موسفت

في الإلكترونيات ، ترانزستور التأثير الميداني المعدني الأكسيد أشباه الموصلات ( MOSFET أو MOS -FET أو MOS FET أو MOS ) هو نوع من ترانزستور التأثير الميداني (FET)، يتم تصنيعه عادةً عن طريق الأكسدة المتحكم فيها للسيليكون . يحتوي على بوابة معزولة، يحدد جهدها موصلية الجهاز. يمكن استخدام هذه القدرة على تغيير الموصلية مع مقدار الجهد المطبق لتضخيم أو تبديل الإشارات الإلكترونية . مصطلح ترانزستور التأثير الميداني المعدني العازل أشباه الموصلات ( MISFET ) مرادف تقريبًا لـ MOSFET . مرادف آخر قريب هو ترانزستور التأثير الميداني ذو البوابة المعزولة ( IGFET ).

الميزة الرئيسية لـ MOSFET هي أنه لا يتطلب أي تيار دخل تقريبًا للتحكم في تيار الحمل، مقارنة بالترانزستورات ثنائية القطب (BJTs). في MOSFET في وضع التحسين ، يزيد الجهد المطبق على طرف البوابة من توصيل الجهاز. في ترانزستورات وضع الاستنفاد ، يقلل الجهد المطبق على البوابة من التوصيل. ^[1]

أحيانًا ما يكون مصطلح "المعدن" في اسم MOSFET غير دقيق ، لأن مادة البوابة قد تكون طبقة من البولي سيليكون (السيليكون متعدد البلورات). وبالمثل، قد يكون مصطلح "الأكسيد" في الاسم غير دقيق أيضًا، حيث تُستخدم مواد عازلة مختلفة بهدف الحصول على قنوات قوية بجهد كهربائي مطبق أصغر.

يعد MOSFET أكثر الترانزستورات شيوعًا في الدوائر الرقمية ، حيث يمكن تضمين مليارات الترانزستورات في شريحة ذاكرة أو معالج دقيق. نظرًا لأنه يمكن تصنيع ترانزستورات MOSFET باستخدام أشباه الموصلات من النوع p أو n، يمكن استخدام أزواج تكميلية من ترانزستورات MOS لإنشاء دوائر تبديل ذات استهلاك طاقة منخفض للغاية، في شكل منطق CMOS .

تم تسجيل المبدأ الأساسي للترانزستور ذي التأثير الميداني لأول مرة بواسطة يوليوس إدغار ليلينفيلد في عام 1925. ^[2] في عام 1934، سجل المخترع أوسكار هيل براءة اختراع مستقلة لجهاز مماثل في أوروبا. ^[3]

في أربعينيات القرن العشرين، حاول علماء مختبرات بيل ويليام شوكلي وجون باردين ووالتر هاوزر براتين بناء جهاز تأثير المجال، مما أدى إلى اكتشافهم لتأثير الترانزستور . ومع ذلك، فشل الهيكل في إظهار التأثيرات المتوقعة، بسبب مشكلة حالات السطح : الفخاخ على سطح أشباه الموصلات التي تحافظ على ثبات الإلكترونات. في غياب التخميد السطحي ، لم يتمكنوا إلا من بناء ترانزستورات BJT والثايرستور .

في عام 1955، قام كارل فروش ولينكولن ديريك عن طريق الخطأ بتنمية طبقة من ثاني أكسيد السيليكون فوق رقاقة السيليكون، حيث لاحظا تأثيرات التخميد السطحي. ^{[4] [5]} بحلول عام 1957، تمكن فروش وديريك، باستخدام الإخفاء والترسيب المسبق، من تصنيع ترانزستورات تأثير المجال من ثاني أكسيد السيليكون؛ أول ترانزستورات مستوية، حيث كان الصرف والمصدر متجاورين على نفس السطح. ^[6] أظهرا أن ثاني أكسيد السيليكون يعزل ويحمي رقائق السيليكون ويمنع الشوائب من الانتشار في الرقاقة. ^{[4] [7]} في مختبرات بيل، تم إدراك أهمية تقنية فروش وديريك والترانزستورات على الفور. تم تداول نتائج عملهم في مختبرات بيل في شكل مذكرات BTL قبل نشرها في عام 1957. في شركة Shockley Semiconductor ، قام Shockley بتوزيع النسخة الأولية من مقالهم في ديسمبر 1956 على جميع كبار موظفيه، بما في ذلك جان هورني ، ^{[8] [9] [10] [11]} الذي اخترع لاحقًا العملية المستوية في عام 1959 أثناء عمله في شركة Fairchild Semiconductor . ^{[12] [13]}

بعد ذلك، درس جيه آر ليجينزا و دبليو جي سبيتزر آلية الأكاسيد المزروعة حرارياً، وصنعوا مجموعة عالية الجودة من Si/ _SiO2 ونشروا نتائجهم في عام 1960. ^{[15] [16] [17]} وبعد هذا البحث، اقترح محمد عطا الله وداوون كانج ترانزستور MOS السيليكوني في عام 1959 ^[18] وأظهروا بنجاح جهاز MOS يعمل مع فريق مختبرات بيل الخاص بهم في عام 1960. ^{[19] [20]} وشمل فريقهم إي إي لاباتي وإي آي بوفيلونيس اللذان صنعا الجهاز؛ وإم أو ثورستون، وإيه إل داسارو، وجيه آر ليجينزا الذين طوروا عمليات الانتشار، وإتش كيه جوميل، وإر ليندنر اللذان وصفا الجهاز. ^{[21] [22]} كان هذا تتويجًا لعقود من أبحاث تأثير المجال التي بدأت مع ليلينفيلد.

كان أول ترانزستور MOS في مختبرات بيل أبطأ بحوالي 100 مرة من الترانزستورات ثنائية القطب المعاصرة وكان يُنظر إليه في البداية على أنه أدنى. ومع ذلك، أشار كانج إلى العديد من مزايا الجهاز، ولا سيما سهولة التصنيع وتطبيقه في الدوائر المتكاملة . ^[23]

عادةً ما يكون أشباه الموصلات المختارة هي السيليكون . يستخدم بعض مصنعي الرقائق، وأبرزهم IBM و Intel ، سبيكة من السيليكون والجرمانيوم ( SiGe ) في قنوات MOSFET. ^{[ بحاجة لمصدر ]} لا تشكل العديد من أشباه الموصلات ذات الخصائص الكهربائية الأفضل من السيليكون، مثل زرنيخيد الجاليوم ، واجهات جيدة بين أشباه الموصلات والعوازل، وبالتالي فهي غير مناسبة لـ MOSFETs. يستمر البحث في إنشاء عوازل ذات خصائص كهربائية مقبولة على مواد أشباه الموصلات الأخرى.

للتغلب على زيادة استهلاك الطاقة بسبب تسرب تيار البوابة، يتم استخدام عازل عالي κ بدلاً من ثاني أكسيد السيليكون لعازل البوابة، بينما يتم استبدال البولي سيليكون ببوابات معدنية (على سبيل المثال Intel ، 2009). ^[24]

يتم فصل البوابة عن القناة بواسطة طبقة عازلة رقيقة، تتكون تقليديًا من ثاني أكسيد السيليكون وفيما بعد من أكسينيتريد السيليكون . تستخدم بعض الشركات مزيجًا من العازل الكهربائي عالي κ والبوابة المعدنية في العقدة التي يبلغ طولها 45 نانومترًا .

عندما يتم تطبيق جهد كهربائي بين البوابة والمصدر، يخترق المجال الكهربائي الناتج الأكسيد ويخلق طبقة أو قناة عكسية عند واجهة أشباه الموصلات والعازل. توفر طبقة العكس قناة يمكن للتيار من خلالها المرور بين أطراف المصدر والصرف. يؤدي تغيير الجهد الكهربائي بين البوابة والجسم إلى تعديل توصيل هذه الطبقة وبالتالي التحكم في تدفق التيار بين الصرف والمصدر. يُعرف هذا باسم وضع التحسين.

يتم الحصول على بنية أشباه الموصلات المعدنية والأكسيدية التقليدية (MOS) عن طريق تنمية طبقة من ثاني أكسيد السيليكون ( SiO2)
₂) فوق ركيزة السيليكون، عادة عن طريق الأكسدة الحرارية وترسيب طبقة من المعدن أو السيليكون متعدد البلورات (يستخدم الأخير عادة). نظرًا لأن ثاني أكسيد السيليكون مادة عازلة ، فإن بنيته تعادل مكثفًا مستويًا ، مع استبدال أحد الأقطاب الكهربائية بأشباه الموصلات.

عندما يتم تطبيق جهد عبر بنية MOS، فإنه يعدل توزيع الشحنات في أشباه الموصلات. إذا أخذنا في الاعتبار أشباه الموصلات من النوع p (حيث N _A هي كثافة المستقبلات ، وp هي كثافة الثقوب؛ p = N _A في الكتلة المحايدة)، فإن الجهد الموجب، VG _، من البوابة إلى الجسم (انظر الشكل) يخلق طبقة استنزاف عن طريق إجبار الثقوب المشحونة إيجابيا بعيدًا عن واجهة البوابة/العازل/أشباه الموصلات، مما يترك منطقة خالية من الناقل من الأيونات المستقبلة المشحونة سلبًا وغير المتحركة (انظر _{التنشيط). إذا كان VG} مرتفعًا بدرجة كافية ، يتشكل تركيز عالٍ من حاملات الشحنة السالبة في طبقة عكسية تقع في طبقة رقيقة بجوار الواجهة بين أشباه الموصلات والعازل.

تقليديًا، يُطلق على جهد البوابة الذي تكون عنده كثافة حجم الإلكترونات في طبقة الانعكاس مساوية لكثافة حجم الثقوب في الجسم اسم جهد العتبة . عندما يتجاوز الجهد بين بوابة الترانزستور والمصدر ( V _G ) جهد العتبة ( V _th )، يُعرف الفرق باسم جهد التشغيل الزائد .

هذا الهيكل ذو الجسم من النوع p هو أساس MOSFET من النوع n، والذي يتطلب إضافة مناطق مصدر وتصريف من النوع n.

لا يستشهد هذا القسم بأي مصادر . يرجى المساعدة في تحسين هذا القسم من خلال إضافة الاستشهادات إلى مصادر موثوقة . قد يتم الطعن في المواد غير الموثقة وإزالتها . ( يناير 2019 ) ( تعرف على كيفية ومتى تزيل هذه الرسالة )

إن بنية مكثف MOS هي قلب MOSFET. لنفترض أن مكثف MOS حيث تكون القاعدة السليكونية من النوع p. إذا تم تطبيق جهد موجب على البوابة، فإن الثقوب الموجودة على سطح الركيزة من النوع p سوف تتنافر مع المجال الكهربائي الناتج عن الجهد المطبق. في البداية، سوف تتنافر الثقوب ببساطة وما سيبقى على السطح سيكون ذرات غير متحركة (سلبية) من النوع المستقبل، مما يخلق منطقة استنزاف على السطح. يتم إنشاء الثقب بواسطة ذرة مستقبلة، على سبيل المثال، البورون، والتي تحتوي على إلكترون أقل من ذرة السليكون. لا يتم تنافر الثقوب في الواقع، كونها كيانات غير موجودة؛ حيث تنجذب الإلكترونات بواسطة المجال الموجب، وتملأ هذه الثقوب. وهذا يخلق منطقة استنزاف حيث لا توجد حاملات شحنة لأن الإلكترون الآن ثابت على الذرة وغير متحرك.

