Isoleeritud paisuga väljatransistor

Isoleeritud paisuga väljatransistor (MOSFET) on väljatransistor, milles tüüriva elektriväljaga (paisu ja lätte vahelise pingega) muudetakse laengukandjate kontsentratsiooni kanalis. Transistori paisu isoleerib kanalist õhuke dielektrikukiht, milleks on enamasti olnud ränidioksiid. Tänapäeval toodetavate mikroprotsessorite puhul kasutatakse ränidioksiidi asemel muid materjale, mille omadused lubavad paremat energiasäästu ja töökiirust. Paisu materjalina on metalli asemel kasutatud polükristallilist räni. Uusimates tehnoloogiates on pais aga kas osaliselt või täielikult metalne.

Isoleeritud paisuga väljatransistoride tingmärgid:
normal leitend (U_GS = 0 korral juhtiv) ‒ formeeritud kanaliga (vaegustüüpi) väljatransistor;
normal sperrend (U_GS = 0 korral mittejuhtiv) ‒ indutseeritud kanaliga (küllustüüpi) väljatransistor

Lühendid

Isoleeritud paisuga väljatransistori ülekaalukalt levinuim lühend inglise keeles ja ka rahvusvaheliselt on MOSFET (Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor ‒ metall-oksiid-pooljuht väljatransistor). Sisuliselt täpsem on samas tähenduses kasutatav MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor Field-Effect Transistor ‒ metall-isolaator-pooljuht väljatransistor), sest enamasti ei ole dielektrikuks (isolaatoriks) oksiidikiht. Veelgi üldistavam on IGFET (Insulated Gate Field-Effect Transistor ‒ isoleeritud paisuga väljatransistor), sest ka paisuelektroodiks ei pea alati olema metall.

Tööpõhimõte

Sõltuvalt kanali tekitamise viisist jagunevad isoleeritud paisuga transistorid formeeritud kanaliga ja indutseeritud kanaliga MOSFET transistorideks. Mõlemad võivad olla kas p- või n-kanaliga. Järgnevalt vaadeldakse n-juhtivusega transistore, sest need on enam levinud. .

Formeeritud kanaliga väljatransistor

Formeerkanaltransistoris on p-juhtivusega aluskristallis (substraadis) tekitatud lätte S ja neelu D jaoks tugevalt legeeritud n⁺-piirkonnad. Pooljuhi pinnale on kasvatatud õhuke isoleeriv kiht; sellele kantud metallikihist väljub paisuviik G.

Formeeritud n-kanaliga väljatransistori struktuur, ülekandetunnusjoon ja väljundtunnusjooned

Lätte ja neelu vaheline juhtiv n-kanal võib olla loodud doonorlisandite difundeerimise teel. Püsiva juhtiva kanali olemasolu tõttu on kanalil teatav juhtivus ka paisupinge puudumise korral ja positiivse neelupinge mõjul läbib seda vool.

Kui rakendada paisule negatiivne pinge, tõukab selle tekitatud elektriväli elektrone seda kaugemale paisust, mida negatiivsemaks tüürpinge muutub. Nii kujuneb kanalis isoleerkihi all elektronidest vaene kiht. Vastavalt nõrgeneb ka neeluvool, mis läbib kanalit neelu ja lätte vahelise pinge mõjul.

Kuigi paisule võib anda ka positiivse pinge, sest dielektrikukiht ei lase paisuvoolu tekkida, kasutatakse põhiliselt negatiivset paisupinget, mis loob laengukandjavaese režiimi ehk vaegusrežiimi. Sellest tulenevalt nimetatakse formeeritud kanaliga transistore ka vaegustüüpi transistorideks (inglise k depletion-mode MOSFET).

Indutseeritud kanaliga väljatransistor

Indutseerkanaltransistori p-juhtivusega aluskristallisse (substraati) on lätte ja neelu jaoks samuti moodustatud kõrglegeeritud n⁺-piirkonnad, kuid kanal nende vahel puudub. Pais on pooljuhist eraldatud dielektrikukihiga.

Indutseeritud n-kanaliga väljatransistori struktuur, ülekandetunnusjoon ja väljundtunnusjooned

Kui paisu ja lätte vahel pinge puudub, on p-juhtivusega substraati läbiv vool neelupinge ükskõik kumma polaarsuse korral väga nõrk, sest üks pn-siire on igal juhul vastupingestatud; seega on transistor suletud (mittejuhtiv).

