Transistor efek-medan semikonduktor logam-oksida (bahasa Inggris: metal–oxide–semiconductor field-effect transistor, MOSFET) adalah salah satu jenis transistor efek medan. MOSFET mencakup kanal dari bahan semikonduktor tipe-N dan tipe-P, dan disebut NMOSFET atau PMOSFET (juga biasa nMOS, pMOS). Ini adalah transistor yang paling umum pada sirkuit digital maupun analog, tetapi transistor sambungan dwikutub pada satu waktu lebih umum.

MOSFET
D2PAK.JPG MOSFET daya dalam kemasan D2PAK
SimbolIGFET P-Ch Enh Labelled.svg Pengayaan kanal-P


IGFET P-Ch Dep Labelled.svg Pemiskinan kanal-P
IGFET N-Ch Enh Labelled.svg Pengayaan kanal-N


IGFET N-Ch Dep Labelled.svg Pemiskinan kanal-N
TipeKomponen aktif
KategoriTransistor FET
PenemuMohamed M. Atalla dan Dawon Kahng
Komponen sejenisJFET, MESFET, ISFET
Kemasan3 kaki (sumber, cerat, gerbang)

Prinsip dasar perangkat ini pertama kali diusulkan oleh Julius Edgar Lilienfeld pada tahun 1925. MOSFET diciptakan oleh Mohamed M. Atalla dan Dawon Kahng di Bell Labs pada tahun 1959, dan pertama kali diperkenalkan pada Juni 1960. Perangkat ini merupakan perangkat pembangun dasar dari elektronika modern, dan merupakan perangkat elektronik yang paling banyak diproduksi dalam sejarah, dengan total kira-kira 13 sekstiliun (1,3×1022) MOSFET yang diproduksi di antara tahun 1960 dan 2018.[1] MOSFET merupakan alat semikonduktor yang doniman di dalam sirkuit terpadu (IC) digital ataupun analog,[2] dan merupakan perangkat daya yang umum.[3] MOSFET merupakan transistor padat yang diminiaturisasi dan diproduksi masal untuk berbagai bentuk penerapan, merevolusi industri elektronik dan ekonomi dunia, dan penting bagi revolusi digital, zaman silikon dan zaman informasi. Miniaturisasi MOSFET telah mendorong perkembangan cepat dari teknologi semikonduktor elektronik sejak 1960-an, dan memungkinkan IC berdensitas tinggi seperti cip memori dan mikroprosesor.

EtimologiSunting

Kata 'logam' pada nama yang sekarang digunakan sebenarnya merupakan nama yang salah karena bahan gerbang yang dahulunya lapisan logam-oksida sekarang telah sering digantikan dengan lapisan polisilikon (polikristalin silikon). Sebelumnya aluminium digunakan sebagai bahan gerbang sampai pada tahun 1980 -an ketika polisilikon mulai dominan dengan kemampuannya untuk membentuk gerbang menyesuai-sendiri. Walaupun demikian, gerbang logam sekarang digunakan kembali karena sulit untuk meningkatkan kecepatan operasi transistor tanpa pintu logam.

IGFET adalah peranti terkait, istilah lebih umum yang berarti transistor efek-medan gerbang-terisolasi, dan hampir identik dengan MOSFET, meskipun dapat merujuk ke semua FET dengan isolator gerbang yang bukan oksida. Beberapa menggunakan IGFET ketika merujuk pada perangkat dengan gerbang polisilikon, tetapi kebanyakan masih menyebutnya MOSFET.

SejarahSunting

Latar belakangSunting

Prinsip dasar dari transistor efek-medan (FET) pertama kali diusulkan oleh fisikawan Austria-Hungaria Julius Edgar Lilienfeld pada tahun 1926, ketika dia mengisi paten pertama untuk transistor efek-medan gerbang-terisolasi (IGFET).[4] Selama dua tahun berikutnya dia menjelaskan berbagai struktur FET. Dalam konfigurasi MOS-nya aluminum dilambangkan oleh M, aluminum oksida dilambangkan oleh O, sedangkan tembaga sulfida digunakan sebagai semikonduktor. Akan tetapi, dia tidak mampu membuat perangkat FET yang bekerja secara praktis.[5] Konsep FET kemudian juga dikembangkan teorinya oleh insinyur Jerman Oskar Heil pada 1930-an dan fisikawan Amerika William Shockley pada 1940-an.[6] Tidak ada FET yang bekerja secara praktis yang dibuat pada saat itu, dan tidak ada usulan FET awal yang melibatkan silikon yang dioksidasi termal.[5]

Perusahaan semikonduktor awalnya berfokus kepada transistor sambungan dwikutub (BJT) pada tahun-tahun awal industri semikonduktor. Akan tetapi, transistor sambungan merupakan perangkat yang relatif tebal dan sulit diproduksi massal, sehingga BJT terbatas penggunaannya. Dalam teorinya, FET bisa menjadi alternatif bagi transistor sambungan, tetapi para peneliti tidak mampu membuat FET yang praktis, terutama dikarenakan sawar keadaan permukaan yang menahan medan listrik dari luar untuk masuk ke dalam material.[7] Pada 1950-an, para peneliti kebanyakan telah berhenti mencoba konsep FET, dan berfokus kepada teknologi BJT.[8]