مع زيادة الجهد عند البوابة، ستكون هناك نقطة يتحول عندها السطح فوق منطقة الاستنفاد من النوع p إلى النوع n، حيث تبدأ الإلكترونات من المنطقة السائبة في الانجذاب إلى المجال الكهربائي الأكبر. يُعرف هذا باسم الانعكاس . يعد جهد العتبة الذي يحدث عنده هذا التحويل أحد أهم المعلمات في MOSFET.

في حالة MOSFET من النوع p، يحدث الانعكاس الشامل عندما يصبح مستوى الطاقة الجوهرية عند السطح أصغر من مستوى فيرمي عند السطح. يمكن رؤية ذلك على مخطط النطاق. يحدد مستوى فيرمي نوع أشباه الموصلات قيد المناقشة. إذا كان مستوى فيرمي مساويًا للمستوى الجوهري، فإن أشباه الموصلات من النوع الجوهري أو النقي. إذا كان مستوى فيرمي أقرب إلى نطاق التوصيل (نطاق التكافؤ)، فسيكون نوع أشباه الموصلات من النوع n (النوع p).

عندما يتم زيادة جهد البوابة بمعنى موجب (للمثال المعطى)، ^{[ وضح ]} سيؤدي هذا إلى تحويل نطاق مستوى الطاقة الجوهرية بحيث ينحني لأسفل باتجاه نطاق التكافؤ. إذا كان مستوى فيرمي أقرب إلى نطاق التكافؤ (للنوع p)، فستكون هناك نقطة يبدأ فيها المستوى الجوهري في عبور مستوى فيرمي وعندما يصل الجهد إلى جهد العتبة، فإن المستوى الجوهري يعبر مستوى فيرمي، وهذا ما يُعرف بالانعكاس. عند هذه النقطة، يتم عكس سطح أشباه الموصلات من النوع p إلى النوع n.

إذا كان مستوى فيرمي يقع فوق المستوى الجوهري، فإن أشباه الموصلات تكون من النوع n، وبالتالي، عند الانعكاس، عندما يصل المستوى الجوهري إلى مستوى فيرمي (الذي يقع أقرب إلى نطاق التكافؤ) ويعبره، يتغير نوع أشباه الموصلات على السطح وفقًا لما تمليه المواضع النسبية لمستويات الطاقة فيرمي والجوهرية.

يعتمد MOSFET على تعديل تركيز الشحنة بواسطة سعة MOS بين قطب كهربائي في الجسم وقطب كهربائي في البوابة يقع فوق الجسم ومعزول عن جميع مناطق الجهاز الأخرى بواسطة طبقة عازلة للبوابة. إذا تم استخدام عوازل غير أكسيد، فقد يُشار إلى الجهاز باسم FET معدني-عازل-شبه موصل (MISFET). بالمقارنة مع مكثف MOS، يتضمن MOSFET طرفين إضافيين ( مصدر ومصرف ) ، كل منهما متصل بمناطق فردية مشوبة للغاية تفصلها منطقة الجسم. يمكن أن تكون هذه المناطق من النوع p أو n، ولكن يجب أن تكون كلاهما من نفس النوع، ومن النوع المعاكس لمنطقة الجسم. يكون المصدر والمصرف (على عكس الجسم) مشوبين للغاية كما هو موضح بعلامة "+" بعد نوع التشويب.

إذا كان MOSFET عبارة عن قناة n أو nMOS FET، فإن المصدر والمصرف عبارة عن مناطق n+ والجسم عبارة عن منطقة p . إذا كان MOSFET عبارة عن قناة p أو pMOS FET، فإن المصدر والمصرف عبارة عن مناطق p+ والجسم عبارة عن منطقة n . يُسمى المصدر بهذا الاسم لأنه مصدر حاملات الشحنة (الإلكترونات للقناة n والثقوب للقناة p) التي تتدفق عبر القناة؛ وبالمثل، يكون المصرف هو المكان الذي تغادر فيه حاملات الشحنة القناة.

يتم تحديد إشغال نطاقات الطاقة في أشباه الموصلات من خلال موضع مستوى فيرمي بالنسبة لحواف نطاقات الطاقة في أشباه الموصلات.

مع وجود جهد بوابة كافٍ، يتم دفع حافة نطاق التكافؤ بعيدًا عن مستوى فيرمي، ويتم دفع الثقوب الموجودة في الجسم بعيدًا عن البوابة.

عند انحياز بوابة أكبر، بالقرب من سطح أشباه الموصلات، يتم تقريب حافة نطاق التوصيل إلى مستوى فيرمي، مما يملأ السطح بالإلكترونات في طبقة عكسية أو قناة n عند الواجهة بين منطقة p والأكسيد. تمتد هذه القناة الموصلة بين المصدر والمصرف، ويتم توصيل التيار من خلالها عند تطبيق جهد بين القطبين. يؤدي زيادة الجهد على البوابة إلى كثافة إلكترونات أعلى في طبقة العكس وبالتالي يزيد من تدفق التيار بين المصدر والمصرف. بالنسبة لجهد البوابة أقل من قيمة العتبة، تكون القناة مأهولة بشكل خفيف، ولا يمكن أن يتدفق سوى تيار تسرب صغير جدًا دون العتبة بين المصدر والمصرف.

عندما يتم تطبيق جهد بوابة-مصدر سلبي (مصدر-بوابة موجبة)، فإنه ينشئ قناة-p على سطح المنطقة n، على غرار حالة القناة-n، ولكن مع أقطاب متعاكسة للشحنات والجهد. عندما يتم تطبيق جهد أقل سلبية من قيمة العتبة (جهد سلبي للقناة-p) بين البوابة والمصدر، تختفي القناة ويمكن فقط لتيار دون العتبة صغير جدًا أن يتدفق بين المصدر والصرف. قد يشتمل الجهاز على جهاز سيليكون على عازل حيث يتم تشكيل أكسيد مدفون أسفل طبقة أشباه الموصلات الرقيقة. إذا كانت منطقة القناة بين العازل الكهربائي للبوابة ومنطقة الأكسيد المدفونة رقيقة جدًا، يشار إلى القناة باسم منطقة قناة فائقة الرقة مع تشكيل منطقتي المصدر والصرف على أي من الجانبين في أو فوق طبقة أشباه الموصلات الرقيقة. يمكن استخدام مواد أشباه الموصلات الأخرى. عندما يتم تشكيل منطقتي المصدر والصرف فوق القناة بالكامل أو جزئيًا، يشار إليها باسم مناطق المصدر/الصرف المرتفعة.

مقارنة بين MOSFETs من النوع n و p ^[25]

المعلمة		نانوموسفيت	بموسفت
نوع المصدر/الصرف		نوع-n	نوع-p
نوع القناة (مكثف MOS)		نوع-n	نوع-p
بوابة يكتب	البولي سيليكون	ن+	ص+
	معدن	φm ~ نطاق توصيل السيليكون	φ م ~ نطاق التكافؤ Si
نوع البئر		نوع-p	نوع-n
جهد العتبة ، فولت		إيجابي (تعزيز) سلبي (استنزاف)	سلبي (تعزيز) إيجابي (استنزاف)
ثني الشريط		إلى الأسفل	إلى الأعلى
حاملات طبقة الانعكاس		الالكترونات	ثقوب
نوع الركيزة		نوع-p	نوع-n

يمكن تقسيم تشغيل MOSFET إلى ثلاثة أوضاع مختلفة، اعتمادًا على الفولتات عند الأطراف. في المناقشة التالية، يتم استخدام نموذج جبري مبسط. ^[27] خصائص MOSFET الحديثة أكثر تعقيدًا من النموذج الجبري المقدم هنا. ^[28]

بالنسبة لوضع التحسين، MOSFET ذو القناة n ، فإن أوضاع التشغيل الثلاثة هي:

عندما يكون V _GS < V _th :

حيث هو تحيز البوابة إلى المصدر و هو جهد العتبة للجهاز. ${\displaystyle V_{\text{GS}}}$${\displaystyle V_{\text{th}}}$

وفقًا لنموذج العتبة الأساسي، يتم إيقاف تشغيل الترانزستور، ولا يوجد توصيل بين المصرف والمصدر. يأخذ نموذج أكثر دقة في الاعتبار تأثير الطاقة الحرارية على توزيع فيرمي-ديراك لطاقات الإلكترونات التي تسمح لبعض الإلكترونات الأكثر نشاطًا في المصدر بالدخول إلى القناة والتدفق إلى المصرف. يؤدي هذا إلى تيار دون العتبة وهو دالة أسيّة لجهد البوابة والمصدر. في حين يجب أن يكون التيار بين المصرف والمصدر صفرًا بشكل مثالي عند استخدام الترانزستور كمفتاح إيقاف تشغيل، يوجد تيار انعكاس ضعيف، يُطلق عليه أحيانًا تسرب دون العتبة.

