הצגת המקור של הדף "טרנזיסטור MOSFET"

[[קובץ:Mosfet1.jpg|ממוזער|מבנה טרנזיסטור MOSFET. בעת העברת מתח חשמלי במגע (Gate), הטרנזיסטור יאפשר זרימת אלקטרונים מהמקור (Source) לשפך (Drain)]]
'''טרנזיסטור MOSFET''' ([[ראשי תיבות]] של '''Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor'''), או טרנזיסטור תוצא שדה, הוא סוג של [[טרנזיסטור]] בו [[שדה חשמלי]] משפיע על התכונות של [[מוליך למחצה]] (לרוב [[צורן|סיליקון]]) ובכך מאפשר שליטה על ה[[זרם חשמלי|זרם החשמלי]] הזורם דרכו. זהו הטרנזיסטור הנפוץ ביותר כיום, והוא משמש בעיקר במעגלים [[אלקטרוניקה ספרתית|לוגיים ספרתיים]].

ה-MOSFET הוא אבן בניין של האלקטרוניקה המודרנית, ואחד המכשירים המיוצרים ביותר בהיסטוריה. הטרנזיסטור עבר תהליכי הקטנה ו[[ייצור המוני]] עבור מגוון רחב של שימושים, תוך ביצוע מהפכה בתעשיית האלקטרוניקה ובכלכלה העולמית, ומהווה חלק חשוב ב[[המהפכה הדיגיטלית|מהפכה הדיגיטלית]] וב[[עידן המידע]]; תהליך ההקטנה של מכשירי MOSFET עם השנים האיץ את הגדילה המעריכית של טכנולוגיית המוליכים למחצה מאז שנות ה-60, ואפשר ייצור של [[מעגל משולב|מעגלים משולבים]] בצפיפות גבוהה, כגון [[מיקרו-מעבד]]ים.

ליבו של טרנזיסטור MOSFET הוא [[קבל MOS]], אשר באמצעותו מושרה השדה החשמלי על המוליך למחצה ובכך פותח או סוגר את המתג.

==היסטוריה==
התאוריה של טרנזיטורי MOS פותחה על ידי [[ויליאם שוקלי]] ב[[שנות ה-30 של המאה ה-20|שנות ה-30]] של [[המאה ה-20]], כתחליף ל[[שפופרת ריק|שפופרת הריק]] וה[[טריודה]], אולם טכנולוגיית המוליכים למחצה לא הייתה מפותחת אז, והיה קושי מעשי לשלוט בתכונות החומרים, בעקבות זיהומים קטנים ששיבשו את אופן הפעולה של החומר.

טרנזיסטור ה-MOSFET הומצא על ידי המהנדסים מוחמד מ. אטאללה ודאון קאהנג ב[[מעבדות נוקיה בל|מעבדות בל]] בשנת 1959, והוצג לראשונה ב-1960.

==אופן הפעולה==
[[קובץ:FET cross section.png|שמאל|ממוזער|250px|מבנה טרנזיסטור MOSFET מסוג nMOS]]
הטרנזיסטור בנוי משני סוגים של חומרים [[מוליך למחצה|מוליכים למחצה]] (לרוב [[צורן|סיליקון]]) שעברו [[אילוח (מוליכים למחצה)|אילוח]]: חומר מסוג N{{כ}} (negative) וחומר מסוג P{{כ}} (positive). [[מוליך למחצה]] שרוב נושאי המטען החופשיים בו הם [[אלקטרון|אלקטרונים]], נקרא חומר מסוג N, ומוליך למחצה שרוב נושאי המטען החופשיים בו הם [[חור (חשמל)|חורים]] (כלומר מצב שבו יש חוסר באלקטרונים), נקרא חומר מסוג P.

שמו של הטרנזיסטור, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (בתרגום חופשי: [[טרנזיסטור]] אפקט-שדה מתכתי-[[תחמוצת]]י-מוליך למחצה), נגזר מאופן פעולתו: [[שדה חשמלי]] פועל על תעלה, העשויה מוליך למחצה, המחברת בין שני ההדקים. השדה החשמלי מביא למצב של היפוך של סוג נושאי המטען שבתעלה, מה שמאפשר לזרם לזרום דרכה.