Pada tahun 1955, Carl Frosch dan Lincoln Derrick tidak sengaja melapisi permukaan wafer silikon dengan selapis silikon dioksida. Mereka menunjukkan bahwa lapisan oksida menahan pendadah-pendadah tertentu memasuki wafer silikon, sedangkan pendadah yang lainnya dibiarkan masuk. Dengan begitu, mereka menemukan efek pasivasi dari oksidasi permukaan semikonduktor. Pekerjaan mereka berikutnya adalah mendemonstrasikan bagaimana cara mengetsa celah-celah kecil di lapisan oksida untuk menyebarkan pendadah ke bagian tertentu dari wafer silikon. Pada tahun 1957, mereka menerbitkan sebuah makalah penelitian yang merangkum hasil kerja mereka dan mematenkan teknik mereka. Teknik yang mereka kembangkan dikenal sebagai oxide diffusion masking (penopangan difusi oksida), yang kemudian digunakan dalam fabrikasi perangkat-perangkat MOSFET. Di Bell Labs, pentingnya teknik Frosch segera disadari karena silikon oksida jauh lebih stabil daripada germanium oksida, punya sifat dielektrik yang lebih baik dan pada saat yang sama bisa digunakan sebagai penopang difusi. Hasil pekerjaan mereka beredar di Bell Labs dalam bentuk memo sebelum diterbitkan pada tahun 1957. Di Shockley Semiconductor, Shockley telah mengedarkan pracetak dari artikel mereka pada Desember 1956 ke semua staf seniornya, termasuk Jean Hoerni.[7][9][10]

PenemuanSunting

Mohamed M. Atalla (kiri) dan Dawon Kahng (kanan) menciptakan MOSFET pada tahun 1959.

Pada akhir 1950-an, Mohamed M. Atalla sedang mengurus masalah permukaan keadaan di Bell Labs. Dia menemukan pekerjaan Frosch mengenai oksidasi, berusaha mempasivasi permukaan silikon melalui pembentukan lapisan oksida di atasnya. Dia berpikir bahwa menumbukan secara termal SO2 berkualitas tinggi yang sangat tipis di atas wafer silikon yang bersih akan menetralkan keadaan permukaan sehingga transistor efek-medan dapat bekerja secara praktis. Dia menuliskan penemuannya dalam memonya pada tahun 1957, sebelum mempresentasikannya di sebuah pertemuan Electrochemical Society pada tahun 1958.[11][12][13][14][12][6] Ini merupakan perkembangan penting yang memungkinkan teknologi MOS dan cip sirkuit terpadu (IC) silikon.[15] Pada tahun berikutnya, John L. Moll menjelaskan kapasitor MOS di Universitas Stanford.[16] Rekan kerja Atalla, J.R. Ligenza dan W.G. Spitzer, yang mempelajari mekanisme oksida yang ditumbuhkan secara termal, berhasil memfabrikasi sebuah tumpukan Si/SiO2 berkualitas tinggi,[5] dengan Atalla dan Kahng menggunakan penemuan mereka untuk membantu membuat MOSFET yang pertama.[17][18]

MOSFET diciptakan oleh Mohamed Atalla dan Dawon Kahng di Bell Labs,[12][11] di mana mereka berhasil memfabrikasi perangkat MOSFET pertama pada November 1959.[19] Perangkat tersebut dicakup oleh dua paten, masing-masing diajukan secara terpisah oleh Atalla dan Kahng pada Maret 1960.[20][21][22][23] Mereka menerbitkan hasil mereka pada Juni 1960,[24] di Solid-State Device Conference yang digelar di Universitas Carnegie Mellon.[25] Pada tahun yang sama, Atalla mengusulkan agar MOSFET digunakan untuk membuat cip sirkuit terpadu MOS (MOS IC), dengan alasan mudahnya fabrikasi MOSFET.[7]

KomersialisasiSunting

Keuntungan MOSFET adalah sifatnya yang relatif rapat dan mudah diproduksi massal jika dibandingkan dengan transistor sambungan planar saingannya,[26] tetapi MOSFET merupakan teknologi yang benar-benar baru, menggunakannya berarti meninggalkan kemajuan yang telah Bell buat menggunakan transistor sambungan dwikutub (BJT). MOSFET juga awalnya lebih lambat dan lebih sulit diandalkan daripada BJT.[27]

Pada awal 1960-an, program penelitian teknologi MOS didirikan oleh Fairchild Semiconductor, RCA Laboratories, General Microelectronics (GMe, dipimpion oleh mantan insinyur Fairchild Frank Wanlass) dan IBM.[28] Pada 1962, Steve R. Hofstein dan Fred P. Heiman di RCA membuat cip sirkuit terpadu MOS yang pertama. Pada tahun berikutnya, mereka mengumpulkan semua pekerjaan mengenai FET yang sudah ada dan memberikan teori operasi MOSFET.[29] CMOS dikembangkan oleh Chih-Tang Sah dan Frank Wanlass di Fairchild pada tahun 1963.[30]

Pengumuman publik formal pertama mengenai keberadaan MOSFET sebagai teknologi potensial dilakukan pada tahun 1963. MOSFET lalu pertama kali dikomersialisasi oleh General Microelectronics (GMe) pada Mei 1964, diikuti oleh Fairchild pada Oktober 1964. Kontrak MOS pertama GMe adalah dengan NASA, yang menggunakan MOSFET untuk wahana antariksa dan satelit dalam program Interplanetary Monitoring Platform (IMP) dan Explorers Program.[28] Para MOSFET awal yang dikomersialisasi oleh GMe dan Fairchild merupakan perangkat saluran-p (PMOS) untuk penerapan logika dan switching.[6] Pada pertengahan dekade 1960-an, RCA sudah menggunakan MOSFET dalam produk konsumen mereka, di antaranya radio FM, televisi dan penguat.[31] Pada tahun 1967, peneliti dari Bell Labs, Robert Kerwin, Donald Klein dan John Sarace mengembangkan transistor MOS gerbang self-aligned (gerbang-silikon), yang peneliti dari Fairchild Federico Faggin dan Tom Klein kemudian adaptasi untuk sirkuit terpadu pada tahun 1968.[32]

Revolusi MOSSunting

Pengembangan MOSFET menyebabkan revolusi dalam teknologi elektronika, yang disebut revolusi MOS[33] atau revolusi MOSFET,[34] dan mendorong pertumbuhan teknologi dan ekonomi dalam industri semikonduktor yang berpusat di sekitar Kalifornia (termasuk yang kemudian dikenal sebagai Silicon Valley)[35] serta Jepang.[36]

Dampak komersial MOSFET menjadi signifikan sejak akhir 1960-an.[37] Ini menyebabkan revolusi dalam industri elektronik, yang sejak saat itu telah berdampak besar pada kehidupan sehari-hari.[38] Penemuan MOSFET telah disebut sebagai awal dari elektronika modern[39] dan penting bagi revolusi mikrokomputer.[40]