في الانعكاس الضعيف حيث يكون المصدر مرتبطًا بالكتلة، يتغير التيار بشكل كبير كما هو موضح تقريبًا بواسطة: ^{[29] [30]}${\displaystyle V_{\text{GS}}}$

$${\displaystyle I_{\text{D}}\approx I_{\text{D0}}e^{\frac {V_{\text{GS}}-V_{\text{th}}}{nV_{\text{T}}}},}$$

حيث = التيار عند ، الجهد الحراري وعامل المنحدر n يعطى بواسطة: ${\displaystyle I_{\text{D0}}}$${\displaystyle V_{\text{GS}}=V_{\text{th}}}$${\displaystyle V_{\text{T}}=kT/q}$

$${\displaystyle n=1+{\frac {C_{\text{dep}}}{C_{\text{ox}}}},}$$

مع = سعة طبقة الاستنزاف و = سعة طبقة الأكسيد. تُستخدم هذه المعادلة عمومًا، لكنها تقريب مناسب فقط للمصدر المرتبط بالكتلة. بالنسبة للمصدر غير المرتبط بالكتلة، تكون معادلة دون العتبة لتيار الاستنزاف في التشبع هي ^{[31] [32]}${\displaystyle C_{\text{dep}}}$${\displaystyle C_{\text{ثور}}}$

$${\displaystyle I_{\text{D}}\approx I_{\text{D0}}e^{\frac {V_{\text{G}}-V_{\text{th}}}{nV_{\text{T}}}}e^{-{\frac {V_{\text{S}}}{V_{\text{T}}}}}.}$$

في جهاز ذي قناة طويلة، لا يوجد اعتماد على جهد التصريف للتيار مرة واحدة ، ولكن مع تقليل طول القناة ، يؤدي خفض الحاجز الناتج عن التصريف إلى اعتماد جهد التصريف الذي يعتمد بطريقة معقدة على هندسة الجهاز (على سبيل المثال، تشويب القناة، تشويب الوصلة وما إلى ذلك). غالبًا ما يتم تعريف جهد العتبة V _th لهذا الوضع على أنه جهد البوابة الذي تحدث عنده قيمة محددة للتيار I _D0 ، على سبيل المثال، I _D0 = 1 μA، والتي قد لا تكون نفس قيمة V _th المستخدمة في المعادلات للأوضاع التالية. ${\displaystyle V_{\text{DS}}\gg V_{\text{T}}}$ 

تم تصميم بعض الدوائر التناظرية للطاقة الدقيقة للاستفادة من التوصيل دون العتبة. ^{[33] [34] [35]} من خلال العمل في منطقة الانعكاس الضعيف، توفر ترانزستورات MOSFET في هذه الدوائر أعلى نسبة ممكنة من التوصيل إلى التيار، وهي: ، تقريبًا مثل الترانزستور ثنائي القطب. ^[36]${\displaystyle g_{m}/I_{\text{D}}=1/\left(nV_{\text{T}}\right)}$

يعتمد منحنى I–V دون العتبة بشكل كبير على جهد العتبة، مما يؤدي إلى اعتماد قوي على أي اختلاف في التصنيع يؤثر على جهد العتبة؛ على سبيل المثال: الاختلافات في سمك الأكسيد، أو عمق الوصلة، أو تشوهات الجسم التي تغير درجة خفض الحاجز الناتج عن التصريف. إن الحساسية الناتجة عن الاختلافات التصنيعية تعقد عملية التحسين للتسرب والأداء. ^{[37] [38]}

عندما يكون V _GS > V _th و V _DS < V _GS  − V _th :

يتم تشغيل الترانزستور، ويتم إنشاء قناة تسمح بمرور التيار بين المصرف والمصدر. يعمل MOSFET مثل المقاوم، ويتم التحكم فيه بواسطة جهد البوابة بالنسبة لكل من جهدي المصدر والمصرف. يتم نمذجة التيار من المصرف إلى المصدر على النحو التالي:

$${\displaystyle I_{\text{D}}=\mu _{n}C_{\text{ox}}{\frac {W}{L}}\left(\left(V_{\text{GS}}-V_{\rm {th}}\right)V_{\text{DS}}-{\frac {{V_{\text{DS}}}^{2}}{2}}\right)}$$

حيث تكون الحركة الفعالة لحامل الشحنة، و عرض البوابة، و طول البوابة و سعة أكسيد البوابة لكل وحدة مساحة. الانتقال من منطقة العتبة الفرعية الأسية إلى منطقة الثلاثي ليس حادًا كما تشير المعادلات. ^{[39] [40] [ مطلوب التحقق ]}${\displaystyle \mu _{n}}$${\displaystyle W}$${\displaystyle L}$${\displaystyle C_{\text{ثور}}}$

عندما يكون V _GS > V _th و V _DS ≥ (V _GS  – V _th ):

يتم تشغيل المفتاح، ويتم إنشاء قناة تسمح بمرور التيار بين المصرف والمصدر. ونظرًا لأن جهد المصرف أعلى من جهد المصدر، فإن الإلكترونات تنتشر، ولا يتم التوصيل من خلال قناة ضيقة ولكن من خلال توزيع تيار أوسع ثنائي أو ثلاثي الأبعاد يمتد بعيدًا عن الواجهة وأعمق في الركيزة. تُعرف بداية هذه المنطقة أيضًا باسم pinch-off للإشارة إلى عدم وجود منطقة قناة بالقرب من المصرف. وعلى الرغم من أن القناة لا تمتد بطول الجهاز بالكامل، فإن المجال الكهربائي بين المصرف والقناة مرتفع للغاية، ويستمر التوصيل. يعتمد تيار المصرف الآن بشكل ضعيف على جهد المصرف ويتم التحكم فيه في المقام الأول بواسطة جهد البوابة والمصدر، ويتم نمذجته تقريبًا على النحو التالي:

$${\displaystyle I_{\text{D}}={\frac {\mu _{n}C_{\text{ox}}}{2}}{\frac {W}{L}}\left[V_{\text{GS}}-V_{\text{th}}\right]^{2}\left[1+\lambda V_{\text{DS}}\right].}$$

العامل الإضافي الذي يتضمن λ، معامل تعديل طول القناة، يصمم اعتماد التيار على جهد الصرف بسبب التأثير المبكر ، أو تعديل طول القناة . وفقًا لهذه المعادلة، وهي معامل تصميم رئيسي، تكون الموصلية الترانزستورية لـ MOSFET:

$${\displaystyle g_{m}={\frac {\partial I_{D}}{\partial V_{\text{GS}}}}={\frac {2I_{\text{D}}}{V_{\text{GS}}-V_{\text{th}}}}={\frac {2I_{\text{D}}}{V_{\text{ov}}}},}$$

حيث تسمى التركيبة V _ov = V _GS  − V _th بجهد التشغيل الزائد ، ^[41] وحيث V _DSsat = V _GS  − V _th تمثل انقطاعًا صغيرًا كان ليظهر بخلاف ذلك عند الانتقال بين منطقة الثلاثي ومنطقة التشبع. ${\displaystyle I_{\text{D}}}$

معلمة تصميم رئيسية أخرى هي مقاومة خرج MOSFET r _out المعطاة بواسطة:

$${\displaystyle r_{\text{out}}={\frac {1}{\lambda I_{\text{D}}}}}$$.

r _out هو معكوس g _DS حيث . I _D هو التعبير في منطقة التشبع. ${\displaystyle g_{\text{DS}}={\frac {\partial I_{\text{DS}}}{\partial V_{\text{DS}}}}}$

إذا تم اعتبار λ صفرًا، فستكون النتيجة مقاومة خرج لا نهائية للجهاز مما يؤدي إلى تنبؤات دائرة غير واقعية، وخاصة في الدوائر التناظرية.

مع قِصر طول القناة، تصبح هذه المعادلات غير دقيقة تمامًا. تنشأ تأثيرات فيزيائية جديدة. على سبيل المثال، قد يصبح نقل الناقل في الوضع النشط محدودًا بتشبع السرعة . عندما يهيمن تشبع السرعة، يكون تيار تصريف التشبع أقرب إلى الخطي منه إلى التربيعي في V _GS . عند أطوال أقصر، تنقل الناقلات بتشتت قريب من الصفر، يُعرف باسم النقل شبه البالستي . في النظام البالستي، تنتقل الناقلات بسرعة حقن قد تتجاوز سرعة التشبع وتقترب من سرعة فيرمي عند كثافة شحنة عكسية عالية. بالإضافة إلى ذلك، يؤدي خفض الحاجز الناتج عن التصريف إلى زيادة تيار إيقاف التشغيل (القطع) ويتطلب زيادة في جهد العتبة للتعويض، مما يقلل بدوره من تيار التشبع. ^{[42] [43] [ التحقق مطلوب ]}

يتم تحديد شغل نطاقات الطاقة في أشباه الموصلات من خلال موضع مستوى فيرمي بالنسبة لحواف نطاق طاقة أشباه الموصلات. يؤدي تطبيق تحيز عكسي من المصدر إلى الركيزة لوصلة pn بين المصدر والجسم إلى حدوث انقسام بين مستويات فيرمي للإلكترونات والثقوب، مما يحرك مستوى فيرمي للقناة بعيدًا عن حافة النطاق، مما يقلل من شغل القناة. ويتمثل التأثير في زيادة جهد البوابة اللازم لإنشاء القناة، كما هو موضح في الشكل. يُطلق على هذا التغيير في قوة القناة من خلال تطبيق تحيز عكسي "تأثير الجسم".

باستخدام مثال nMOS، يعمل تحيز البوابة إلى الجسم V _GB على تحديد موضع مستويات طاقة نطاق التوصيل، بينما يعمل تحيز المصدر إلى الجسم V _SB على تحديد موضع مستوى فيرمي للإلكترون بالقرب من الواجهة، مما يحدد إشغال هذه المستويات بالقرب من الواجهة، وبالتالي قوة طبقة الانعكاس أو القناة.

يمكن وصف تأثير الجسم على القناة باستخدام تعديل جهد العتبة، والذي يتم تقريبه بالمعادلة التالية:

${\displaystyle V_{\text{TB}}=V_{T0}+\gamma \left({\sqrt {V_{\text{SB}}+2\varphi _{B}}}-{\sqrt {2\varphi _{B}}}\right),}$

حيث V _TB هو جهد العتبة مع وجود تحيز الركيزة، و V _T0 هي قيمة صفر- V _SB لجهد العتبة، هي معامل تأثير الجسم، و2 φ _B هو الانخفاض المحتمل التقريبي بين السطح والكتلة عبر طبقة الاستنفاد عندما V _SB = 0 ويكون تحيز البوابة كافيًا لضمان وجود قناة. ^[44] وكما توضح هذه المعادلة، فإن التحيز العكسي V _SB > 0 يسبب زيادة في جهد العتبة V _TB وبالتالي يتطلب جهد بوابة أكبر قبل ملء القناة. ${\displaystyle \gamma }$

يمكن تشغيل الجسم كبوابة ثانية، ويشار إليه أحيانًا باسم "البوابة الخلفية"؛ ويطلق على تأثير الجسم أحيانًا اسم "تأثير البوابة الخلفية". ^[45]

تُستخدم مجموعة متنوعة من الرموز في MOSFET. التصميم الأساسي هو عمومًا خط للقناة مع خروج المصدر والصرف منها بزاوية قائمة ثم الانحناء للخلف بزاوية قائمة في نفس اتجاه القناة. في بعض الأحيان، تُستخدم ثلاثة أجزاء خطية لوضع التعزيز وخط متصل لوضع الاستنفاد (انظر وضعي الاستنفاد والتعزيز ). يتم رسم خط آخر موازٍ للقناة للبوابة.

إذا تم عرض توصيل الكتلة أو الجسم ، فإنه يظهر متصلاً بالجزء الخلفي من القناة بسهم يشير إلى pMOS أو nMOS. تشير الأسهم دائمًا من P إلى N، لذا فإن NMOS (قناة N في بئر P أو ركيزة P) لها سهم يشير إلى الداخل (من الكتلة إلى القناة). إذا تم توصيل الكتلة بالمصدر (كما هو الحال عمومًا مع الأجهزة المنفصلة)، فإنها تكون أحيانًا بزاوية لتلتقي بالمصدر الذي يترك الترانزستور. إذا لم يتم عرض الكتلة (كما هو الحال غالبًا في تصميم IC لأنها كتلة شائعة عمومًا)، يتم استخدام رمز عكس أحيانًا للإشارة إلى PMOS، أو بدلاً من ذلك يمكن استخدام سهم على المصدر بنفس الطريقة كما هو الحال بالنسبة للترانزستورات ثنائية القطب (خارج لـ nMOS، داخل لـ pMOS).

