מבוא לצינורות MOS ולרווחים פנימיים

MOS, שהוא הקיצור של השם האנגלי של טרנזיסטור אפקט שדה מתכת-אוקסיד-מוליכים למחצה, הוא התקן מוליכים למחצה ייחודי השולט בזרם של לולאת המוצא באמצעות אפקט השדה החשמלי, מה שנותן לו את שמו. המכשיר מסתמך בעיקר על רוב הנשאים במוליכים למחצה כדי להוליך חשמל, ולכן הוא מסווג גם כטרנזיסטור חד קוטבי. בנוסף לטרנזיסטורים של MOS, ישנם סוגים שונים כגון צומת FET (JFET), FET מוליכים למחצה מתכת, JLFET ו-QWFET. בין הסוגים הללו, טרנזיסטורי MOS הם הבחירה הנפוצה ביותר בשל יתרונותיהם הרבים, כגון התנגדות כניסה גבוהה, צריכת חשמל נמוכה, רעש נמוך וקלות אינטגרציה, ונמצאים בשימוש נרחב במעגלים אנלוגיים ודיגיטליים, ותופסים ערך מוחלט עמדה דומיננטית בשוק, העולה בהרבה על טרנזיסטורים דו-קוטביים (BJT).

715-031986-005 Hsg Lwr Reaction Chamber

טרנזיסטורי MOS מחולקים עוד יותר ל-NMOS (סוג N-channel) ו-PMOS (סוג P-channel), שניהם שייכים ל-FET של שערים מבודדים. כאשר NMOS ו-PMOS משולבים בצורה חכמה, הם יוצרים התקני CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) מה שאנו מכנים לעתים קרובות. המבנה של NMOS תוכנן להיות מעולה, כולל שלוש אלקטרודות מפתח: מקור (S), שער (G) ו-Drain (D), אשר ניתן לתאם פונקציונלית לפולט, הבסיס והאספן של טרנזיסטור דו-קוטבי, בהתאמה. , כפי שמוצג באיור למטה.

תרשים סכמטי של מבנה NMOS

0040-09723 -unibody, Etch Chamber

כפי שמוצג באיור למטה, אם לא מופעל מתח על השער במהלך פעולת ה-NMOS, הזרם לא יכול להיווצר בין אזורי המקור והניקוז בגלל היעדר תעלות מוליכות. עם זאת, כאשר מתח חיובי גדול מספיק מופעל על השער, מתח זה פועל כמו מגנט למשוך מספר קטן של נשאים-אלקטרונים- במצע מסוג P, מה שגורם להם להתרכז במפגש השער והמצע. עם הצטברות האלקטרונים תיווצר שכבה הפוכה מלאה באלקטרונים על פני המצע, אשר למעשה הופכת את האזור המקורי מסוג P לאזור מסוג N, ובכך מספקת תעלה חלקה לזרם, כך שה אלקטרונים באזור המקור יכולים לזרום בצורה חלקה לאזור הניקוז כדי ליצור זרם. תהליך זה מדגים את המהות של טרנזיסטור MOS כהתקן בקרת מתח, כלומר, מתח השער משמש לוויסות מדויק של הזרם בין המקור לניקוז. שכבה הפוכה זו יוצרת נתיב הובלת אלקטרונים יעיל, המאפשר לאלקטרונים באזור המקור לזרום ברציפות לאזור הניקוז, וכתוצאה מכך להיווצרות זרם חשמלי. לכן, טרנזיסטור MOS הוא בעצם מכשיר בקרת מתח, הליבה שלו היא לשלוט במדויק על הזרם בין המקור לניקוז דרך מתח השער. אנו מגדירים את מתח השער המינימלי הדרוש להפעלת ה-FET כמתח הסף. השער ממלא כאן תפקיד של מתג: כאשר מתח השער יורד מתחת למתח הסף או כאשר מתח השער מוסר, הוא כבוי, ומונע מעבר זרם בין מקור לניקוז; כאשר מתח השער הוא מעל מתח הסף, הוא פותח את הערוץ ומאפשר לזרם בין מקור לניקוז לזרום בחופשיות.