מרכז הטרנזיסטור עשוי מבסיס של חומר [[מוליך למחצה]] בעל [[אילוח (מוליכים למחצה)|אילוח]] (סימום) מסוים הנקרא '''מצע''' (Substrate). על המצע מושתלים בשני אזורים חומר מוליך למחצה בעל [[אילוח (מוליכים למחצה)|אילוח]] הפוך לאילוח המצע והם נקראים ה'''מקור''' (Source) וה'''שפך''' (Drain). אם המצע עשוי מוליך למחצה מסוג P, אז המקור והשפך יהיו מסוג N (ראו איור), ולהפך.

מעל התעלה נמצא ה'''שער''' (Gate), מגע מתכתי המבודד מהמוליך למחצה על ידי שכבה דקה של חומר מבודד הנקרא '''מבודד השער''' או '''תחמוצת השער'''. בטרנזיסטורים המבוססים על [[צורן|סיליקון]], מהווה [[סיליקה|תחמוצת סיליקון]] מבודד טוב. עם זאת, החל משנת [[2007]], בדורות המתקדמים של [[מעבד]]ים, תחמוצת הסיליקון הוחלפה ב[[חומר דיאלקטרי|חומרים דיאלקטריים]] בעלי מקדם גבוה, המבוססים בעיקר על [[תחמוצת הפניום|תחמוצות הפניום]].

כאשר המצע עשוי מחומר מוליך למחצה מסוג P, יהיו בו חורים רבים ומעט אלקטרונים חופשיים. לעומת זאת, במקור ובשפך, העשויים מחומר מסוג N, המצב הוא הפוך – נושאי מטען הרוב הם אלקטרונים.

בצורה זו הטרנזיסטור מתפקד כ[[מפסק|מתג]]:
* ללא הפעלת שדה חשמלי נוצרים [[צומת PN|צומתי PN]] בין התעלה למקור ובין התעלה לשפך. צומתי PN מהווים [[דיודה]] המונעת מעבר [[זרם חשמלי]] מכיוון אזור ה-N אל אזור ה-P. במצב כזה קיים נתק חשמלי בין המקור לבין השפך, והטרנזיסטור, או המתג, נמצא ב'''מצב סגור'''.
* כאשר מופעל מתח חיובי על השער, נוצר שדה חשמלי המושך אלקטרונים (נושאי מטען המיעוט בתעלה, מסוג P) מהמצע לעבר השער. באופן זה, אזור דקיק בתעלה בסמוך למבודד השער עובר '''היפוך''' (אינוורסיה) והופך ל[[מוליך למחצה]] מסוג N. במצב כזה המגעים בין התעלה למקור ולשפך מפסיקים לתפקד בתור דיודה ואין מחסום לזרם בין המקור לשפך – הטרנזיסטור נמצא ב'''מצב פתוח'''. במצב זה הפרש מתחים בין המקור לבין השפך יביא לזרימת זרם בטרנזיסטור.

טרנזיסטור MOS בעל מצע מסוג P נקרא nMOS (משום שההולכה בו היא הולכה של אלקטרונים, שמטענם שלילי), ואילו טרנזיסטור בעל מצע מסוג N נקרא pMOS (שבו ההולכה היא של חורים, שמטענם חיובי). בתמונה למעלה מתואר טרנזיסטור nMOS. התנגדות התעלה של טרנזיסטור nMOS נמוכה יותר מזו של pMOS משום ש[[ניידות חשמלית|ניידות]] האלקטרונים גבוהה מניידות החורים.

=== סוגים ===
טרנזיסטורי MOSFET (nMOS ו־pMOS) מתחלקים לשני סוגים:{{כ}} סוג שיפור (enhancement mode) וסוג דלדול (depletion mode). בסוג השיפור, המצע [[אילוח (מוליכים למחצה)|מאולח]] כך שאינו מוליך ללא מתח בשער. בסוג הדלדול, המצע מאולח כך שיוליך ללא מתח כמעט במצב רוויה (ראו מטה). רוב טרנזיסטורי ה-MOSFET הם מסוג השיפור, אך קיימים גם טרנזיסטורי nMOS מסוג דלדול.