مقارنة بين رموز MOSFET في وضع التعزيز ووضع الاستنزاف، إلى جانب رموز JFET . إن اتجاه الرموز (وخاصة موضع المصدر بالنسبة للاستنزاف) هو بحيث تظهر الفولتات الأكثر إيجابية أعلى على الصفحة من الفولتات الأقل إيجابية، مما يعني أن التيار التقليدي يتدفق "لأسفل" الصفحة: ^{[46] [47] [48]}

قناة P
قناة N
	جفت	MOSFET محسن.	MOSFET enh. (بدون كتلة)		قسم MOSFET

في المخططات التي لا يتم فيها وضع علامات على G وS وD، تشير السمات التفصيلية للرمز إلى الطرف الذي يمثل المصدر والطرف الذي يمثل الصرف. بالنسبة لرموز MOSFET في وضع التعزيز ووضع الاستنزاف (في العمودين الثاني والخامس)، يكون الطرف المصدر هو الطرف المتصل بالمثلث. بالإضافة إلى ذلك، في هذا الرسم التخطيطي، تظهر البوابة على شكل "L"، حيث يكون ساق الإدخال أقرب إلى S من D، مما يشير أيضًا إلى أيهما أي. ومع ذلك، غالبًا ما يتم رسم هذه الرموز ببوابة على شكل حرف T (كما هو الحال في أي مكان آخر في هذه الصفحة)، لذا فإن المثلث هو الذي يجب الاعتماد عليه للإشارة إلى الطرف المصدر.

بالنسبة للرموز التي يظهر فيها الطرف الطرفي الشامل أو الجسمي، فإنه يظهر هنا متصلاً داخليًا بالمصدر (أي المثلثات السوداء في المخططات في العمودين 2 و5). هذا تكوين نموذجي، ولكنه ليس التكوين المهم الوحيد بأي حال من الأحوال. بشكل عام، يعد MOSFET جهازًا بأربعة أطراف، وفي الدوائر المتكاملة تشترك العديد من MOSFETs في اتصال الجسم، وليس بالضرورة متصلاً بأطراف المصدر لجميع الترانزستورات.

تحتوي الدوائر المتكاملة الرقمية مثل المعالجات الدقيقة وأجهزة الذاكرة على آلاف إلى مليارات من ترانزستورات MOSFET المتكاملة على كل جهاز، مما يوفر وظائف التبديل الأساسية المطلوبة لتنفيذ بوابات المنطق وتخزين البيانات . تُستخدم الأجهزة المنفصلة على نطاق واسع في تطبيقات مثل إمدادات الطاقة في وضع التبديل ومحركات التردد المتغير وتطبيقات الإلكترونيات الكهربائية الأخرى حيث قد يقوم كل جهاز بتبديل آلاف الواط. تستخدم مكبرات التردد اللاسلكي حتى طيف UHF ترانزستورات MOSFET كمكبرات إشارة وقوة تناظرية. تستخدم أنظمة الراديو أيضًا ترانزستورات MOSFET كمذبذبات أو خلاطات لتحويل الترددات. تُستخدم أجهزة MOSFET أيضًا في مكبرات الطاقة ذات التردد الصوتي لأنظمة العناوين العامة وتعزيز الصوت وأنظمة الصوت المنزلية والسيارات ^{[ بحاجة لمصدر ]}

بعد تطوير الغرف النظيفة لتقليل التلوث إلى مستويات لم يكن من المتصور ضرورة لها من قبل، والطباعة الضوئية ^[49] والعملية المستوية للسماح بصنع الدوائر في خطوات قليلة جدًا، امتلك نظام Si–SiO ₂ عوامل الجذب الفنية المتمثلة في انخفاض تكلفة الإنتاج (على أساس كل دائرة) وسهولة التكامل. وبسبب هذين العاملين إلى حد كبير، أصبح MOSFET النوع الأكثر استخدامًا من الترانزستورات في مؤسسة الهندسة والتكنولوجيا (IET). ^{[ بحاجة لمصدر ]}

قدمت شركة جنرال ميكروإلكترونيكس أول دائرة متكاملة تجارية من MOSFET في عام 1964. ^[50] بالإضافة إلى ذلك، فإن طريقة ربط اثنين من MOSFETs التكميلية (قناة P وقناة N) في مفتاح واحد مرتفع/منخفض، يُعرف باسم CMOS، تعني أن الدوائر الرقمية تبدد قدرًا ضئيلًا جدًا من الطاقة إلا عند التبديل الفعلي.

كانت أقدم المعالجات الدقيقة التي بدأت في عام 1970 كلها معالجات دقيقة من نوع MOS ؛ أي أنها كانت مصنوعة بالكامل من منطق PMOS أو مصنوعة بالكامل من منطق NMOS . في سبعينيات القرن العشرين، غالبًا ما كانت تتم مقارنة معالجات MOS الدقيقة بمعالجات CMOS الدقيقة ومعالجات شريحة البت ثنائية القطب . ^[51]

يستخدم MOSFET في منطق أشباه الموصلات المعدنية التكميلية الرقمية ( CMOS )، ^[52] والذي يستخدم MOSFETs ذات القناة p وn ككتل بناء. يعتبر ارتفاع درجة الحرارة مصدر قلق كبير في الدوائر المتكاملة حيث يتم تعبئة المزيد والمزيد من الترانزستورات في شرائح أصغر حجمًا. يقلل منطق CMOS من استهلاك الطاقة لأنه لا يتدفق أي تيار (بشكل مثالي)، وبالتالي لا يتم استهلاك أي طاقة ، إلا عند تبديل مدخلات بوابات المنطق . يحقق CMOS هذا التخفيض الحالي عن طريق استكمال كل nMOSFET بـ pMOSFET وتوصيل كلتا البوابتين وكلا المصرفين معًا. سيؤدي الجهد العالي على البوابات إلى توصيل nMOSFET وعدم توصيل pMOSFET ويؤدي الجهد المنخفض على البوابات إلى العكس. أثناء وقت التبديل حيث ينتقل الجهد من حالة إلى أخرى، سيعمل كلا MOSFET لفترة وجيزة. يقلل هذا الترتيب بشكل كبير من استهلاك الطاقة وتوليد الحرارة.

لقد وفر نمو التقنيات الرقمية مثل المعالج الدقيق الدافع لتطوير تقنية MOSFET بشكل أسرع من أي نوع آخر من الترانزستورات القائمة على السيليكون. ^[53] تتمثل إحدى المزايا الكبيرة لـ MOSFETs للتبديل الرقمي في أن طبقة الأكسيد بين البوابة والقناة تمنع تدفق التيار المستمر عبر البوابة، مما يقلل بشكل أكبر من استهلاك الطاقة ويعطي معاوقة إدخال كبيرة جدًا. يعزل الأكسيد العازل بين البوابة والقناة بشكل فعال MOSFET في مرحلة منطقية واحدة عن المراحل السابقة واللاحقة، مما يسمح لمخرج MOSFET واحد بقيادة عدد كبير من مدخلات MOSFET. لا يتمتع المنطق القائم على الترانزستور ثنائي القطب (مثل TTL ) بمثل هذه السعة العالية للمروحة. يسهل هذا العزل أيضًا على المصممين تجاهل تأثيرات التحميل بين المراحل المنطقية بشكل مستقل إلى حد ما. يتم تحديد هذا المدى من خلال تردد التشغيل: مع زيادة الترددات، تقل معاوقة إدخال MOSFETs.

لا تترجم مزايا MOSFET في الدوائر الرقمية إلى تفوق في جميع الدوائر التناظرية . يعتمد النوعان من الدوائر على ميزات مختلفة لسلوك الترانزستور. تتحول الدوائر الرقمية، وتقضي معظم وقتها إما في وضع التشغيل الكامل أو الإيقاف الكامل. الانتقال من أحدهما إلى الآخر لا يثير القلق إلا فيما يتعلق بالسرعة والشحنة المطلوبة. تعتمد الدوائر التناظرية على التشغيل في منطقة الانتقال حيث يمكن للتغييرات الصغيرة في V _gs تعديل تيار الإخراج (الاستنزاف). يُفضل استخدام JFET والترانزستور ثنائي القطب (BJT) للمطابقة الدقيقة (للأجهزة المجاورة في الدوائر المتكاملة)، والموصلية العالية وخصائص درجة الحرارة المحددة التي تبسط الحفاظ على الأداء قابلاً للتنبؤ مع تغير درجة حرارة الدائرة.

ومع ذلك، تُستخدم ترانزستورات MOSFET على نطاق واسع في العديد من أنواع الدوائر التناظرية نظرًا لمزاياها الخاصة (تيار البوابة الصفري، ومقاومة الخرج العالية القابلة للتعديل والمتانة المحسنة مقابل ترانزستورات BJT التي يمكن أن تتدهور بشكل دائم حتى عن طريق كسر قاعدة الباعث بشكل خفيف). ^{[ غامض ]} يمكن زيادة أو تقليل خصائص وأداء العديد من الدوائر التناظرية عن طريق تغيير أحجام (الطول والعرض) ترانزستورات MOSFET المستخدمة. بالمقارنة، في الترانزستورات ثنائية القطب تتبع قانونًا مختلفًا للقياس . تجعل خصائص ترانزستورات MOSFET المثالية فيما يتعلق بتيار البوابة (صفر) وجهد إزاحة مصدر الصرف (صفر) منها أيضًا عناصر تبديل مثالية تقريبًا، وتجعل أيضًا الدوائر التناظرية للمكثفات المبدلة عملية. في منطقتها الخطية، يمكن استخدام ترانزستورات MOSFET كمقاومات دقيقة، والتي يمكن أن يكون لها مقاومة محكومة أعلى بكثير من ترانزستورات BJT. في الدوائر عالية القدرة، تتمتع ترانزستورات MOSFET أحيانًا بميزة عدم المعاناة من الانفلات الحراري كما تفعل ترانزستورات BJT. ^{[ مشكوك فيه – ناقش ]} وهذا يعني أنه يمكن تصنيع الدوائر التناظرية الكاملة على شريحة سيليكون في مساحة أصغر بكثير وباستخدام تقنيات تصنيع أبسط. تعد الترانزستورات المعدنية والذرية مناسبة بشكل مثالي لتبديل الأحمال الحثية بسبب تحملها للارتداد الحثي .