Juhul kui anda paisule positiivne pinge, mis ületab teatavat väärtust U_GST, mida nimetatakse lävipingeks, rikastub pooljuhi dielektrikupoolne kiht elektronidega ‒ moodustub inversioonkiht, kus vähemuslaengukandjate (vaadeldaval juhul elektronide) tihedus on suurem enamuslaengukandjate (p-pooljuhis aukude) kontsentratsioonist. Mida suurem on positiivne paisupinge, seda laiemaks ning laengukandjarikkamaks muutub n-juhtivusega inversioonikiht ja vastavalt tugevneb neeluvool. See inversioonkiht moodustabki indutseeritud n-kanali.

Paisule rakendatav negatiivne pinge tõukaks elektrone dielektrikust eemale, nii et mingit kanali moodustuda ei saaks. Järelikult on indutseerkanaltransistore võimalik kasutada üksnes küllusrežiimis ja vastavalt võib kõnelda küllustüüpi transistoridest.

MOSFET-transistoridel võib olla väljaviik (tähis B, ingl. bulk) ka aluskristallist ehk substraadist; siis on võimalik neeluvoolu tüürida ka aluskristalli ja lätte vahelise pingega (samamoodi kui pn-väljatransistoris).

Metall-oksiid-pooljuht struktuur

Lihtne MOSFETi struktuur, kus on näha pais (P), läte (L), neel (N), dielektrik (D) ning kanali ala. Transistor on ehitatud pooljuhtplaadile (K).

Traditsioonilise metall-oksiid-pooljuht struktuuri loomiseks sadestatakse räniplaadile (K) ränidioksiidi kiht (D) ja sellele sadestatakse metalli või polükristallilise räni kile (P). Kuna ränidioksiid on dielektrik, moodustab loodud struktuur kondensaatori, mille üks elektrood (kanal) on asendatud pooljuhiga. Paisule rakendatava pinge muutmisega muutub laengute jaotus pooljuhis. Selle tagajärjel võimaldatakse või takistatakse olenevalt rakendatud pinge polaarsusest elektrivoolu liikumist kanalis lätte (L) ja neelu (N) vahel.

Areng

Viimaste aastakümnete jooksul on isoleeritud paisuga väljatransistoride mõõtmed järjest vähenenud. Kui 1990. aastatel mõõdeti MOSFET-ide kanali laiust mikromeetrites, siis tänapäeval on kanali laiuseks mõnikümmend nanomeetrit. Intel, üks maailma juhtivaid pooljuhtkiipide tootjaid, alustas 32 nm suuruste MOSFET-ide seeriatootmist 2009. aastal. Kanali suurus on sellisel transistoril isegi väiksem kui 32 nm. Pooljuhttehnoloogia ekspertide koostatud "Pooljuhtmaterjalide tehnoloogia rahvusvaheline teejuhis" (International Technology Roadmap for Semiconductors) tuuakse välja tehnoloogiad ja kompetentsid, mille arendamisse tuleks pooljuhttehnoloogia arengu tagamiseks ligikaudu järgmise 15 aasta jooksul kõige rohkem panustada.

Mõõtmete vähendamine

Moore'i seaduse logaritmiline graafik. Protsessoris olevate transistoride arv kahekordistub iga kahe aastaga.

MOSFET transistoride mõõtmete vähendamine on oluline mitmel põhjusel. Esiteks on võimalik väiksemaid transistore ühte mikrokiipi paigutada rohkem ilma selle mikrokiibi mõõtmeid muutmata. Sellele viitab ka Moore'i seadus, mille järgi mikrokiibil olevate transistoride arv kahekordistub iga kahe aasta järel. Mõõtmete vähendamine võimaldab toota sama suuruse, kuid rohkemate võimalustega või samade võimalustega, kuid väiksemaid mikrokiipe. Kuna pooljuhtplaatide ja nende peale mikrokiipide tootmise kuludest suurema osa moodustavad püsikulud, on ühe mikrokiibi maksumus seotud sellega, kui palju neid ühe pooljuhtplaadi peale mahub. Seega mahub väiksematest transistoridest koosnevaid kiipe pooljuhtplaadi peale rohkem ja nende hind peaks mastaabisäästu tõttu olema odavam.