DampakSunting

MOSFET membentuk dasar dari elektronika modern,[41] dan merupakan unsur dasar dari kebanyakan peralatan elektronik modern.[42] MOSFET adalah transistor yang plaing umum dalam elektronika,[11] dan adalah alat semikonduktor yang paling banyak digunakan di dunia.[43] MOSFET telah digambarkan sebagai "kuda penggerak industri elektronik"[44] dan "teknologi dasar" akhir abad ke-20 sampai awal abad ke-21.[8] Penskalaan dan miniaturisasi MOSFET telah menjadi faktor utama di balik pertumbuhan cepat teknologi semikonduktor elektronik sejak 1960-an,[45] dan miniaturisasi MOSFET yang pesat membantu menambahkan densitas transitor, meningkatkan performa dan mengurangi konsumsi daya cip sirkuit terpadu dan perangkat elektronik sejak 1960-an.[46]

MOSFET telah digambarkan sebagai transistor yang paling penting,[2] perangkat paling penting dalam industri elektronik,[47] perangkat paling penting dalam industri komputer,[48] salah satu perkembangan paling penting dalam teknologi semikonduktor,[49] dan mungkin penemuan paling penting dalam elektronika.[50] MOSFET telah menjadi bagian pembentuk mendasar dari elektronika digital modern,[8] selama revolusi digital,[51] revolusi informasi,[52] zaman informasi,[53] dan zaman silikon.[54][55] MOSFET telah menjadi pendorong di balik revolusi komputer, serta teknologi yang dimungkinkannya.[56][57][58] Kemajuan pesat dalam industri elektronik selama akhir abad ke-20 dan awal abad ke-21 diperoleh dengan penskalaan MOSFET (penskalaan Dennard dan hukum Moore), hingga ke tingkat nanoelektronik pada awal abad ke-21.[59] MOSFET merevolusi dunia selama zaman informasi, dengan densitasnya yang tinggi memungkinkan sebuah komputer dijalankan oleh beberapa cip IC kecil dan bukannya perlu memenuhi satu ruangan,[60] dan kemudian memungkinkan dibuatnya teknologi komunikasi digital seperti ponsel cerdas.[56]

MOSFET adalah perangkat yang paling banyak dibuat dalam sejarah.[61][62] MOSFET menghasilkan penjualan tahunan sebesar US$295 billion terhitung pada tahun 2015.[63] Di antara 1960 dan 2018, diperkirakan telah dibuat total 13 sextiliun transistor MOS, terhitung paling tidak 99,9% dari semua transistor.[61] Sirkuit terpadu digital seperti mikroprosesor dan perangkat memori berisi ribuan hingga milyaran MOSFET terpadu di masing-masing perangkat, menyediakan fungsi switching sederhana yang diperlukan untuk mengimplementasikan gerbang logika dan penyimpanan data. Terdapat juga perangkat memori yang berisi paling tidak satu triliun transistor MOS, seperti sebuah kartu memori microSD 256 GB, lebih besar dari banyak bintang dalam galaksi Bima Sakti.[44] Sampai 2010, prinsip operasi dari MOSFET modern tidak jauh berubah dari MOSFET pertama yang didemonstrasikan oleh Mohamed Atalla dan Dawon Kahng pada tahun 1960.[64][65]

Kantor Paten dan Merek Dagang Amerika Serikat menyebut MOSFET sebuah "penemuan terobosan yang mengubah hidup dan budaya di seluruh dunia"[56] dan Computer History Museum menyebutnya berjasa "selamanya mengubah pengalaman manusia."[8] MOSFET juga merupakan dasar untuk terobosan-terobosan pemenang Penghargaan Nobel seperti efek Hall kuantum[66] dan peranti tergandeng–muatan (CCD),[67] meskipun tidak ada Penghargaan Nobel yang diberikan untuk MOSFET itu sendiri.[68] Dalam catatan 2018 mengenai Penghargaan Nobel Fisika Jack Kilby untuk perannya dalam penemuan sirkuit terpadu, Royal Swedish Academy of Sciences secara khusus menyebutkan MOSFET dan mikroprosesor sebagai penemuan penting lainnya dalam evolusi mikroelektronika.[69] MOSFET juga dimasukkan dalam daftar peristiwa penting dalam elektronika IEEE,[70] dan penemunya Mohamed Atalla dan Dawon Kahng masuk ke dalam National Inventors Hall of Fame pada tahun 2009.[11][12]

KomposisiSunting

 
Fotomikrograf dua gerbang logam MOSFET dalam ujicoba.

Biasanya bahan semikonduktor pilihan adalah silikon, tetapi beberapa produsen IC, terutama IBM, mulai menggunakan campuran silikon dan germanium (SiGe) sebagai kanal MOSFET. Sayangnya, banyak semikonduktor dengan karakteristik listrik yang lebih baik daripada silikon, seperti galium arsenid (GaAs), tidak membentuk antarmuka semikonduktor-ke-isolator yang baik sehingga tidak cocok untuk MOSFET. Hingga kini terus diadakan penelitian untuk membuat isolator yang dapat diterima dengan baik untuk bahan semikonduktor lainnya.

Untuk mengatasi peningkatan konsumsi daya akibat kebocoran arus gerbang, dielektrik κ tinggi menggantikan silikon dioksida sebagai isolator gerbang, dan gerbang logam kembali digunakan untuk menggantikan polisilikon[71].

Gerbang dipisahkan dari kanal oleh lapisan tipis isolator yang secara tradisional adalah silicon dioksida, tetapi yang lebih maju menggunakan teknologi silicon oxynitride. Beberapa perusahaan telah mulai memperkenalkan kombinasi dielektrik κ tinggi + gerbang logam di teknologi 45 nanometer.