تجمع بعض الدوائر المتكاملة بين دوائر MOSFET التناظرية والرقمية على دائرة متكاملة واحدة مختلطة الإشارات ، مما يجعل مساحة اللوحة المطلوبة أصغر. وهذا يخلق الحاجة إلى عزل الدوائر التناظرية عن الدوائر الرقمية على مستوى الشريحة، مما يؤدي إلى استخدام حلقات العزل والسيليكون على العازل (SOI). نظرًا لأن MOSFETs تتطلب مساحة أكبر للتعامل مع كمية معينة من الطاقة مقارنة بـ BJT، يمكن لعمليات التصنيع دمج BJTs و MOSFETs في جهاز واحد. تسمى الأجهزة ذات الترانزستور المختلط bi-FETs (FETs ثنائية القطب) إذا كانت تحتوي على BJT-FET واحد فقط و BiCMOS (bipolar-CMOS) إذا كانت تحتوي على BJT-FETs تكميلية. تتمتع هذه الأجهزة بمزايا كل من البوابات المعزولة وكثافة التيار الأعلى.

This section does not cite any sources. Please help improve this section by adding citations to reliable sources. Unsourced material may be challenged and removed. (September 2016) (Learn how and when to remove this message)

تستخدم مفاتيح MOSFET التناظرية MOSFET لتمرير الإشارات التناظرية عند التشغيل، وكمقاومة عالية عند إيقاف التشغيل. تتدفق الإشارات في كلا الاتجاهين عبر مفتاح MOSFET. في هذا التطبيق، يتم تبادل أماكن الصرف والمصدر في MOSFET اعتمادًا على الفولتية النسبية لأقطاب المصدر والصرف. المصدر هو الجانب الأكثر سلبية بالنسبة لـ N-MOS أو الجانب الأكثر إيجابية بالنسبة لـ P-MOS. كل هذه المفاتيح محدودة فيما يتعلق بالإشارات التي يمكنها تمريرها أو إيقافها من خلال جهد البوابة-المصدر، والبوابة-الصرف، والمصدر-الصرف؛ تجاوز حدود الجهد أو التيار أو الطاقة من المحتمل أن يؤدي إلى إتلاف المفتاح.

يستخدم هذا المفتاح التناظري MOSFET بسيطًا بأربعة أطراف من النوع P أو N.

في حالة مفتاح من النوع n، يتم توصيل الجسم بأكثر مصدر سلبي (عادةً GND) ويتم استخدام البوابة كعنصر تحكم في المفتاح. كلما تجاوز جهد البوابة جهد المصدر بمقدار جهد عتبة على الأقل، فإن MOSFET يوصل. وكلما زاد الجهد، زادت قدرة MOSFET على التوصيل. يمرر مفتاح N-MOS جميع الفولتات الأقل من _بوابة V − V _tn . عندما يكون المفتاح موصلاً، فإنه يعمل عادةً في وضع التشغيل الخطي (أو الأومي)، حيث يكون جهد المصدر والصرف متساويين تقريبًا عادةً.

في حالة P-MOS، يتم توصيل الجسم بأعلى جهد موجب، ويتم إحضار البوابة إلى جهد أقل لتشغيل المفتاح. يمرر مفتاح P-MOS جميع الفولتات الأعلى من _بوابة V − V _tp (يكون جهد العتبة V _tp سالبًا في حالة P-MOS في وضع التحسين).

يستخدم هذا النوع من المفاتيح "المكملة" أو CMOS ترانزستور FET من نوع P-MOS وتراز FET من نوع N-MOS لمقاومة قيود المفتاح أحادي النوع. يتم توصيل مصارف ومصادر ترانزستور FET بالتوازي، حيث يتم توصيل جسم P-MOS بالجهد العالي ( V _DD ) ويتم توصيل جسم N-MOS بالجهد المنخفض ( gnd ). لتشغيل المفتاح، يتم دفع بوابة P-MOS إلى الجهد المنخفض ويتم دفع بوابة N-MOS إلى الجهد العالي. بالنسبة للجهد بين V _DD − V _tn و gnd − V _tp ، يقوم كلا ترانزستور FET بتوصيل الإشارة؛ وبالنسبة للجهد الأقل من gnd − V _tp ، يقوم ترانزستور N-MOS بتوصيل الإشارة بمفرده؛ وبالنسبة للجهد الأكبر من V _DD − V _tn ، يقوم ترانزستور P-MOS بتوصيل الإشارة بمفرده.

حدود الجهد لهذا المفتاح هي حدود جهد البوابة-المصدر والبوابة-الصرف والمصدر-الصرف لكلا FETs. كما أن P-MOS عادة ما يكون أوسع من N-MOS بمقدار مرتين إلى ثلاث مرات، لذا فإن المفتاح سيكون متوازنًا للسرعة في الاتجاهين.

تتضمن الدوائر ثلاثية الحالة في بعض الأحيان مفتاح MOSFET CMOS على خرجها لتوفير خرج منخفض الأوم كامل النطاق عند التشغيل، وإشارة عالية الأوم متوسطة المستوى عند إيقاف التشغيل.

المعيار الأساسي لمادة البوابة هو أنها موصل جيد . يعتبر السيليكون متعدد البلورات المشبع بدرجة عالية موصلًا مقبولًا ولكنه ليس موصلًا مثاليًا بالتأكيد، كما يعاني أيضًا من بعض العيوب الفنية في دوره كمادة بوابة قياسية. ومع ذلك، هناك عدة أسباب تؤيد استخدام السيليكون متعدد البلورات:

1. يتم تعديل جهد العتبة ( وبالتالي استنزاف التيار إلى المصدر) من خلال فرق دالة العمل بين مادة البوابة ومادة القناة. ولأن البولي سيليكون هو أشباه موصلات، يمكن تعديل دالة عمله عن طريق ضبط نوع ومستوى التشويب. وعلاوة على ذلك، ولأن البولي سيليكون له نفس فجوة النطاق مثل قناة السيليكون الأساسية، فمن السهل جدًا ضبط دالة العمل لتحقيق جهد عتبة منخفض لكل من أجهزة NMOS وPMOS. وعلى النقيض من ذلك، لا يتم تعديل وظائف عمل المعادن بسهولة، لذلك يصبح ضبط دالة العمل للحصول على جهد عتبة منخفض (LVT) تحديًا كبيرًا. بالإضافة إلى ذلك، يتطلب الحصول على أجهزة ذات عتبة منخفضة على كل من أجهزة PMOS وNMOS في بعض الأحيان استخدام معادن مختلفة لكل نوع من الأجهزة.
2. لقد تمت دراسة واجهة السيليكون-SiO ₂ جيدًا ومن المعروف أنها تحتوي على عيوب قليلة نسبيًا. وعلى النقيض من ذلك، تحتوي العديد من واجهات العازل المعدني على مستويات كبيرة من العيوب التي يمكن أن تؤدي إلى تثبيت مستوى فيرمي أو الشحن أو ظواهر أخرى تؤدي في النهاية إلى تدهور أداء الجهاز.
3. في عملية تصنيع الدوائر المتكاملة MOSFET ، من الأفضل ترسيب مادة البوابة قبل خطوات معينة ذات درجات حرارة عالية من أجل صنع ترانزستورات ذات أداء أفضل. مثل هذه الخطوات ذات درجات الحرارة العالية من شأنها أن تذيب بعض المعادن، مما يحد من أنواع المعادن التي يمكن استخدامها في عملية تعتمد على البوابة المعدنية.

على الرغم من أن بوابات البولي سيليكون كانت المعيار الفعلي على مدار العشرين عامًا الماضية، إلا أنها تعاني من بعض العيوب التي أدت إلى استبدالها في المستقبل ببوابات معدنية. وتشمل هذه العيوب:

• لا يعد البولي سيليكون موصلًا رائعًا (أكثر مقاومة من المعادن بحوالي 1000 مرة) مما يقلل من سرعة انتشار الإشارة عبر المادة. يمكن خفض المقاومة عن طريق زيادة مستوى الشوائب، ولكن حتى البولي سيليكون المشوب بدرجة عالية ليس موصلًا مثل معظم المعادن. لتحسين الموصلية بشكل أكبر، في بعض الأحيان يتم خلط معدن عالي الحرارة مثل التنغستن والتيتانيوم والكوبالت ومؤخرًا النيكل مع الطبقات العليا من البولي سيليكون. تسمى هذه المادة الممزوجة بالسيليكون . يتمتع مزيج السيليسيد والبولي سيليكون بخصائص كهربائية أفضل من البولي سيليكون وحده ولا يزال لا يذوب في المعالجة اللاحقة. أيضًا، لا يكون جهد العتبة أعلى بشكل ملحوظ من البولي سيليكون وحده، لأن مادة السيليسيد ليست بالقرب من القناة. تسمى العملية التي يتم بها تكوين السيليسيد على كل من قطب البوابة ومنطقة المصدر والصرف أحيانًا بالساليسيد ، السيليسيد المحاذي ذاتيًا.
• عندما يتم تقليص الترانزستورات بشكل كبير، فمن الضروري جعل طبقة العازل للبوابة رقيقة للغاية، حوالي 1 نانومتر في أحدث التقنيات. الظاهرة التي لوحظت هنا هي ما يسمى باستنزاف البولي ، حيث تتشكل طبقة استنزاف في طبقة البولي سيليكون للبوابة بجوار عازل البوابة عندما يكون الترانزستور في وضع الانعكاس. لتجنب هذه المشكلة، تكون البوابة المعدنية مرغوبة. يتم استخدام مجموعة متنوعة من البوابات المعدنية مثل التنتالوم والتنغستن ونتريد التنتالوم ونتريد التيتانيوم ، وعادة ما تكون بالاقتران مع العوازل عالية κ . البديل هو استخدام بوابات البولي سيليكون المخففة بالكامل، وهي عملية تعرف باسم FUSI.

تستخدم وحدات المعالجة المركزية عالية الأداء الحالية تقنية البوابة المعدنية، جنبًا إلى جنب مع العوازل عالية الكاما ، وهي تركيبة تُعرف باسم البوابة المعدنية عالية الكاما (HKMG). يتم التغلب على عيوب البوابات المعدنية من خلال عدد قليل من التقنيات: ^[54]

1. يتم ضبط جهد العتبة عن طريق تضمين طبقة رقيقة من "معادن دالة العمل" بين العازل عالي κ والمعدن الرئيسي. هذه الطبقة رقيقة بما يكفي بحيث تتأثر دالة العمل الكلية للبوابة بكل من المعدن الرئيسي ووظائف عمل المعدن الرقيق (إما بسبب السبائك أثناء التلدين، أو ببساطة بسبب الفرز غير الكامل بواسطة المعدن الرقيق). وبالتالي يمكن ضبط جهد العتبة عن طريق سمك الطبقة المعدنية الرقيقة.
2. لقد تم الآن دراسة العوازل ذات قيمة κ العالية بشكل جيد، وتم فهم عيوبها.
3. توجد عمليات HKMG لا تتطلب من المعادن أن تتعرض لعمليات التلدين في درجات حرارة عالية؛ في حين تختار عمليات أخرى المعادن التي يمكنها البقاء على قيد الحياة بعد خطوة التلدين.