Lisaks sellele on väiksemate komponentide mahtuvus väiksem, mis muudab neid kiiremaks ja/või efektiivsemaks. Üks võimalus transistori mõõtmeid vähendada on proportsionaalselt. Kui nii kanali pikkust, kanali laiust kui ka oksiidikihi paksust ühe kordaja võrra vähendada, siis kanali takistus ei muutu, kuid kanali mahtuvus väheneb selle kordaja võrra. Seetõttu väheneb sarnase kordaja võrra ka transistori RC-ahela viivitus. Kui varem aitas transistoride suuruse vähendamine kiiruse kasvule kaasa, siis kõige uuemate tehnoloogiate juures ei pruugi sellest enam suurt kasu olla. Nimelt on viivitused transistoride omavahelistes ühendustes tihti isegi suuremad kui transistorides endis.

Mõõtmete vähendamisega seotud murekohad

Järjest väiksemate nanoskaalas MOSFET-ide tootmine on arendajatele tõsine väljakutse.

Suurem lekkimine läbi isolatsioonikihi

Transistori kanali elektrijuhtivuse parandamiseks sisselülitatud olekus ja lülituskiiruse tõstmiseks tuleks kanali ja paisu vahel asuv isolatsioonikiht teha võimalikult õhuke. Teisalt on kasutatavate paisuoksiidide paksus jõudnud tänapäevaks umbes 1,2 nanomeetrini (ränidioksiidi puhul tähendab see ~5 aatomi paksust kihti), mistõttu võib esineda elektronide tunnelleerumist kanali ja paisu vahel, mis toob endaga kaasa lekkevoolu ja voolutarbe suurenemise.

Paisuoksiidina on traditsiooniliselt kasutatud ränidioksiidi, mille dielektriline läbitavus on suhteliselt väike (k = 3,9). Isolaatormaterjali dielektrilise läbitavuse suurendamine võimaldab luua paksema isolaatorkihi millel on endiselt sama suur elektriline mahtuvus. Seega on paisuoksiidi materjali parandamisega võimalik sama paksuse juures vähendada elektronide tunnelleerumist ja selle kaudu vähendada transistori voolutarvet.

Lauaarvuti protsessori jahutamiseks mõeldud radiaator koos ventilaatoriga.

Soojuse eraldumine

Seoses järjest suurema lülituselementide tihedusega sama suure pindalaga mikrokiibil eraldub selle kiibi töötamisel rohkem soojust. Kõrgematel temperatuuridel töötavad mikroskeemid aeglasemalt ning nende töökindlus väheneb ja tööiga lüheneb. Seetõttu tuleb järjest rohkem tähelepanu pöörata mikroprotsessorite jahutamisele. Jahutamiseks kasutatakse radiaatoreid, vesijahutust või isegi vedelat lämmastikku.

Tootmisprotsessi vead

Mida väiksemaks muutuvad MOSFET-id seda vähem räni või mõne muu kasutatava aine aatomeid esineb transistoris mingi rolli täitmiseks. Seega võivad suvalised tootmisprotsessi ebatäpsused järjest olulisemalt mõjutada transistori mõõtmeid või omadusi. Transistoride parameetrid ja karakteristikud ei ole võimalik enam täpselt mõõta ning need muutuvad statistilisteks.

Ehitus

Paisuelektroodi materjal

Paisuelektroodi materjali olulisim omadus on hea elektrijuhtivus. Kuni 1970. aastate keskpaigani kasutati paisuelektroodina alumiiniumi. Viimased paarkümmend aastat on paisu materjalina kasutatud legeeritud polükristallilist räni. Kuigi räni pole metall, on polüränil häid omadusi, mis teevad temast piisavalt hea paisumaterjali:

• Lävipinge on muudetav olenevalt paisu ja kanali materjalide tööfunktsioonide vahest. Kuna polüräni on pooljuht, on võimalik tema omadusi ja tööfunktsiooni legeerimisega muuta.
• Räni ja ränidioksiidi kokkupuutepinna omadusi on aja jooksul palju uuritud ja on järeldatud, et sellel on suhteliselt vähe defekte. Metalli ja isolaatori puutepind on enamasti defektne, mis tähendab, et seal võivad toimuda erinevad füüsikalised nähtused, näiteks laadumine, mis vähendavad transistori töökiirust ja töökindlust.
• MOSFET mikrokiipide tootmisel sadestatakse paisu materjal paremate kiipide saamiseks enne teisi, kõrge temperatuuriga tehtavaid samme. Metallid võivad nendel temperatuuridel sulada, mistõttu on sobivate metallide valik väiksem.