Simbol sirkuitSunting

Berbagai simbol digunakan untuk MOSFET. Desain dasar umumnya garis untuk saluran dengan kaki sumber dan cerat meninggalkannya di setiap ujung dan membelok kembali sejajar dengan kanal. Garis lain diambil sejajar dari kanal untuk gerbang. Kadang-kadang tiga segmen garis digunakan untuk kanal peranti moda pengayaan dan garis lurus untuk moda pemiskinan.

Sambungan badan jika ditampilkan digambar tersambung ke bagian tengan kanal dengan panah yang menunjukkan PMOS atau NMOS. Panah selalu menunjuk dari P ke N, sehingga NMOS (kanal-N dalam sumur-P atau substrat-P) memiliki panah yang menunjuk kedalam (dari badan ke kanal). Jika badan terhubung ke sumber (seperti yang umumnya dilakukan) kadang-kadang saluran badan dibelokkan untuk bertemu dengan sumber dan meninggalkan transistor. Jika badan tidak ditampilkan (seperti yang sering terjadi pada desain IC desain karena umumnya badan bersama) simbol inversi kadang-kadang digunakan untuk menunjukkan PMOS, sebuah panah pada sumber dapat digunakan dengan cara yang sama seperti transistor dwikutub (keluar untuk NMOS, masuk untuk PMOS).

        Kanal-P
        Kanal-N
JFET MOSFET pengayaan MOSFET pemiskinan

Untuk simbol yang memperlihatkan saluran badan, di sini dihubungkan internal ke sumber. Ini adalah konfigurasi umum, tetapi tidak berarti hanya satu-satunya konfigurasi. Pada dasarnya, MOSFET adalah peranti empat saluran, dan di sirkuit terpadu banyak MOSFET yang berbagi sambungan badan, tidak harus terhubung dengan saluran sumber semua transistor.

Operasi MOSFETSunting

Untuk informasi lebih lanjut, lihat referensi berikut[72].

Struktur Semikonduktor–Logam–OksidaSunting

 
Struktur Semikonduktor–Logam–Oksida pada silikon tipe-P

Struktur semikonduktor–logam–oksida sederhana diperoleh dengan menumbuhkan selapis oksida silikon di atas substrat silikon dan mengendapkan selapis logam atau silikon polikristalin. Karena oksida silikon merupakan bahan dielektrik, struktur MOS serupa dengan kondensator planar dengan salah satu elektrodenya digantikan dengan semikonduktor.

Ketika tegangan diterapkan membentangi struktur MOS, tegangan ini mengubah penyebaran muatan dalam semikonduktor. Umpamakan sebuah semikonduktor tipe-p (dengan NA merupakan kepadatan akseptor, p kepadatan lubang; p = NA pada badan netral), sebuah tegangan positif   dari gerbang ke badan membuat lapisan pemiskinan dengan memaksa lubang bermuatan positif untuk menjauhi antarmuka gerbang-isolator/semikonduktor, meninggalkan daerah bebas pembawa. Jika   cukup tinggi, kepadatan tinggi pembawa muatan negatif membentuk lapisan inversi dibawah antarmuka antara semikonduktor dan isolator. Umumnya, tegangan gerbang dimana kepadatan elektron pada lapisan inversi sama dengan kepadatan lubang pada badan disebut tegangan ambang.

Struktur badan tipe-p ini adalah konsep dasar dari MOSFET tipe-n, yang mana membutuhkan penambahan daerah sumber dan cerat tipe-n.

Struktur MOSFET dan formasi kanalSunting

 
Irisan NMOS tanpa kanal yang terbentuk (keadaan mati)
 
Irisan NMOS dengan kanal yang terbentuk (keadaan hidup)

Sebuah transistor efek-medan semikonduktor–logam–oksida (MOSFET) adalah berdasarkan pada modulasi konsentrasi muatan oleh kapasitansi MOS di antara elektrode badan dan elektrode gerbang yang terletak di atas badan dan diisolasikan dari semua daerah peranti dengan sebuah lapisan dielektrik gerbang yang dalam MOSFET adalah sebuah oksida, seperti silikon dioksida. Jika dielektriknya bukan merupakan oksida, peranti mungkin disebut sebagai FET semikonduktor–logam–terisolasi (MISFET) atau FET gerbang–terisolasi (IGFET). MOSFET menyertakan dua saluran tambahan yaitu sumber dan cerat yang disambungkan ke daerah dikotori berat tersendiri yang dipisahkan dari daerah badan. Daerah tersebut dapat berupa tipe-p ataupun tipe-n, tetapi keduanya harus dari tipe yang sama, dan berlawanan tipe dengan daerah badan. Daerah sumber dan cerat yang dikotori berat biasanya ditandai dengan '+' setelah tipe pengotor. Sedangkan daerah yang dikotori ringan tidak diberikan tanda.

Jika MOSFET adalah berupa salur-n atau NMOS FET, lalu sumber dan cerat adalah daerah 'n+' dan badan adalah daerah 'p'. Maka seperti yang dijelaskan di atas, dengan tegangan gerbang yang cukup, di atas harga tegangan ambang, elektron dari sumber memasuki lapisan inversi atau salur-n pada antarmuka antara daerah-p dengan oksida. Kanal yang menghantar ini merentang di antara sumber dan cerat, dan arus dialirkan melalui kanal ini jika ada tegangan yang dikenakan di antara sumber dan cerat.

Jika tegangan gerbang dibawah harga ambang, kanal kurang terpopulasi dan hanya sedikit arus bocoran praambang yang dapat mengalir dari sumber ke cerat.

Moda operasiSunting

Operasi dari MOSFET dapat dibedakan menjadi tiga moda yang berbeda, bergantung pada tegangan yang dikenakan pada saluran. Untuk mempermudah, perhitungan dibawah merupakan perhitungan yang telah disederhanakan[73][74].

