3.1: Вступ до МОП-транзисторів

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Тепер перейдемо до іншого трьохклемного пристрою, який ще називають транзистором. (По правді кажучи, цей пристрій дійсно має принаймні чотири, а можливо і п'ять терміналів, але ми залишимо тонкі деталі на пізніше.) Цей транзистор, однак, працює на набагато інших принципах, ніж це робить біполярний транзистор переходу останньої глави. Тепер ми зупинимося на пристрої під назвою польовий транзистор, або метало-оксид-напівпровідниковий польовий транзистор, або просто MOSFET. Розглянемо наступне:

Великий блок p-легованого кремнію містить дві малі області n-легованого кремнію. Провід, який проходить через джерело напруги, позитивним кінцем якого звернений вправо, з'єднує ліву n-область до правої, при цьому струм I виходить з правого кінця джерела напруги. — Малюнок $\PageIndex{1}$ : Запуск польового транзистора

Тут ми маємо блок кремнію, легований p-типу. У ньому ми зробили дві області, які леговані n-типу. До кожної з цих областей n-типу приєднуємо провід, а між ними підключаємо батарею. Якщо ми спробуємо змусити деякий струм $I$ протікати через цю структуру, нічого не станеться, тому що n-p перехід з правого боку є зворотним зміщеним (У нас є позитивний відвід батареї, що йде на n-сторону p-n переходу). Якщо ми спробуємо виправити це, повернувши акумулятор, тепер ми матимемо перехід LHS зворотний упереджений, і знову ж таки, струм не буде протікати. Якщо з якоїсь причини ми хочемо, щоб струм протікав, нам потрібно буде придумати якийсь спосіб формування шару матеріалу n-типу між однією n-областю та іншою. Потім це з'єднає їх разом, і ми можемо запустити струм в одному терміналі, а з іншого.

Щоб побачити, як ми це зробимо, давайте зробимо дві речі. Спочатку ми виростимо шар $\mathrm{SiO}_{2}$ (діоксид кремнію, або просто звичайний «оксид») поверх кремнію. (Це виявляється відносно легко: ми просто приклеюємо вафлю в духовку з деяким вмістом кисню, що протікає через неї, і нагріваємо все приблизно $1100 ^{\circ} \mathrm{C}$ до години або близько того, і ми закінчуємо приємним, якісним ізоляційним $\mathrm{SiO}_{2}$ шаром поверх кремнію). Поверх оксидного шару потім наносимо провідник, який ми називаємо затвором. За «старих часів» ворота були б шаром алюмінію (звідси і «метал-оксид-кремній» або назва МОС). Сьогодні набагато більш імовірно, що сильно легований шар полікристалічного кремнію (полікремній, або частіше просто «полі») буде осаджений для формування структури затвора. (Я думаю, що «POS» звучав смішно для людей у полі, тому що він ніколи не ловив як ім'я для цих пристроїв). Полікремній виготовляється з відновлення газу, такого як силан $\left(\mathrm{SiH}_{4}\right)$ через реакцію

$\ce{SiH4 \ g -> Sis + 2H2(g)} \nonumber$

Кремній є полікристалічним (складається з безлічі дрібних кристалітів кремнію), оскільки він осідає поверх оксиду, який є аморфним, і тому він не забезпечує монокристалічної «матриці», яка дозволила б кремнію організуватися в один монокристал. Якби ми осадили кремній поверх монокристалічної кремнієвої пластини, ми б утворили монокристалічний шар кремнію, який називається епітаксіальним шаром. (Епітаксія походить від грецької, і це просто означає «замовлено». Таким чином, епітаксійний шар - це той, який слідує порядку субстрату, на якому він вирощується). Іноді це робиться для створення структур для конкретних додатків. Наприклад, вирощування епітаксіального шару n-типу поверх субстрату p-типу дозволяє виготовляти дуже різкий p-n перехід.