Polüräni on siiani olnud üks kasutatavamaid paisumaterjale, kuid tal on puudusi, mistõttu otsitakse talle aktiivselt asendajat. Suurimad polüräni puudused on:

• Polüräni ei ole hea elektrijuht (umbes 1000 korda suurema takistusega kui metallid) mistõttu levib signaal temas aeglasemalt. Juhtivust saab legeerimise abil parandada, kuid isegi kõrglegeeritud räni ei ole nii hea juht kui metallid. Juhtivuse edasiseks parandamiseks legeeritakse polüräni ülemistesse kihtidesse volframit, titaani, koobaltit või niklit. Legeerimine parandab polüräni elektrilisi omadusi ja vähendab edasiste tootmisprotsesside käigus sulamisohtu. Lävipinge võrreldes polüräniga oluliselt ei suurene, kuna legeeritud ala ei ole MOSFET-i kanali lähedal.
• Transistoride mõõtmeid vähendades muudetakse õhemaks ka paisu dielektrikkiht, mis tänapäevastel tehnoloogiatel tähendab ~1 nm paksust dielektrikukihti. Sel juhul võib täheldada polüräni ammendumist (polysilicon depletion effect), kus lävipinge muutub ja transistor ei käitu enam vastavalt ettenähtud elektriskeemile. Selle ärahoidmiseks saaks kasutada paisuelektroodi materjalina selliseid metalle nagu tantaal, volfram või titaan ja nende ühendeid.

Metalli kasutamine paisuelektroodi materjalina tuli taas päevakorda koos suure k-väärtusega dielektrikute kasutuselevõtuga. Kuna suure k-väärtusega dielektriku ja polükristallilise räni puutepind on kehv, lülituvad nendest materjalidest tehtud transistorid aeglasemalt. Kasutades paisuelektroodi materjalina metalli, mis on võimeline endas hoidma oluliselt rohkem elektrone, muutus elektronide liikumine kanalis kiiremaks ja otsesemaks. Lisaks sellele on metalli ja suure k-väärtusega dielektriku puutepind tugevamini seotud.

Dielektrikukihi materjal

Mida väiksemaks transistorid muutuvad seda õhemaks muutub ka paisu isolatsioonikiht. Selle tulemusena tuleb ette elektronide tunnelleerumist kanalist paisuelektroodile, mis on soovimatu nähtus. Dielektrikukiht peab vastama järgmistele nõuetele:

• Lekkevool peab olema väike.
• Dielektriline läbitavus peab olema suur.
• Materjal peab olema ühtlaste füüsikaliste omadustega üle kogu pinna.
• Materjal peab olema temperatuuristabiilne.
• Materjali peab olema võimalik tootmisprotsessis söövitada.
• Materjalil peab olema suur pindtakistus
• Materjalis tohib olla vähe laengulõkse, jääkaatomeid ja defekte.
• Adhesioon teiste kasutatavate materjalidega peab olema hea.

Suure dielektrilise läbitavusega paisudielektriku (high-k dielectrics) materjalidena on katsetatud selliste ühenditega nagu HfO₂, ZrO₂, TiO₂, Al₂O₃, Ta₂O_5, HfSiO₄, ZrSiO₃. Suure k-väärtusega dielektikkihi kasutuselevõtt aitab oluliselt vähendada elektronide tunnelleerumist kanalist paisuelektroodile ja sellega vähendada transistori voolutarvet. Lisaks sellele õnnestus uute materjalide tootmiseks kasutusele võetud aatomkihtsadestusmeetodi abil vähendada defektide arvu dielektriku piirpinnal, mille tõttu vähenes laengukandjate lõksustumine. Alates 2007. aastast ja 45 nm tehnoloogiast kasutatakse Inteli protsessorite tootmisel metallist paisuelektroodi ja suure k-väärtusega dielektrikukihti.

Kanali legeerimine

Mida rohkem transistori mõõtmeid vähendatakse, seda rohkem tuleks kanali ala legeerida. Teisalt muudab kogu ränialuse liigne legeerimine transistori lävepinge liiga kõrgeks ning lätte ja neelu vahelise siirde läbiöögivoolu madalaks. Seega on tähtis võimalikult täpselt legeerida ainult teatud alasid, mitte kogu kanalit.

Välislingid

• Insulated-gate field-effect transistors