Untuk sebuah MOSFET salur-n moda pengayaan, ketiga moda operasi adalah:

Moda Inversi LemahSunting

Disebut juga moda Titik-Potong atau Pra-Ambang, yaitu ketika VGS < Vth

dimata V_th adalah tegangan ambang peranti.
Berdasarkan model ambang dasar, transistor dimatikan dan tidak ada hantaran antara sumber dan cerat. Namun pada kenyataannya, distribusi Boltzmann dari energi elektron memungkinkan beberapa elektron berenergi tinggi pada sumber untuk memasuki kanal dan mengalir ke cerat, menghasilan arus praambang yang merupakan fungsi eksponensial terhadap tegangan gerbang–sumber. Walaupun arus antara cerat dan sumber harusnya nol ketika transistor dimatikan, sebenarnya ada arus inversi-lemah yang sering disebut sebagai bocoran praambang.
Pada inversi-lemah, arus berubah eksponensial terhadap panjar gerbang-ke-sumber VGS[75][76]
 ,
dimana ID0 = arus pada   dan faktor landaian n didapat dari
 ,
dengan   = kapasitansi dari lapisan pemiskinan dan   = kapasitansi dari lapisan oksida.
Beberapa sirkuit daya-mikro didesain untuk mengambil keuntungan dari bocoran praambang.[77][78][79] Dengan menggunakan daerah inversi-lemah, MOSFET pada sirkuit tersebut memberikan perbandingan transkonduktansi terhadap arus yang tertinggi ( ), hampir seperti transistor dwikutub. Sayangnya lebar-jalur rendah dikarenakan arus penggerak yang rendah.[80][81]
 
arus cerat MOSFET vs. Tegangan cerat-ke-sumber untuk beberapa harga  , perbatasan antara moda linier (Ohmik) dan penjenuhan (aktif) diperlihatkan sebagai lengkung parabola di atas
 
Irisan MOSFET dalam noda linier (ohmik), daerah inversi kuat terlihat bahkan didekat cerat
 
Irisan MOSFET dalam moda penjenuhan (aktif), terdapat takik didekat cerat

Moda triodaSunting

Disebut juga sebagai daerah linear (atau daerah Ohmik[82][83]) yaitu ketika VGS > Vth dan VDS < ( VGS - Vth ).

Transistor dihidupkan dan sebuah kanal dibentuk yang memungkinkan arus untuk mengalir di antara sumber dan cerat. MOSFET beroperasi seperti sebuah resistor, dikendalikan oleh tegangan gerbang relatif terhadap baik tegangan sumber dan cerat. Arus dari cerat ke sumber ditentukan oleh:
 
dimana   adalah pergerakan efektif pembawa muatan,   adalah lebar gerbana,   adalah panjang gerbang dan   adalah kapasitansi oksida gerbang tiap unit luas. Transisi dari daerah eksponensial praambang ke daerah trioda tidak setajam seperti yang diperlihatkan perhitungan.

Moda penjenuhanSunting

Juga disebut dengan Moda Aktif[84][85]

Ketika VGS > Vth dan VDS > ( VGS - Vth )
Transistor dihidupkan dan kanal dibentuk, memungkinkan arus untuk mengalir di antara sumber dan cerat. Karena tegangan cerat lebih tinggi dari tegangan gerbang, elektron menyebar dan penghantaran tidak melalui kanal sempit tetapi melalui kanal yang jauh lebih lebar. Awal dari daerah kanal disebut penyempitan untuk menunjukkan kurangnya daerah kanal didekat cerat. Arus cerat sekarang hanya sedikit bergantung pada tegangan cerat dan dikendalikan terutama oleh tegangan gerbang–sumber.
 
Faktor tambahan menyertakan λ, yaitu parameter modulasi panjang kanal, membuat tegangan cerat mandiri terhadap arus, dikarenakan oleh adanya efek Early.
 ,
dimana kombinasi Vov = VGS - Vth dinamakan tegangan overdrive.[86] Parameter penting desain MOSFET adalah resistansi keluaran  :
 .

Tipe MOSFET lainnyaSunting

MOSFET gerbang gandaSunting

MOSFET gerbang ganda mempunyai konfigurasi tetroda, dimana semua gerbang mengendalikan arus dalam peranti. Ini biasanya digunakan untuk peranti isyarat kecil pada penggunaan frekuensi radio dimana gerbang kedua gerang keduanya digunakan sebagai pengendali penguatan atau pencampuran dan pengubahan frekuensi.

FinFETSunting

 
Peranti FinFET gerbang ganda.

FinFET adalah sebuah peranti gerbang ganda yang diperkenalkan untuk memprakirakan flek kanal pendek dan mengurangi perendahan sawar diinduksikan-cerat.

MOSFET moda pemiskinanSunting

Peranti MOSFET moda pemiskinan adalah MOSFET yang dikotori sedemikian rupa sehingga sebuah kanal terbentuk walaupun tidak ada tegangan dari gerbang ke sumber. Untuk mengendalikan kanal, tegangan negatif dikenakan pada gerbang untuk peranti salur-n sehingga "memiskinkan" kanal, yang mana mengurangi arus yang mengalir melalui kanal. Pada dasarnya, peranti ini ekivalen dengan sakelar normal-hidup, sedangkan MOSFET moda pengayaan ekivalen dengan sakelar normal-mati.[87]

Karena peranti ini kurang berdesah pada daerah RF dan penguatan yang lebih baik, peranti ini sering digunakan pada peralatan elektronik RF.

Logika NMOSSunting

MOSFET salur-n lebih kecil daripada MOSFET salur-p untuk performa yang sama, dan membuat hanya satu tipe MOSFET pada kepingan silikon lebih murah dan lebih sederhana secara teknis. Ini adalah prinsip dasar dalam desain logika NMOS yang hanya menggunakan MOSFET salur-n. Walaupun begitu, tidak seperti logika CMOS, logika NMOS menggunakan daya bahkan ketika tidak ada pensakelaran. Dengan peningkatan teknologi, logika CMOS menggantikan logika NMOS pada tahun 1980-an.

MOSFET dayaSunting

 
Irisan sebuah MOSFET daya dengan sel persegi. Sebuah transistor biasanya terdiri dari beberapa ribu sel.

