MOSFET: отец современной микроэлектроники

Представьте водопроводный кран: пока вентиль закрыт, вода не течёт, а по мере его открытия поток нарастает. У МОП-транзистора роль вентиля играет напряжение на затворе. Когда оно ниже порогового значения, канал между истоком и стоком не образуется, и транзистор находится в режиме отсечки – тока практически нет. Как только напряжение на затворе превышает пороговое, под диэлектрическим слоем формируется проводящий канал. В n-канальном MOSFET условный электрический ток течёт от стока к истоку, тогда как электроны движутся в противоположном направлении – от истока к стоку.

При небольшом напряжении между истоком и стоком транзистор ведёт себя почти как обычный резистор – это линейная область работы. С увеличением напряжения канал у стока постепенно сужается, и ток перестаёт расти пропорционально напряжению – начинается область насыщения. В этой области ток через транзистор определяется в основном напряжением на затворе, а не напряжением на самом канале, что и используется для усиления сигналов или для чёткого переключения нагрузки во включённое либо выключенное состояние.

По типу проводимости канала различают n-канальные и p-канальные приборы. В n-канальном транзисторе ток переносят электроны, а канал открывается при положительном напряжении на затворе относительно истока. В p-канальном всё наоборот: носителями заряда служат дырки, а для открытия канала нужно отрицательное напряжение. N-канальные транзисторы обычно более распространены, потому что электроны обладают большей подвижностью и обеспечивают лучшие характеристики при том же размере кристалла.

Есть и другое разделение – по способу образования канала. У транзисторов с индуцированным (обогащённым) каналом канал отсутствует при нулевом напряжении на затворе и появляется только при его подаче – такие приборы чаще всего используются как силовые ключи. У транзисторов со встроенным (истощённым) каналом проводящий канал существует изначально, а напряжение на затворе его либо сужает, либо расширяет.

Главное отличие МОП-транзистора от биполярного – способ управления. Биполярному транзистору для работы нужен постоянный ток базы, а МОП-транзистору достаточно поддерживать напряжение на затворе, почти не расходуя энергию на управление. Это делает МОП-транзисторы удобнее там, где важна низкая потребляемая мощность управляющей цепи, например в цифровых микросхемах.

МОП-транзисторы также переключаются быстрее и создают меньше шума в линейном режиме, но у них есть слабое место – статическая чувствительность. Затвор изолирован настолько тонким слоем оксида, что случайный электростатический разряд может пробить его и вывести транзистор из строя, поэтому при монтаже таких приборов нужно соблюдать меры защиты от статики.

Самая массовая область применения – импульсные блоки питания и стабилизаторы напряжения, где МОП-транзисторы работают как быстрые силовые ключи, включаясь и выключаясь десятки и сотни тысяч раз в секунду. Благодаря низкому сопротивлению открытого канала они выделяют меньше тепла по сравнению с более старыми типами ключей, что особенно важно в компактных зарядных устройствах и блоках питания компьютеров.

Ещё одна распространённая задача – управление нагрузкой от микроконтроллера. Например, в проектах на Arduino МОП-транзистор часто ставят между выходом контроллера и мощной нагрузкой вроде двигателя или светодиодной ленты, потому что сам микроконтроллер не способен выдать нужный ток, а транзистор, управляемый через сигнал с широтно-импульсной модуляцией, легко справляется с регулировкой яркости или скорости вращения. Помимо этого, миллиарды миниатюрных МОП-транзисторов образуют логические элементы внутри процессоров и микросхем памяти – именно их совместная работа лежит в основе всех современных вычислений.

Долгие годы производители микросхем просто уменьшали размеры планарных, то есть плоских, МОП-транзисторов, добиваясь роста плотности и быстродействия. Но у этого пути есть физический предел. Когда длина канала сокращается до нескольких десятков нанометров, затвор перестаёт полностью контролировать область под собой, и часть тока начинает просачиваться через транзистор даже в закрытом состоянии. Эти паразитные токи утечки приводят к лишнему нагреву и росту энергопотребления чипа, что стало серьёзной проблемой уже на техпроцессах около 22 нанометров.