مع صغر حجم الأجهزة، تصبح الطبقات العازلة أرق، غالبًا من خلال خطوات الأكسدة الحرارية أو الأكسدة الموضعية للسيليكون ( LOCOS ). بالنسبة للأجهزة النانوية، يحدث في مرحلة ما نفق للناقلات عبر العازل من القناة إلى قطب البوابة. لتقليل تيار التسرب الناتج ، يمكن جعل العازل أرق عن طريق اختيار مادة ذات ثابت عازل أعلى. لمعرفة كيفية ارتباط السُمك والثابت العازل، لاحظ أن قانون جاوس يربط المجال بالشحنة على النحو التالي:

${\displaystyle Q=\kappa \epsilon _{0}E,}$

مع Q = كثافة الشحنة، κ = ثابت العزل، ε ₀ = نفاذية الفراغ و E = المجال الكهربائي. ومن هذا القانون، يبدو أنه يمكن الحفاظ على نفس الشحنة في القناة عند مجال أقل بشرط زيادة κ. يتم تحديد الجهد على البوابة بواسطة:

${\displaystyle V_{\text{G}}=V_{\text{ch}}+E\,t_{\text{ins}}=V_{\text{ch}}+{\frac {Qt_{\text{ins}}}{\kappa \epsilon _{0}}},}$

مع V _G = جهد البوابة، و V _ch = الجهد عند جانب القناة للعازل، و t _ins = سمك العازل. توضح هذه المعادلة أن جهد البوابة لن يزيد عندما يزيد سمك العازل، بشرط أن تزيد κ للحفاظ على t _ins / κ = ثابت (انظر المقالة حول العوازل ذات κ العالية لمزيد من التفاصيل، والقسم في هذه المقالة حول تسرب أكسيد البوابة).

العازل في MOSFET هو مادة عازلة يمكن أن تكون في كل الأحوال أكسيد السيليكون، الذي تشكله LOCOS ولكن يتم استخدام العديد من المواد العازلة الأخرى. المصطلح العام للعازل هو عازل البوابة لأن العازل يقع مباشرة أسفل قطب البوابة وفوق قناة MOSFET.

تحظى الوصلات من المصدر إلى الجسم ومن الصرف إلى الجسم بقدر كبير من الاهتمام بسبب ثلاثة عوامل رئيسية: يؤثر تصميمها على خصائص التيار والجهد ( IV ) للجهاز، وخفض مقاومة الخرج، وكذلك سرعة الجهاز من خلال تأثير تحميل سعات الوصلة ، وأخيرًا، مكون تبديد الطاقة الاحتياطية بسبب تسرب الوصلة.

يتم تقليل تأثير خفض الحاجز الناتج عن التصريف لجهد العتبة وتعديل طول القناة على منحنيات IV باستخدام امتدادات الوصلة الضحلة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام التشويب الهالي ، أي إضافة مناطق رقيقة جدًا مشبعة بشدة من نفس نوع التشويب مثل الجسم المحكم ضد جدران الوصلة للحد من مدى مناطق الاستنزاف . ^[55]

يتم الحد من التأثيرات السعوية عن طريق استخدام هندسة مصدر وتصريف مرتفعة تجعل معظم حدود منطقة التلامس عازلة سميكة بدلاً من السيليكون. ^[56]

تظهر هذه الميزات المختلفة لتصميم الوصلة ( بإذن فني ) في الشكل.

This section is written like a personal reflection, personal essay, or argumentative essay that states a Wikipedia editor's personal feelings or presents an original argument about a topic. Please help improve it by rewriting it in an encyclopedic style. (September 2016) (Learn how and when to remove this message)

على مدى العقود الماضية، تم تقليص حجم MOSFET (كما يستخدم للمنطق الرقمي) بشكل مستمر؛ كانت أطوال قنوات MOSFET النموذجية ذات يوم عدة ميكرومترات ، لكن الدوائر المتكاملة الحديثة تتضمن MOSFET بأطوال قنوات تصل إلى عشرات النانومتر. كان عمل روبرت دينارد على نظرية التوسع محوريًا في إدراك أن هذا التخفيض المستمر ممكن. بدأت شركة Intel في إنتاج عملية تتميز بحجم ميزة 32 نانومتر (مع كون القناة أقصر) في أواخر عام 2009. تحافظ صناعة أشباه الموصلات على "خريطة طريق"، ITRS ، ^[57] والتي تحدد وتيرة تطوير MOSFET. تاريخيًا، ارتبطت الصعوبات المتعلقة بتقليل حجم MOSFET بعملية تصنيع أجهزة أشباه الموصلات، والحاجة إلى استخدام جهد منخفض للغاية، والأداء الكهربائي الأضعف الذي يتطلب إعادة تصميم الدائرة والابتكار (تظهر MOSFETs الصغيرة تيارات تسرب أعلى ومقاومة خرج أقل).

تعد ترانزستورات MOSFET الأصغر مرغوبة لعدة أسباب. السبب الرئيسي لجعل الترانزستورات أصغر هو حشر المزيد والمزيد من الأجهزة في مساحة شريحة معينة. ينتج عن هذا شريحة بنفس الوظيفة في مساحة أصغر، أو شرائح ذات وظائف أكثر في نفس المساحة. نظرًا لأن تكاليف تصنيع رقاقة أشباه الموصلات ثابتة نسبيًا، فإن التكلفة لكل دائرة متكاملة ترتبط بشكل أساسي بعدد الشرائح التي يمكن إنتاجها لكل رقاقة. وبالتالي، تسمح الدوائر المتكاملة الأصغر بمزيد من الشرائح لكل رقاقة، مما يقلل من سعر الشريحة. في الواقع، على مدار الثلاثين عامًا الماضية، تضاعف عدد الترانزستورات لكل شريحة كل عامين إلى ثلاثة أعوام بمجرد تقديم عقدة تقنية جديدة. على سبيل المثال، يمكن أن يكون عدد ترانزستورات MOSFET في المعالج الدقيق المصنوع بتقنية 45 نانومتر ضعف العدد في شريحة 65 نانومتر . لاحظ جوردون مور هذه الزيادة في كثافة الترانزستور لأول مرة في عام 1965 ويشار إليها عادةً باسم قانون مور . ^[58] ومن المتوقع أيضًا أن تتحول الترانزستورات الأصغر بشكل أسرع. على سبيل المثال، أحد الأساليب المتبعة لتقليص الحجم هو تقليص حجم MOSFET والذي يتطلب تقليص جميع أبعاد الجهاز بشكل متناسب. الأبعاد الرئيسية للجهاز هي طول القناة وعرض القناة وسمك الأكسيد. عندما يتم تقليصها بعوامل متساوية، لا تتغير مقاومة قناة الترانزستور، في حين يتم خفض سعة البوابة بهذا العامل. وبالتالي، يتناسب تأخير RC للترانزستور مع عامل مماثل. في حين كان هذا هو الحال تقليديًا بالنسبة للتقنيات القديمة، فإن تقليص أبعاد الترانزستور في MOSFETs الحديثة لا يترجم بالضرورة إلى سرعة أعلى للشريحة لأن التأخير بسبب الترابطات يكون أكثر أهمية.

إن إنتاج ترانزستورات MOSFET ذات أطوال قنوات أصغر كثيرًا من الميكرومتر يشكل تحديًا كبيرًا، كما أن صعوبات تصنيع أجهزة أشباه الموصلات تشكل دائمًا عاملًا مقيدًا في تقدم تكنولوجيا الدوائر المتكاملة. ورغم أن عمليات مثل ALD قد حسنت من تصنيع المكونات الصغيرة، فإن الحجم الصغير لترانزستورات MOSFET (أقل من بضع عشرات من النانومتر) قد خلق مشاكل تشغيلية:

مع انكماش هندسة MOSFET، يجب تقليل الجهد الذي يمكن تطبيقه على البوابة للحفاظ على الموثوقية. للحفاظ على الأداء، يجب أيضًا تقليل جهد العتبة لـ MOSFET. مع تقليل جهد العتبة، لا يمكن تحويل الترانزستور من إيقاف التشغيل الكامل إلى التشغيل الكامل مع وجود تأرجح جهد محدود متاح؛ تصميم الدائرة هو حل وسط بين التيار القوي في حالة التشغيل والتيار المنخفض في حالة الإيقاف ، ويحدد التطبيق ما إذا كان يفضل أحدهما على الآخر. يمكن أن يستهلك التسرب دون العتبة (بما في ذلك التوصيل دون العتبة وتسرب أكسيد البوابة وتسرب الوصلة المنحازة عكسيًا)، والذي تم تجاهله في الماضي، الآن ما يزيد عن نصف إجمالي استهلاك الطاقة لشرائح VLSI عالية الأداء الحديثة. ^{[59] [60]}

يجب أن يكون أكسيد البوابة، الذي يعمل كعازل بين البوابة والقناة، رقيقًا قدر الإمكان لزيادة توصيل القناة وأدائها عندما يكون الترانزستور في وضع التشغيل وتقليل التسرب دون العتبة عندما يكون الترانزستور متوقفًا. ومع ذلك، مع أكاسيد البوابة الحالية بسمك حوالي 1.2  نانومتر (وهو في السيليكون يبلغ سمكه حوالي 5  ذرات ) تحدث ظاهرة نفق الإلكترون الكمومي بين البوابة والقناة، مما يؤدي إلى زيادة استهلاك الطاقة. تم استخدام ثاني أكسيد السيليكون تقليديًا كعازل للبوابة. ومع ذلك، فإن ثاني أكسيد السيليكون له ثابت عازل متواضع. تسمح زيادة الثابت العازل للعازل البوابة بطبقة أكثر سمكًا مع الحفاظ على سعة عالية (السعة تتناسب مع الثابت العازل وتتناسب عكسيًا مع سمك العازل). كل شيء آخر متساوٍ، يقلل سمك العازل الأعلى من تيار النفق الكمومي عبر العازل بين البوابة والقناة.

العوازل التي لها ثابت عازل أكبر من ثاني أكسيد السيليكون (يشار إليها باسم العوازل عالية κ )، مثل سيليكات المعادن من المجموعة IVb مثل سيليكات وأكسيدات الهافنيوم والزركونيوم ، تُستخدم لتقليل تسرب البوابة من عقدة تكنولوجيا 45 نانومتر فصاعدًا. من ناحية أخرى، فإن ارتفاع الحاجز لعازل البوابة الجديد هو اعتبار مهم؛ كما يؤثر الفرق في طاقة نطاق التوصيل بين أشباه الموصلات والعازل (والفرق المقابل في طاقة نطاق التكافؤ ) أيضًا على مستوى تيار التسرب. بالنسبة لأكسيد البوابة التقليدي، ثاني أكسيد السيليكون، فإن الحاجز السابق يبلغ حوالي 8 إلكترون فولت . بالنسبة للعديد من العوازل البديلة، تكون القيمة أقل بكثير، مما يميل إلى زيادة تيار النفق، مما ينفي إلى حد ما ميزة ثابت العزل الأعلى. يتم تحديد أقصى جهد بوابة المصدر من خلال قوة المجال الكهربائي الذي يمكن أن يستمر بواسطة عازل البوابة قبل حدوث تسرب كبير. مع ترقيق العازل الكهربائي، تزداد قوة المجال الكهربائي داخله عند جهد ثابت. وهذا يستلزم استخدام جهد أقل مع العازل الكهربائي الأرق.