MOSFET daya memiliki struktur yang berbeda dengan MOSFET biasa.[88] Seperti peranti semikonduktor daya lainnya. strukturnya adalah vertikal, bukannya planar. Menggunakan struktur vertikal memungkinkan transistor untuk bertahan dari tegangan tahan dan arus yang tinggi. Rating tegangan dari transistor adalah fungsi dari pengotoran dan ketebalan dari lapisan epitaksial-n, sedangkan rating arus adalah fungsi dari lebar kanal. Pada struktur planar, rating arus dan tegangan tembus ditentukan oleh fungsi dari dimensi kanal, menghasilkan penggunaan yang tidak efisien untuk daya tinggi. Dengan struktur vertikal, besarnya komponen hampir sebanding dengan rating arus dan ketebalan komponen sebanding dengan rating tegangan.

MOSFET daya dengan struktur lateral banyak digunakan pada penguat audio hi-fi. Kelebihannya adalah karakteristik yang lebih baik pada daerah penjenuhan daripada MOSFET vertikal. MOSFET vertikal didesain untuk penggunaan pensakelaran.

DMOSSunting

DMOS atau semikonduktor–logam–oksida terdifusi–ganda adalah teknologi penyempurnaan dari MOSFET vertikal. Hampir semua MOSFET daya dikonstruksi dengan teknologi ini.