Чтобы решить проблему утечек, инженеры отказались от плоской геометрии и подняли канал транзистора вертикально, превратив его в тонкий вертикальный «плавник» – отсюда и название FinFET, транзистор с плавниковой структурой. Затвор в такой конструкции огибает канал не с одной стороны, как у планарного MOSFET, а сразу с трёх, что даёт гораздо более полный контроль над электрическим полем в канале и заметно снижает токи утечки. Массовое внедрение FinFET-транзисторов началось на техпроцессе 22 нанометра и остаётся основой производства многих чипов до сих пор .

Но и у FinFET есть предел масштабирования. При дальнейшем уменьшении размеров затвор снова начинает терять часть контроля над каналом, потому что одна из четырёх сторон плавника всё равно остаётся неохваченной затвором. Решением стала архитектура с кольцевым затвором – GAAFET, gate-all-around field-effect transistor. В этой конструкции канал транзистора разбивают на несколько тонких горизонтальных пластин или нанопроволок, а затвор охватывает каждую из них со всех четырёх сторон одновременно, что даёт максимально плотный электростатический контроль и позволяет продолжать уменьшение размеров транзистора без роста токов утечки.

GAAFET уже применяется и внедряется ведущими производителями полупроводников. Samsung начала использовать собственную архитектуру GAA/MBCFET на 3-нм техпроцессе. TSMC сохранила FinFET в семействе 3-нм процессов N3 и перешла к nanosheet-транзисторам с круговым затвором на поколении N2. Intel разработала собственную GAA-архитектуру RibbonFET для техпроцесса Intel 18A. Следующим возможным этапом масштабирования рассматривается CFET – complementary FET, где n-канальные и p-канальные транзисторы располагаются вертикально друг над другом для дальнейшего увеличения плотности логики.

К сильным сторонам МОП-транзистора относится высокое входное сопротивление, малое энергопотребление цепи управления, высокая скорость переключения и относительно простая технология производства, позволившая довести плотность транзисторов на кристалле до миллиардов штук. Из минусов стоит выделить чувствительность к статическому электричеству, необходимость аккуратно подбирать пороговое напряжение под конкретную схему управления и, как показала практика последних десятилетий, фундаментальный предел масштабирования плоской структуры, который и подтолкнул отрасль к переходу на FinFET и GAAFET.

В отличие от абстрактной схемы кристалла, дискретный МОП-транзистор – это обычно небольшой корпус с двумя-тремя выводами, который легко найти на платах блоков питания, зарядных устройств или самодельных электронных проектов. На корпусе часто нанесена маркировка с названием модели, по которой можно найти техническую документацию (datasheet) с точными параметрами – пороговым напряжением, максимальным током стока и сопротивлением открытого канала.

При выборе конкретной модели для практической схемы обычно смотрят на несколько параметров из документации. Пороговое напряжение показывает, при каком уровне сигнала на затворе транзистор начинает открываться. Сопротивление открытого канала определяет, сколько тепла будет выделяться при прохождении рабочего тока – чем оно меньше, тем экономичнее ключ. Максимальный ток стока и предельное напряжение сток-исток задают границы безопасной эксплуатации, а тепловое сопротивление корпуса подсказывает, нужен ли транзистору радиатор при заданной нагрузке.

МОП-транзистор остаётся фундаментальным элементом электроники: от простого силового ключа в блоке питания до логического элемента внутри процессора. Его эволюция от планарных MOSFET к трёхмерным FinFET и затем к транзисторам с круговым затвором GAAFET показывает, как инженеры меняют геометрию прибора, сохраняя фундаментальный принцип MOSFET - управление проводимостью канала электрическим полем изолированного затвора. Пока этот принцип работает, у отрасли остаётся пространство для новых архитектурных решений, и следующим шагом уже сегодня рассматривают CFET.