== חשיבות אורך התעלה ==
הטרנזיסטור מתפקד כ[[מפסק|מתג חשמלי]] – הפעלת מתח על אחד ההדקים יוצרת שדה חשמלי שמאפשר זרימת זרם דרך שני ההדקים האחרים. ככל שאורך התעלה בה האלקטרונים נעים יהיה קטן יותר, כך תקטן התנגדות הטרנזיסטור ומהירות המיתוג שלו תגדל. מסיבה זו ומסיבות נוספות אורך התעלה הוא אחד הפרמטרים החשובים ביותר בטכנולוגיה. עם השנים, הטכנולוגיה השתכללה ואִפשרה ייצור טרנזיסטורים בעלי תעלה קצרה יותר ויתר. בעבר אורך התעלה היה נמדד ב[[מיקרון|מיקרונים]] וכיום ב[[ננומטר]]ים, והוא משמש לעיתים קרובות לציון הרמה הטכנולוגית של ה[[מעגל משולב]]. עם זאת, בעשור האחרון, מספר הננומטרים אותו מציינים מהווה יותר שם של הרמה (node) הטכנולוגית מאשר את אורך התעלה בפועל, ולרוב קיימים הבדלים של עשרות אחוזים ביניהם. התחזית לגבי ההקטנה ההדרגתית של אורכי התעלה עם השנים זכתה לשם הפופולרי [[חוק מור]].

==מצבי פעולה==
[[קובץ:IvsV mosfet he.png|שמאל|ממוזער|270px|מצבי הפעולה של טרנזיסטור MOSFET]]
ב[[מעגל אנלוגי|אלקטרוניקה אנלוגית]], מחלקים את התנהגותו של טרנזיסטור MOS ל-3 מצבי פעולה עיקריים, התלויים במתחים המופעלים על הדקיו, כאשר <math>V_{GS}</math> הוא המתח בין השער (G) למקור (S), <math>V_{DS}</math> הוא המתח בין השפך (D) למקור, ו-<math>V_t</math> הוא מתח הסף, כך שאם <math>V_{GS}<V_t</math> אז הזרם בין השפך למקור זניח, כלומר המתג סגור. התיאור הבא הוא מודל מקורב של התנהגות טרנזיסטור MOSFET בשלושת מצבי הפעולה. מודל זה שימושי לצורך ניתוח והבנה של התנהגות מעגל חשמלי, אך בכלי הדמיה מודרניים נעשה שימוש במודלים מורכבים ומדויקים בהרבה.

הניתוח להלן מתאים ל־nMOS מסוג שיפור (enhancement mode). עבור pMOS מסוג שיפור צריך להפוך את סימני האי־שוויונים ולהחליף את <math>\mu_n</math> ([[ניידות חשמלית|ניידות]] [[אלקטרון|אלקטרונים]]) ב־<math>\mu_p</math> (ניידות [[חור (חשמל)|חור]]ים).

=== קטעון (תת-הולכה) ===
כאשר <math>V_{GS}<V_t</math>, אין כמעט תעלה של שכבת היפוך (שכבת אינוורסיה), ולכן הזרם מהמקור לשפך זניח. במצב זה, הטרנזיסטור מעביר זרם חלש (זרמי זליגה) על ידי [[פעפוע]] כתלות במתחים <math>V_{GS}</math> ו־<math>V_{DS}</math>. הקשר בין המתח לזרם במצב זה הוא מעריכי, ומתקבל על ידי:

: <math>I_{D}=I_{D0} {W \over L} e^{V_{GS} \over nkT/q} </math>

כאשר <math>W</math> הוא רוחב התעלה, <math>L</math> הוא אורך התעלה, <math>T</math> היא הטמפרטורה ו־<math>I_{D0},n,k,q</math> הם קבועים התלויים בתהליכי הייצור של הטרנזיסטור, בין השאר.