لجعل الأجهزة أصغر حجمًا، أصبح تصميم الوصلات أكثر تعقيدًا، مما يؤدي إلى مستويات شوائب أعلى ، ووصلات أضحل، و"شوائب الهالة" وما إلى ذلك، ^{[61] [62]} كل ذلك لتقليل انخفاض الحاجز الناتج عن التصريف (انظر القسم الخاص بتصميم الوصلات). وللحفاظ على هذه الوصلات المعقدة في مكانها، يجب تقليص خطوات التلدين المستخدمة سابقًا لإزالة التلف والعيوب النشطة كهربائيًا ^[63] مما يزيد من تسرب الوصلة. يرتبط الشوائب الأثقل أيضًا بطبقات استنزاف أرق ومراكز إعادة تركيب أكثر مما يؤدي إلى زيادة تيار التسرب، حتى بدون تلف الشبكة.

خفض الحاجز الناتج عن التصريف (DIBL) وتراجع V _T : بسبب تأثير القناة القصيرة ، لا يتم تكوين القناة بالكامل بواسطة البوابة، ولكن الآن يؤثر الصرف والمصدر أيضًا على تكوين القناة. مع انخفاض طول القناة، تقترب مناطق الاستنفاد للمصدر والصرف من بعضها البعض وتجعل جهد العتبة ( V _T ) دالة على طول القناة. وهذا ما يسمى بانخفاض V _{T. يصبح} V _T أيضًا دالة على جهد الصرف إلى المصدر V _DS . مع زيادة V _DS ، تزداد مناطق الاستنفاد في الحجم، ويتم استنفاد كمية كبيرة من الشحنة بواسطة V _DS . يتم بعد ذلك خفض جهد البوابة المطلوب لتكوين القناة، وبالتالي، ينخفض ​​V _T مع زيادة V _DS . هذا التأثير يسمى خفض الحاجز الناتج عن التصريف (DIBL).

بالنسبة للتشغيل التناظري، يتطلب الكسب الجيد معاوقة خرج MOSFET عالية، وهذا يعني أن تيار MOSFET يجب أن يختلف قليلاً فقط مع جهد الصرف إلى المصدر المطبق. مع جعل الأجهزة أصغر حجمًا، يتنافس تأثير الصرف بنجاح أكبر مع تأثير البوابة بسبب القرب المتزايد لهذين القطبين، مما يزيد من حساسية تيار MOSFET لجهد الصرف. لمواجهة الانخفاض الناتج في مقاومة الخرج، يتم جعل الدوائر أكثر تعقيدًا، إما عن طريق طلب المزيد من الأجهزة، على سبيل المثال مكبرات الصوت المتسلسلة والمتتالية ، أو من خلال دوائر التغذية الراجعة باستخدام مكبرات التشغيل ، على سبيل المثال دائرة مثل تلك الموجودة في الشكل المجاور.

تحدد الموصلية الترانسكوندوكتيشن لـ MOSFET مكسبها وتتناسب مع حركة الثقب أو الإلكترون (حسب نوع الجهاز)، على الأقل بالنسبة لجهد الصرف المنخفض. مع تقليل حجم MOSFET، تزداد المجالات في القناة وتزداد مستويات شوائب الشوائب. يقلل كلا التغييرين من حركة الناقل، وبالتالي الموصلية الترانسكوندوكتيشن. مع تقليل أطوال القناة دون انخفاض متناسب في جهد الصرف، مما يرفع المجال الكهربائي في القناة، تكون النتيجة تشبع سرعة الناقلات، مما يحد من التيار والموصلية الترانسكوندوكتيشن.

تقليديًا، كان وقت التبديل متناسبًا تقريبًا مع سعة البوابة. ومع ذلك، مع صغر حجم الترانزستورات ووضع المزيد من الترانزستورات على الشريحة، أصبحت سعة التوصيل البيني (سعة اتصالات الطبقة المعدنية بين أجزاء مختلفة من الشريحة) تشكل نسبة كبيرة من السعة. ^{[64] [65]} يجب أن تنتقل الإشارات عبر التوصيل البيني، مما يؤدي إلى زيادة التأخير وانخفاض الأداء.

إن الكثافة المتزايدة باستمرار لترانزستورات MOSFET على الدائرة المتكاملة تخلق مشاكل تتعلق بتوليد حرارة موضعية كبيرة يمكن أن تعوق تشغيل الدائرة. تعمل الدوائر بشكل أبطأ في درجات الحرارة المرتفعة، كما أن موثوقيتها منخفضة وأعمارها أقصر. أصبحت أجهزة التبريد وأجهزة وطرق التبريد الأخرى مطلوبة الآن للعديد من الدوائر المتكاملة بما في ذلك المعالجات الدقيقة. تتعرض ترانزستورات MOSFET للطاقة لخطر الانفلات الحراري . فمع ارتفاع مقاومتها للحالة المتصلة مع درجة الحرارة، إذا كان الحمل عبارة عن حمل تيار ثابت تقريبًا، فإن فقدان الطاقة يرتفع تبعًا لذلك، مما يؤدي إلى توليد المزيد من الحرارة. عندما لا يكون جهاز التبريد قادرًا على الحفاظ على درجة الحرارة منخفضة بدرجة كافية، فقد ترتفع درجة حرارة الوصلة بسرعة وبشكل لا يمكن السيطرة عليه، مما يؤدي إلى تدمير الجهاز.

مع صغر حجم ترانزستورات MOSFET، أصبح عدد الذرات في السيليكون التي تنتج العديد من خصائص الترانزستور أقل، ونتيجة لذلك أصبح التحكم في أعداد الشوائب ووضعها أكثر تقلبًا. أثناء تصنيع الشريحة، تؤثر الاختلافات العشوائية في العملية على جميع أبعاد الترانزستور: الطول والعرض وأعماق الوصلات وسمك الأكسيد وما إلى ذلك ، وتصبح نسبة أكبر من الحجم الإجمالي للترانزستور مع انكماش الترانزستور. تصبح خصائص الترانزستور أقل يقينًا وأكثر إحصائية. تعني الطبيعة العشوائية للتصنيع أننا لا نعرف أي ترانزستورات MOSFET معينة ستنتهي في حالة معينة من الدائرة. يفرض هذا الغموض تصميمًا أقل مثالية لأن التصميم يجب أن يعمل لمجموعة كبيرة ومتنوعة من ترانزستورات MOSFET المكونة المحتملة. انظر اختلاف العملية ، والتصميم من أجل قابلية التصنيع ، وهندسة الموثوقية ، والتحكم الإحصائي في العملية . ^[66]

إن الدوائر المتكاملة الحديثة يتم محاكاتها بواسطة الكمبيوتر بهدف الحصول على دوائر عاملة من أول دفعة مصنعة. ومع تصغير الأجهزة، فإن تعقيد المعالجة يجعل من الصعب التنبؤ بشكل الأجهزة النهائية على وجه التحديد، كما يصبح نمذجة العمليات الفيزيائية أكثر تحديًا. بالإضافة إلى ذلك، تتطلب الاختلافات المجهرية في البنية بسبب الطبيعة الاحتمالية للعمليات الذرية تنبؤات إحصائية (وليس فقط حتمية). تتحد هذه العوامل لتجعل المحاكاة الكافية والتصنيع "الصحيح من المرة الأولى" أمرًا صعبًا.

يحتوي MOSFET ثنائي البوابة على تكوين رباعي ، حيث يتحكم كلا البوابتين في التيار في الجهاز. يستخدم بشكل شائع للأجهزة ذات الإشارة الصغيرة في تطبيقات التردد اللاسلكي حيث يؤدي تحيز بوابة جانب التصريف عند جهد ثابت إلى تقليل خسارة المكسب الناتجة عن تأثير ميلر ، واستبدال ترانزستورين منفصلين في تكوين كاسكود . تشمل الاستخدامات الشائعة الأخرى في دوائر التردد اللاسلكي التحكم في المكسب والخلط (تحويل التردد). وصف رباعي ، على الرغم من دقته، لا يكرر رباعي الأنبوب المفرغ. تُظهر رباعيات الأنبوب المفرغ، التي تستخدم شبكة شاشة، سعة لوحة الشبكة أقل بكثير ومقاومة خرج ومكاسب جهد أعلى بكثير من الصمامات المفرغة ثلاثية الأقطاب. هذه التحسينات عادة ما تكون من حيث الحجم (10 أضعاف) أو أكثر بكثير. لا تُظهر ترانزستورات رباعية الأقطاب (سواء كانت تقاطعًا ثنائي القطب أو تأثير المجال) تحسينات بهذه الدرجة الكبيرة.

إن ترانزستور FinFET عبارة عن جهاز مزدوج البوابة من السيليكون على العازل ، وهو أحد عدد من الأشكال الهندسية التي تم تقديمها للتخفيف من آثار القنوات القصيرة وتقليل انخفاض الحاجز الناتج عن الصرف. تشير الزعنفة إلى القناة الضيقة بين المصدر والصرف. تفصلها طبقة أكسيد عازلة رقيقة على جانبي الزعنفة عن البوابة. تسمى ترانزستورات FinFET ذات SOI ذات أكسيد سميك أعلى الزعنفة مزدوجة البوابة وتلك التي تحتوي على أكسيد رقيق في الأعلى وكذلك على الجانبين تسمى ترانزستورات FinFET ذات البوابة الثلاثية . ^{[67] [68]}

توجد أجهزة MOSFET ذات وضع الاستنزاف ، وهي أقل استخدامًا من أجهزة وضع التحسين القياسية الموصوفة بالفعل. هذه هي أجهزة MOSFET التي يتم تطعيمها بحيث توجد قناة حتى مع وجود جهد صفري من البوابة إلى المصدر. للتحكم في القناة، يتم تطبيق جهد سلبي على البوابة (لجهاز ذي قناة n)، مما يؤدي إلى استنزاف القناة، مما يقلل من تدفق التيار عبر الجهاز. في الأساس، يكون جهاز وضع الاستنزاف معادلاً لمفتاح مغلق عادةً (تشغيل)، بينما يكون جهاز وضع التحسين معادلاً لمفتاح مفتوح عادةً (إيقاف التشغيل). ^[69]

بسبب معدل الضوضاء المنخفض في منطقة RF ، والمكسب الأفضل ، غالبًا ما يتم تفضيل هذه الأجهزة على الأجهزة ثنائية القطب في واجهات RF الأمامية مثل أجهزة التلفزيون .

تتضمن عائلات MOSFET ذات وضع الاستنفاد BF960 من شركة Siemens و Telefunken ، وBF980 في الثمانينيات من شركة Philips (التي أصبحت فيما بعد شركة NXP Semiconductors )، ولا تزال مشتقاتها تستخدم في واجهات AGC وRF mixer .