מאפיינים חשמליים של NMOS
לאחר מכן, אנו מתארים תהליך הכנת צינורות NMOS טיפוסי. ראשית, נוצרת שכבה אפיטקסיאלית על מצע סיליקון על ידי צמיחה אפיטקסיאלית, שלב זה נועד להשיג גביש סיליקון בעל תכולת חמצן נמוכה, המהווה את החלק המוליך למחצה (S) של שפופרת MOS, ולאחר מכן מכינים את תחמוצת השדה על ידי טכניקות חמצון, פוטוליתוגרפיה ותחריט, המשמשות לבידוד צינורות MOS השונים ולמנוע הפרעות חשמליות ביניהם. לאחר מכן, תהליך חמצון מועבר ליצירת שכבת תחמוצת שער, שהיא חלק התחמוצת (O) בצינור MOS. השלב הבא הוא הפקדת חומר הפוליסיליקון ויצירת שער פוליסיליקון באמצעות תהליכי פוטוליתוגרפיה ותחריט, למרות שפוליסיליקון אינו מתכת במובן המסורתי, יש לו מוליכות טובה לאחר סימום והוא מתאים לתהליכי מעגל משולבים, ובכך מחליף את המתכתי הקודמת חומרי אלומיניום. לאחר מכן, הוא נכנס לשלב הייצור של אזור המקור ואזור הדליפה, אשר נחשון תחילה על ידי תהליך הפוטוליתוגרפיה, ולאחר מכן הזרקת יוני זרחן, ומחוסל לייצוב המבנה. לאחר מכן, שקיעת שכבת זכוכית פוספוסיליקט (PSG) כשכבה דיאלקטרית, המוחלקת על ידי תהליכי שקיעה וזרימה חוזרת, ומניחה בסיס טוב לשלבי הליתוגרפיה הבאים. לאחר מכן, ה-PSG הוא פוטוליתוגרפיה ותחריט כדי ליצור את התבנית הרצויה. לאחר מכן, סגסוגת האלומיניום-סיליקון מופקדת כחומר חיבור המתכת, וחיבור המתכת מוכן על ידי פוטוליתוגרפיה ותהליכי תחריט. לבסוף, שכבת סיליקון ניטריד מופקדת כשכבת הגנה פסיבית כדי לספק הגנה ויציבות נוספת לכל המכשיר.

רווח פנימי של צינור MOS
רווח האות הקטן המרבי בתדר נמוך שטרנזיסטור יכול להציג בתצורת מגבר מקור נפוץ מוגדר כהגבר הפנימי של הטרנזיסטור MOS, שיכול להתבטא כ

תהליך הגזירה המפורט מושמט כאן. על פי נוסחה זו, הרווח הפנימי של טרנזיסטור MOS הוא פרופורציונלי הפוך למתח ההילוך ולמקדם אפנון אורך החריץ λ. מכיוון ש-λ הוא פרופורציונלי הפוך לאורך הערוץ L של צינור MOS, ההגבר הפנימי גדל עם העלייה של L. באופן תיאורטי, ניתן להגדיל את ההגבר הפנימי של הטרנזיסטור MOS על ידי הפחתת מתח ההילוך והעלאת L. עם זאת, שניהם פעולות אלו מאטות את מהירות העבודה של צינור MOS. לכן, בתכנון המעגל בפועל, עלינו לעשות פשרה בין רווח למהירות. האיזון הזה בין רווח ומהירות תמיד היה נושא מרכזי בתחום עיצוב מעגלים משולבים אנלוגיים. ראוי לציין שניתן לראות את המשוואה הבאה

הרווח הפנימי של טרנזיסטור MOS דומה להגבר הפנימי בעת תכנון יעילות ההולכה, אך הרווח הפנימי מושפע בנוסף מאורך הערוץ. ככל שגודל התכונה של מכשירי MOS ממשיך להתכווץ, הרווח הפנימי שלהם הולך ופוחת, מה שמציב אתגר הולך וגובר לעיצובים שלנו.

בנוסף, עלינו להיזהר שמתח יתר נמוך מדי עלול לגרום לטרנזיסטור MOS להיכנס לאזור תת-הסף, שבו מאפייני הפעולה של הטרנזיסטור MOS שונים מאוד מאלה שבאזור הרוויה, ורבות מהנוסחאות הרלוונטיות תיאוריות לא יחולו יותר.