=== ליניארי (אוהמי) ===
כאשר <math>V_{GS}>V_t</math> אך <math>V_{DS}<V_{GS}-V_t</math>, נוצרת שכבת היפוך והטרנזיסטור מעביר זרם (על ידי סחיפה שנוצרת מן השדה החשמלי) כתלות במתח <math>V_{DS}</math> אך גם במידת ההיפוך שתלוי במתח <math>V_{GS}</math>. ככל שמתח השער עולה, יותר נושאי מטען מוזרקים מהמקור אל התעלה, שכבת ההיפוך גדלה, וזורם זרם חזק יותר בין המקור לשפך. במצב פעולה זה הטרנזיסטור מתנהג בקירוב כ[[נגד]], ולכן נקרא המצב "אוהמי". התנגדותו של הנגד קטנה ככל ש־<math>V_{GS}</math> גדל. הקשר בין המתח לזרם במצב זה מתקבל על ידי:

: <math>I_{D}=\mu_n C_{ox} {W \over L}\left((V_{GS}-V_t)V_{DS}-\frac{V_{DS}^2}{2}\right)</math>

סף המעבר בין מצב ליניארי למצב רוויה מתרחש כאשר <math>V_{GD}=V_t</math>. במצב זה מתח המקור-שפך הוא <math>V_{DS_\text{sat}} = V_{GS}-V_t</math>.

=== רוויה ===
כאשר <math>V_{DS}>V_{DS_\text{sat}}</math>, הטרנזיסטור מפסיק להתנהג כנגד; מהירות תנועת נושאי המטען בטרנזיסטור הגיעה לרוויה, תלות הזרם ב־<math>V_{DS}</math> נחלשת משמעותית והזרם תלוי בעיקר ב־<math>V_{GS}</math>. במצב זה, ההתקן משמש בקירוב כמקור זרם מבוקר מתח, והקשר בין הזרם <math>I_{D}</math> למתח <math>V_{GS}</math> הוא ריבועי:
: <math>I_D = \frac{\mu_n C_{ox}}{2}\frac{W}{L}\left(V_{GS} - V_t\right)^2 \left(1 + \lambda V_{DS}\right)</math>
ניתן לנסח את התנאי למצב רוויה גם כ־<math>V_{GD}<V_t</math> או כ־<math>V_G-V_t<V_D</math>. שני התנאים שקולים לחלוטין ל־<math>V_{DS}>V_{DS_\text{sat}}</math>.

==סימול==
{| class="wikitable" style="text-align:center;"
|-
! pMOS
| [[קובץ:JFET P-Channel Labelled.svg|80px]]
| [[קובץ:IGFET P-Ch Enh Labelled.svg|80px]]
| [[קובץ:IGFET P-Ch Enh Labelled simplified.svg|80px]]
| [[קובץ:Mosfet P-Ch Sedra.svg|80px]]
| [[קובץ:IGFET P-Ch Dep Labelled.svg|80px]]
|-
! nMOS
| [[קובץ:JFET N-Channel Labelled.svg|80px]]
| [[קובץ:IGFET N-Ch Enh Labelled.svg|80px]]
| [[קובץ:IGFET N-Ch Enh Labelled simplified.svg|80px]]
| [[קובץ:Mosfet N-Ch Sedra.svg|80px]]
| [[קובץ:IGFET N-Ch Dep Labelled.svg|80px]]
|-
!
! [[טרנזיסטור JFET|JFET]] {{אנ|JFET}}
! colspan="3"| MOSFET (שיפור)
! MOSFET (דלדול)
|}

==לקריאה נוספת==
<div style="direction: ltr;">
*A.S. Sedra, K.C. Smith, '''Microelectronic Circuits''', New York: Oxford, 2004
</div>

==קישורים חיצוניים==
{{ויקישיתוף בשורה}}
* [https://www.youtube.com/watch?v=IcrBqCFLHIY How Does a Transistor Work?] סרטון הסבר בשפה האנגלית הממחיש את פעולת הטרנזיסטור {{וידאו}}
* {{דף שער בספרייה הלאומית|987007565647505171|טרנזיסטור שדה מתכת תחמוצת צורן}}

{{בקרת זהויות}}

[[קטגוריה:ערכים שבהם תבנית בריטניקה אינה מתאימה]]
[[קטגוריה:טרנזיסטורים]]