ترانزستور التأثير الميداني المعدني العازل شبه الموصل، ^{[70] [71] [72]} أو MISFET ، هو مصطلح أكثر عمومية من MOSFET ومرادف لترانزستور التأثير الميداني ذو البوابة المعزولة (IGFET). جميع ترانزستورات MOSFET هي ترانزستورات MISFET، ولكن ليست كل ترانزستورات MISFET هي ترانزستورات MOSFET.

العازل الكهربائي للبوابة في MISFET هو أكسيد الركيزة (ومن ثم عادةً ما يكون ثاني أكسيد السيليكون ) في MOSFET، ولكن يمكن أيضًا استخدام مواد أخرى. يقع العازل الكهربائي للبوابة أسفل قطب البوابة مباشرةً وفوق قناة MISFET. يُستخدم مصطلح المعدن تاريخيًا لمادة البوابة، على الرغم من أنه عادةً ما يكون الآن عبارة عن بولي سيليكون مُشَوَّب بدرجة عالية أو بعض المواد غير المعدنية الأخرى .

قد تكون أنواع العوازل:

• ثاني أكسيد السيليكون في ترانزستورات MOSFET المصنوعة من السيليكون
• العوازل العضوية (على سبيل المثال، ترانس بولي أسيتيلين غير مشوبة ؛ سيانو إيثيل بولولان ، CEP ^[73] )، للترانزستورات ذات التأثير الميداني القائمة على المواد العضوية. ^[72]

بالنسبة للأجهزة ذات القدرة المتساوية على دفع التيار، يمكن تصنيع ترانزستورات MOSFET ذات القناة n أصغر من ترانزستورات MOSFET ذات القناة p، وذلك بسبب أن حاملات الشحنة ذات القناة p ( الثقوب ) تتمتع بحركة أقل من حاملات الشحنة ذات القناة n ( الإلكترونات )، كما أن إنتاج نوع واحد فقط من ترانزستورات MOSFET على ركيزة من السيليكون أرخص وأبسط من الناحية الفنية. كانت هذه هي المبادئ الأساسية في تصميم منطق NMOS الذي يستخدم ترانزستورات MOSFET ذات القناة n حصريًا. ومع ذلك، وبإهمال تيار التسرب ، على عكس منطق CMOS، يستهلك منطق NMOS الطاقة حتى عندما لا يحدث أي تبديل. ومع التقدم في التكنولوجيا، حل منطق CMOS محل منطق NMOS في منتصف الثمانينيات ليصبح العملية المفضلة للرقائق الرقمية.

تتميز ترانزستورات MOSFET القوية ببنية مختلفة. ^[74] وكما هو الحال مع معظم أجهزة الطاقة، فإن البنية عمودية وليست مستوية. باستخدام بنية عمودية، من الممكن أن يتحمل الترانزستور كل من الجهد العالي للحجب والتيار العالي. إن تصنيف الجهد للترانزستور هو دالة على الشوائب وسمك الطبقة الظهارية N (انظر المقطع العرضي)، في حين أن تصنيف التيار هو دالة على عرض القناة (كلما اتسعت القناة، زاد التيار). في البنية المستوية، تكون تصنيفات التيار وجهد الانهيار دالة على أبعاد القناة (عرض وطول القناة على التوالي)، مما يؤدي إلى الاستخدام غير الفعّال لـ "عقار السيليكون". مع البنية العمودية، تكون مساحة المكون متناسبة تقريبًا مع التيار الذي يمكنه تحمله، ويكون سمك المكون (في الواقع سمك الطبقة الظهارية N) متناسبًا مع جهد الانهيار. ^[75]

تُستخدم ترانزستورات MOSFET ذات البنية الجانبية بشكل أساسي في مكبرات الصوت عالية الجودة وأنظمة PA عالية الطاقة. تتمثل ميزتها في سلوك أفضل في المنطقة المشبعة (المقابلة للمنطقة الخطية للترانزستور ثنائي القطب) مقارنة بترانزستورات MOSFET الرأسية. تم تصميم ترانزستورات MOSFET الرأسية لتطبيقات التبديل. ^[76]

هناك أشباه موصلات أكسيد معدني مزدوج الانتشار جانبيًا ( LDMOS ) وأشباه موصلات أكسيد معدني مزدوج الانتشار رأسيًا ( VDMOS ). يتم تصنيع معظم ترانزستورات MOSFET عالية الطاقة باستخدام هذه التقنية.

الدوائر الإلكترونية شبه الموصلية التي يبلغ حجمها ميكرومترًا ونانومترًا هي الشاغل الأساسي للعمل ضمن التسامح الطبيعي في بيئات الإشعاع القاسية مثل الفضاء الخارجي . أحد أساليب التصميم لصنع جهاز مقوى بالإشعاع حسب التصميم (RHBD) هو الترانزستور ذو التصميم المغلق (ELT). عادةً ما تحيط بوابة MOSFET بالصرف، الذي يوضع في وسط ELT. يحيط مصدر MOSFET بالبوابة. يُطلق على MOSFET ذو التصميم المغلق الآخر اسم H-Gate. يتمتع كلا الترانزستورين بتيارات تسرب منخفضة جدًا فيما يتعلق بالإشعاع. ومع ذلك، فإنهما كبيران الحجم ويشغلان مساحة أكبر على السيليكون مقارنة بـ MOSFET القياسي. في تصميمات STI (عزل الخندق الضحل) الأقدم، تتسبب ضربات الإشعاع بالقرب من منطقة أكسيد السيليكون في انعكاس القناة عند زوايا MOSFET القياسي بسبب تراكم الشحنات المحاصرة المستحثة بالإشعاع. إذا كانت الشحنات كبيرة بما يكفي، فإن الشحنات المتراكمة تؤثر على حواف سطح STI على طول القناة بالقرب من واجهة القناة (البوابة) لـ MOSFET القياسي. يؤدي هذا إلى حدوث انعكاس قناة الجهاز على طول حواف القناة، مما يؤدي إلى إنشاء مسار تسرب خارج الحالة. بعد ذلك، يتم تشغيل الجهاز؛ تؤدي هذه العملية إلى تدهور شديد في موثوقية الدوائر. يوفر ELT العديد من المزايا، بما في ذلك تحسين الموثوقية عن طريق تقليل الانعكاس السطحي غير المرغوب فيه عند حواف البوابة والذي يحدث في MOSFET القياسي. نظرًا لأن حواف البوابة محاطة بـ ELT، فلا توجد حافة أكسيد البوابة (STI عند واجهة البوابة)، وبالتالي يتم تقليل تسرب حالة إيقاف تشغيل الترانزستور بشكل كبير. تختلف الدوائر الإلكترونية الدقيقة منخفضة الطاقة بما في ذلك أجهزة الكمبيوتر وأجهزة الاتصالات وأنظمة المراقبة في مكوك الفضاء والأقمار الصناعية اختلافًا كبيرًا عما يتم استخدامه على الأرض. إنها دوائر متسامحة مع الإشعاع (الجسيمات الذرية عالية السرعة مثل البروتون والنيوترون ، وتبديد الطاقة المغناطيسية للتوهج الشمسي في فضاء الأرض، والأشعة الكونية النشطة مثل الأشعة السينية وأشعة جاما وما إلى ذلك). تم تصميم هذه الإلكترونيات الخاصة من خلال تطبيق تقنيات مختلفة باستخدام MOSFETs RHBD لضمان رحلات فضائية آمنة والسير في الفضاء الآمن لرواد الفضاء.

• MOSFET ذو البوابة العائمة  – نوع من MOSFET حيث تكون البوابة معزولة كهربائيًا
• BSIM  – عائلة نماذج ترانزستورات MOSFET لتصميم الدوائر المتكاملة
• ggNMOS  – جهاز حماية من التفريغ الكهروستاتيكي (ESD)
• ترانزستور ذو قدرة عالية على نقل الإلكترونات  – نوع من ترانزستورات التأثير الميداني
• تأثير استنفاد البولي سيليكون  – تغير جهد العتبة في مواد السيليكون متعدد البلورات
• نموذج الترانزستور  – محاكاة للعمليات الفيزيائية التي تحدث في جهاز إلكتروني
• الصمام الثنائي الداخلي  - MOSFET الذي يمكنه التعامل مع مستويات طاقة كبيرة

This article's use of external links may not follow Wikipedia's policies or guidelines. Please improve this article by removing excessive or inappropriate external links, and converting useful links where appropriate into footnote references. (September 2016) (Learn how and when to remove this message)

• كيف تعمل أشباه الموصلات والترانزستورات (MOSFETs) WeCanFigureThisOut.org
• "فهم معلمات ورقة بيانات MOSFET للطاقة - ملاحظة تطبيقية PDF من Nexperia AN11158" (PDF) . مؤرشف (PDF) من الأصل في 2022-10-09.
• "مقدمة عن الترانزستورات MOSFET ذات وضع الاستنزاف". مؤرشف من الأصل في 28 سبتمبر 2008.
• "Power MOSFETs". تم أرشفة النسخة الأصلية في 2012-07-06 . تم استرجاعها في 2010-03-04 .
• "معايير الاختيار الناجح لوحدات IGBT وMOSFET". مؤرشف من الأصل في 12 نوفمبر 2012 . تم الاسترجاع في 16 ديسمبر 2018 .
• "عملية MOSFET خطوة بخطوة". تم أرشفة النسخة الأصلية في 2009-08-22 . تم استرجاعها في 2016-02-06 .شريحة فلاشية توضح عملية تصنيع MOSFET بالتفصيل
• "حاسبة MOSFET". تم أرشفة النسخة الأصلية في 2008-05-27 . تم استرجاعها في 2008-06-03 .
• "قضايا متقدمة في MOSFET". ecee.colorado.edu . 27 نوفمبر 2010.
• "تطبيقات MOSFET".
• نيكولاي، أولريش. ريمان، توبياس. بيتزولدت، يورغن؛ لوتز، جوزيف (1998). دليل التطبيق لوحدات الطاقة IGBT وMOSFET (الطبعة الأولى). جزيرة فيرلاغ. رقم ISBN 978-3-932633-24-9. تم أرشفة النسخة الأصلية في 2 مارس 2012.
• وينتريش، أرندت؛ نيكولاي، أولريش. تورسكي، فيرنر؛ ريمان، توبياس (2011). نسخة PDF (PDF) (الطبعة الثانية). نورمبرغ: سيمكرون. رقم ISBN 978-3-938843-66-6. تم أرشفة النسخة الأصلية (PDF) في 3 سبتمبر 2013.
• "MIT Open Courseware 6.002 – ربيع 2007".
• “MIT Open Courseware 6.012 – خريف 2009”.
• "شرائح BJT وFET من Georgia Tech".
• "تصميم الدوائر: طفيليات انتشار MOS". 14 ديسمبر 2008.
• لوندستروم، مارك (2008). "دورة تدريبية في فيزياء الترانزستورات النانوية". أوراق nanoHUB .
• لوندستروم، مارك (2005). "ملاحظات حول MOSFETs الباليستية". أوراق nanoHUB .