ReferensiSunting

  1. ^ Laws, David (April 2, 2018). "13 Sextillion & Counting: The Long & Winding Road to the Most Frequently Manufactured Human Artifact in History". Computer History Museum. Diakses tanggal May 5, 2020. 
  2. ^ a b Ashley, Kenneth L. (2002). Analog Electronics with LabVIEW. Prentice Hall Professional. hlm. 10. ISBN 978-0130470652. A recent textbook on the subject of analog integrated circuits (Jorns and Martin, 1997) takes the approach that such circuits are now totally dominated by MOSFETs but includes some BJT applications. (...) The MOSFET has gradually taken over as the most important transistor, with increased emphasis on integrated circuits and improved speeds. 
  3. ^ "Power MOSFET Basics" (PDF). Alpha & Omega Semiconductor. Diakses tanggal 29 July 2019. Power MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) are the most commonly used power devices due to their low gate drive power, fast switching speed and superior paralleling capability. 
  4. ^ Lilienfeld, Julius Edgar (1926-10-08) "Method and apparatus for controlling electric currents" Templat:US Patent
  5. ^ a b c Deal, Bruce E. (1998). "Highlights Of Silicon Thermal Oxidation Technology". Silicon materials science and technology. The Electrochemical Society. hlm. 183. ISBN 978-1566771931. 
  6. ^ a b c "1960: Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated". The Silicon Engine: A Timeline of Semiconductors in Computers. Computer History Museum. Diakses tanggal August 31, 2019. 
  7. ^ a b c Moskowitz, Sanford L. (2016). Advanced Materials Innovation: Managing Global Technology in the 21st century. John Wiley & Sons. hlm. 165–67. ISBN 978-0470508923. 
  8. ^ a b c d "The Foundation of Today's Digital World: The Triumph of the MOS Transistor". Computer History Museum. 13 July 2010. Diakses tanggal 21 July 2019. 
  9. ^ Christophe Lécuyer; David C. Brook; Jay Last (2010). Makers of the Microchip: A Documentary History of Fairchild Semiconductor. hlm. 62-63. ISBN 978-0262014243. 
  10. ^ Claeys, Cor L. (2003). ULSI Process Integration III: Proceedings of the International Symposium. The Electrochemical Society. hlm. 27-30. ISBN 978-1566773768. 
  11. ^ a b c d "Dawon Kahng". National Inventors Hall of Fame. Diakses tanggal 27 June 2019. 
  12. ^ a b c d "Martin (John) M. Atalla". National Inventors Hall of Fame. 2009. Diakses tanggal 21 June 2013. 
  13. ^ Lojek, Bo (2007). History of Semiconductor Engineering. Springer Science & Business Media. hlm. 321–23. ISBN 978-3540342588. 
  14. ^ Huff, Howard (2005). High Dielectric Constant Materials: VLSI MOSFET Applications. Springer Science & Business Media. hlm. 34. ISBN 978-3540210818. 
  15. ^ Sah, Chih-Tang (October 1988). "Evolution of the MOS transistor-from conception to VLSI" (PDF). Proceedings of the IEEE. 76 (10): 1280–1326 [1290]. Bibcode:1988IEEEP..76.1280S. doi:10.1109/5.16328. ISSN 0018-9219. Those of us active in silicon material and device research during 1956 – 1960 considered this successful effort by the Bell Labs group led by Atalla to stabilize the silicon surface the most important and significant technology advance, which blazed the trail that led to silicon integrated circuit technology developments in the second phase and volume production in the third phase. 
  16. ^ Bassett, Ross Knox (2007). To the Digital Age: Research Labs, Start-up Companies, and the Rise of MOS Technology. Johns Hopkins University Press. hlm. 110. ISBN 978-0801886393. 
  17. ^ Lojek, Bo (2007). History of Semiconductor Engineering. Springer Science & Business Media. hlm. 322. ISBN 978-3540342588. 
  18. ^ Peter Robin Morris (1990). A History of the World Semiconductor Industry. hlm. 43. 
  19. ^ Bassett, Ross Knox (2007). To the Digital Age: Research Labs, Start-up Companies, and the Rise of MOS Technology. Johns Hopkins University Press. hlm. 22. ISBN 978-0801886393. 
  20. ^ U.S. Patent 3.206.670 (1960)
  21. ^ U.S. Patent 3.102.230 (1960)
  22. ^ "1948 – Conception of the Junction Transistor". The Silicon Engine: A Timeline of Semiconductors in Computers. Computer History Museum. 2007. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2012-04-19. Diakses tanggal 2007-11-02. 
  23. ^ U.S. Patent 2.953.486
  24. ^ Atalla, M.; Kahng, D. (June 1960). "Silicon – silicon dioxide field induced surface devices". IRE-AIEE Solid State Device Research Conference. Carnegie Mellon University Press. 
  25. ^ "Oral-History: Goldey, Hittinger and Tanenbaum". Institute of Electrical and Electronics Engineers. 25 September 2008. Diakses tanggal 22 August 2019. 
  26. ^ Moskowitz, Sanford L. (2016). Advanced Materials Innovation: Managing Global Technology in the 21st century. John Wiley & Sons. hlm. 165 & 181. ISBN 978-0470508923. Despite its success, the planar junction transistor had its own problems with which to contend. Most importantly, it was a fairly bulky device and difficult to manufacture on a mass production basis, which limited it to a number of specialized applications. Scientists and engineers believed that only a field effect transistor (FET), the type that Shockley first conceived of in the late 1940s but never could get to work properly, held out the hope of a compact, truly mass produced transistor that could be miniaturized for a wide range of uses. (...) A major step in this direction was the invention of the "MOS" process. (...) But Moore particularly believed that the future of mass-produced, low-cost, and high-capacity semiconductor memories was in MOS integrated chips, that is, integrated circuits composed of MOS transistors. Here he thought Intel could really make its mark on a truly breakthrough innovation. 
  27. ^ Bassett, Ross Knox (2002). To the Digital Age: Research Labs, Start-up Companies, and the Rise of MOS Technology. Johns Hopkins University Press. hlm. 53–54. ISBN 978-0-8018-6809-2. 
  28. ^ a b Butrica, Andrew J. (2015). "Chapter 3: NASA's Role in the Manufacture of Integrated Circuits" (PDF). Dalam Dick, Steven J. Historical Studies in the Societal Impact of Spaceflight. NASA. hlm. 149–250 (239–42). ISBN 978-1-62683-027-1. 
  29. ^ David L. Morton; Joseph Gabriel (2007). Electronics: The Life Story of a Technology. hlm. 84. 
  30. ^ "1963: Complementary MOS Circuit Configuration is Invented". Computer History Museum. Diakses tanggal 6 July 2019. 
  31. ^ Harrison, Linden T. (2005). Current Sources and Voltage References: A Design Reference for Electronics Engineers. Elsevier. hlm. 185. ISBN 978-0-08-045555-6. 
  32. ^ "1968: Silicon Gate Technology Developed for ICs". Computer History Museum. Diakses tanggal 22 July 2019. 
  33. ^ Bassett, Ross Knox (2007). To the Digital Age: Research Labs, Start-up Companies, and the Rise of MOS Technology. Johns Hopkins University Press. hlm. 3. ISBN 978-0801886393. 
  34. ^ Claeys, Cor L. (2003). ULSI Process Integration III: Proceedings of the International Symposium. The Electrochemical Society. hlm. 46. ISBN 978-1566773768. 
  35. ^ Lécuyer, Christophe (2006). Making Silicon Valley: Innovation and the Growth of High Tech, 1930-1970. Chemical Heritage Foundation. hlm. 253–56, 273. ISBN 978-0262122818. 
  36. ^ "60s Trends in the Semiconductor Industry". Semiconductor History Museum of Japan. Diarsipkan dari versi asli tanggal 14 August 2019. Diakses tanggal 7 August 2019. 
