنيا من الموجب إلى السالب] ويضيء المصباح.

من الملاحظ أن جهد تشغيل المصباح U_DS دائما موجبا.

في الموسفت نوع إن تكون الإلكترونات الغالبية العظمى لحاملات الشحنة (تشويب نوع إن).^[3] وتسير الإلكترونات في عكس اتجاه التيار المصطلح عليه تقنيا (من الموجب إلى السالب) أي تسير الإلكترونات من السالب إلى الموجب، وهو أتجاه «السهم» في الموسفت.

مثلما في شبه الموصل ثنائي الأقطاب يوجد من الموسفت نوعين:«نوع بي» أو «بي-قناة» و «نوع إن» أو «إن-قناة». وعندما يستخدم الاثنان في دائرة كهربائية فيقال عنهما أنه «موسفت متكامل» complementary MOS .

وعلاوة على ذلك فيوجد من النوعين صنفان آخرين، يختلفان في البنية الداخلية وفي الخواص الكهربائية:

1. منخفض التشويب depletion – موصل للتيار في حالته الطبيعية،
2. عالي التشويب enhancement – حاجز للتيار في حالته الطبيعية.

يغلب استخدام الموسفت عالي التشويب عمليا.

يمكن استخدام الموسفت بثلاثة طرق تعتمد على مقادير الجهود الكهربائية المتصلة بأطرافه. هذا النمط ابتكره «شيشمان» و «هودجز» ويسمى باسميهما «نموذج شيشمان-هودجز».

سنطرح هنا الثلاثة طرق لاستخدم موسفت-إن، مركز التشويب:

عندما تكون V_GS < V_th:

حيث

${\displaystyle V_{GS}}$ هو جهد انحياز البوابة بالنسبة إلى المصدر، و ${\displaystyle V_{th}}$ هي جهد الحافة (أقل جهد للبوابة يسمح بتشغيل الموسفت)Threshold Voltage.

بسبب أن جهد الحافة أعلى من جهد البوابة يكون الموسفت ليس موصلا للتيار، ولا يوجد تيار من المصب إلى المنبع.^[4][5]

طريقة الصمام الثلاثي أو منطقة التناسب الخطي ^[6][7]

عندما تكون V_GS > V_th

و (V_DS < (V_GS – V_th

يبدأ التيار يسير من المصب إلى المنبع (طبقا لتعريف التيار في التقنية الكهربائية). ويعمل الموسفت كما لو كان مقاومة بين المصب والمنبع ويضبطها جهد البوابة.

الرسم البياني المجاور يبين تزايد التيار بزيادة جهد المصب، وذلك لعدد من قيم فرق الجهد (; (V_GS – V_th بين 1 فولط، و 2 فولط و 3 فولط.... إلى 7 فولط.

نجد أن التيار يتاسب تناسبا خطيا مع جهد المصب أولا، ثم يصل إلى تشبع حيث يثبت التيار عند مستوى معين ولا يزيد رغم تزايد الجهد.

المعادلة التي تصف سلوك التيار من المصب إلى المنبع هي:

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

حيث:

${\displaystyle \mu _{n}}$ الحركية الفعالة لحاملات الشحنة،

${\displaystyle W}$ اتساع البوابة،

${\displaystyle L}$ طول البوابة،

${\displaystyle C_{ox}}$ سعة الأكسيد في البوابة.

منطقة التشبع أو الطريقة النشطة (Saturation mode) ^[8][9]

عندما تكون V_GS > V_th

و (V_DS ≥ (V_GS – V_th

في هذه الحالة ينفتح الموسفت وتنشأ قناة تسمح للتيار بالمرور بين المصب والمصدر. ونظرا لأن جهد المصب أغلى من جهد المصدر فإن الاكترونات تنتشر ولا ينحصر التوصيل في قناة ضيقة بل ينتشر في قناة متسعة واصلة حتى جسم الموسفت.

عند بداية منطقة التشبع حيث تكون جهد المصب مساويا تقريبا من فرق الجهد V_GS – V_th توجد منطقة تسمى «منطقة التقاط» pinch-off تشير إلى عدم تكوّن قناة قرب المصب. ومع أن القناة لا تشمل الموسف بطوله فيكون المجال الكهربائي عاليا بيك المصب والقناة ويستمر التوصيل.

ويكون تيار المصب معتمدا قليلا على جهد المصب ويتحكم فيه جهد البوابة-المنبع، وتصف المعادلة التالية اعتماد تيار المصب على جهد المصب بالتقريب:

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

هنا ظهر معامل جديد λ, وهو معامل تغير طول القناة ويمثل اعتماد التيار على جهد المصب بسبب «التاثير الابتدائي»، أو «تعديل طول القناة» channel length modulation.

فإذا كانت λ مساوية للصفر يكتسب الموسفت مقاومة عالية ويصعب تقدير تيار المصب، خصوصا في الدوائر التناظرية.

الأشكال التالية توضح ظروف عمل الموسفت في أربعة أنمطة للتشغيل:

في الأشكال الملونة: نجد مقاومة تصل بين المنبع والجسم حتى لا يكون الجسم تحت جهد.

الشكل يوضح دائرة تتكون من «موسفت نوع إن» و «موسفت نوع بي». السهم داخل الموسفت يشير إلى اتجاه حركة الإلكترونات (وهو اتجاه التيار طبقا للاصطلاح التقني).

المنبع هو العضو الذي تتحرك منه الشحنات في حالة التوصيل في اتجاه المصب.

في الموسفت نوع «قناة-إن» NMOS تكون الإلكترونات أغلبية حاملات الشحنات.^[3] والإلكترونات تسير في عكس اتجاه التيار كما هو مصطلح عليه تقنيا. هنا نجد أن جهد المنبع ${\displaystyle \varphi _{\mathrm {S} }}$ (−; لأنه أقرب إلى ${\displaystyle U_{\mathrm {SS} }}$) أقل من جهد المصب ${\displaystyle \varphi _{\mathrm {D} }}$ (+; فهو أقرب إلى ${\displaystyle U_{\mathrm {DD} }}$).

وفي حالة الموسف نوع «قناة-بي» PMOS تكوّن الفجوات أغلبية حاملات الشحنة، وهم يسيرون في اتجاه التيار كما هو معترف به من تقنية الكهرباء.^[3]

ويتم توصيل المصدر للموسفت نوع «قناة- بي» بالجهد ${\displaystyle \varphi _{\mathrm {S} }}$ (+, وهو أقرب إلى ${\displaystyle U_{\mathrm {DD} }}$) ويكون أكبر من جهد المصب ${\displaystyle \varphi _{\mathrm {D} }}$ (−; لأنه أقرب إلى ${\displaystyle U_{\mathrm {SS} }}$).