  37. ^ Arns, R. G. (October 1998). "The other transistor: early history of the metal–oxide–semiconductor field-effect transistor". Engineering Science and Education Journal. 7 (5): 233–40. doi:10.1049/esej:19980509. 
  38. ^ Chan, Yi-Jen (1992). Studies of InAIAs/InGaAs and GaInP/GaAs heterostructure FET's for high speed applications. University of Michigan. hlm. 1. The Si MOSFET has revolutionized the electronics industry and as a result impacts our daily lives in almost every conceivable way. 
  39. ^ Kubozono, Yoshihiro; He, Xuexia; Hamao, Shino; Uesugi, Eri; Shimo, Yuma; Mikami, Takahiro; Goto, Hidenori; Kambe, Takashi (2015). "Application of Organic Semiconductors toward Transistors". Nanodevices for Photonics and Electronics: Advances and Applications. CRC Press. hlm. 355. ISBN 978-9814613750. 
  40. ^ Malmstadt, Howard V.; Enke, Christie G.; Crouch, Stanley R. (1994). Making the Right Connections: Microcomputers and Electronic Instrumentation. American Chemical Society. hlm. 389. ISBN 978-0841228610. The relative simplicity and low power requirements of MOSFETs have fostered today's microcomputer revolution. 
  41. ^ McCluskey, Matthew D.; Haller, Eugene E. (2012). Dopants and Defects in Semiconductors. CRC Press. hlm. 3. ISBN 978-1439831533. 
  42. ^ Daniels, Lee A. (28 May 1992). "Dr. Dawon Kahng, 61, Inventor In Field of Solid-State Electronics". The New York Times. Diakses tanggal 1 April 2017. 
  43. ^ Golio, Mike; Golio, Janet (2018). RF and Microwave Passive and Active Technologies. CRC Press. hlm. 18–12. ISBN 978-1420006728. 
  44. ^ a b Colinge, Jean-Pierre; Greer, James C. (2016). Nanowire Transistors: Physics of Devices and Materials in One Dimension. Cambridge University Press. hlm. 2. ISBN 978-1107052406. 
  45. ^ Lamba, V.; Engles, D.; Malik, S. S.; Verma, M. (2009). "Quantum transport in silicon double-gate MOSFET". 2009 2nd International Workshop on Electron Devices and Semiconductor Technology: 1–4. doi:10.1109/EDST.2009.5166116. ISBN 978-1-4244-3831-0. 
  46. ^ Sridharan, K.; Pudi, Vikramkumar (2015). Design of Arithmetic Circuits in Quantum Dot Cellular Automata Nanotechnology. Springer. hlm. 1. ISBN 978-3319166889. 
  47. ^ Frank, D. J.; Dennard, R. H.; Nowak, E.; Solomon, P. M.; Taur, Y. (2001). "Device scaling limits of Si MOSFETs and their application dependencies". Proceedings of the IEEE. 89 (3): 259–88. doi:10.1109/5.915374. ISSN 0018-9219. 
  48. ^ Klimecky, Pete Ivan (2002). Plasma density control for reactive ion etch variation reduction in industrial microelectronics. University of Michigan. hlm. 2. Arguably the most important device breakthrough for the computing industry, however, occurred in 1960 when Kahng and Atalla proposed and fabricated the first metal–oxide–semiconductor field-effect-transistor, or MOSFET, using a thermally oxidized silicon structure. 
  49. ^ Deal, Bruce E. (1988). "The Thermal Oxidation of Silicon and Other Semiconductor Materials" (PDF). Semiconductor Materials and Process Technology Handbook: For Very Large Scale Integration (VLSI) and Ultra Large Scale Integration (ULSI). Noyes Publications. hlm. 46. ISBN 978-0815511502. 
  50. ^ Thompson, S. E.; Chau, R. S.; Ghani, T.; Mistry, K.; Tyagi, S.; Bohr, M. T. (2005). "In search of "Forever," continued transistor scaling one new material at a time". IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing. 18 (1): 26–36. doi:10.1109/TSM.2004.841816. ISSN 0894-6507. In the field of electronics, the planar Si metal–oxide–semiconductor field-effect transistor (MOSFET) is perhaps the most important invention. 
  51. ^ Wong, Kit Po (2009). Electrical Engineering – Volume II. EOLSS Publications. hlm. 7. ISBN 978-1905839780. 
  52. ^ "Transistors – an overview". ScienceDirect. Diakses tanggal 8 August 2019. 
  53. ^ Raymer, Michael G. (2009). The Silicon Web: Physics for the Internet Age. CRC Press. hlm. 365. ISBN 978-1439803127. 
  54. ^ Feldman, Leonard C. (2001). "Introduction". Fundamental Aspects of Silicon Oxidation. Springer Science & Business Media. hlm. 1–11. ISBN 978-3540416821. 
  55. ^ Dabrowski, Jarek; Müssig, Hans-Joachim (2000). "1.2. The Silicon Age". Silicon Surfaces and Formation of Interfaces: Basic Science in the Industrial World. World Scientific. hlm. 3–13. ISBN 978-9810232863. 
  56. ^ a b c "Remarks by Director Iancu at the 2019 International Intellectual Property Conference". United States Patent and Trademark Office. June 10, 2019. Diarsipkan dari versi asli tanggal 17 December 2019. Diakses tanggal 20 July 2019. 
  57. ^ Fossum, Jerry G.; Trivedi, Vishal P. (2013). Fundamentals of Ultra-Thin-Body MOSFETs and FinFETs. Cambridge University Press. hlm. vii. ISBN 978-1107434493. 
  58. ^ Chen, Wai Kai (2004). The Electrical Engineering Handbook. Elsevier. hlm. 109. ISBN 978-0080477480. 
  59. ^ Franco, Jacopo; Kaczer, Ben; Groeseneken, Guido (2013). Reliability of High Mobility SiGe Channel MOSFETs for Future CMOS Applications. Springer Science & Business Media. hlm. 1–2. ISBN 978-9400776630. 
  60. ^ Cressler, John D.; Mantooth, H. Alan (2017). Extreme Environment Electronics. CRC Press. hlm. 959. ISBN 978-1-351-83280-9. While the bipolar junction transistor was the first transistor device to take hold in the integrated circuit world, there is no question that the advent of MOSFETs, an acronym for metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, is what truly revolutionized the world in the so-called information age. The density with which these devices can be made has allowed entire computers to exist on a few small chips rather than filling a room. 
  61. ^ a b "13 Sextillion & Counting: The Long & Winding Road to the Most Frequently Manufactured Human Artifact in History". Computer History Museum. April 2, 2018. Diakses tanggal 28 July 2019. 
  62. ^ Baker, R. Jacob (2011). CMOS: Circuit Design, Layout, and Simulation. John Wiley & Sons. hlm. 7. ISBN 978-1118038239. 
  63. ^ Maloberti, Franco; Davies, Anthony C. (2016). "History of Electronic Devices" (PDF). A Short History of Circuits and Systems: From Green, Mobile, Pervasive Networking to Big Data Computing. IEEE Circuits and Systems Society. hlm. 59–70 (65–6). ISBN 978-8793609860. 
  64. ^ Schwierz, Frank; Wong, Hei; Liou, Juin J. (2010). Nanometer CMOS. Pan Stanford Publishing. hlm. 5. ISBN 978-9814241083. 
  65. ^ Ye, Peide; Ernst, Thomas; Khare, Mukesh V. (30 July 2019). "The Nanosheet Transistor Is the Next (and Maybe Last) Step in Moore's Law". IEEE Spectrum. doi:10.1109/MSPEC.2019.8784120. Diakses tanggal 6 November 2019. 
  66. ^ Lindley, David (15 May 2015). "Focus: Landmarks – Accidental Discovery Leads to Calibration Standard". Physics. 8. doi:10.1103/Physics.8.46. 
  67. ^ Williams, J. B. (2017). The Electronics Revolution: Inventing the Future. Springer. hlm. 245, 249–50. ISBN 978-3319490885. 
  68. ^ Woodall, Jerry M. (2010). Fundamentals of III-V Semiconductor MOSFETs. Springer Science & Business Media. hlm. 2. ISBN 978-1441915474. 
  69. ^ "Advanced information on the Nobel Prize in Physics 2000" (PDF). Nobel Prize. June 2018. Diakses tanggal 17 August 2019. 
  70. ^ "Milestones:List of IEEE Milestones". Institute of Electrical and Electronics Engineers. Diakses tanggal 25 July 2019. 
  71. ^ "Intel 45nm Hi-k Technology". 
  72. ^ Yannis Tsividis (1999). Operation and Modeling of the MOS Transistor (edisi ke-Edisi kedua). New York: McGraw-Hill. ISBN 0-07-065523-5. 
  73. ^ William Liu (2001). MOSFET Models for SPICE Simulation. New York: Wiley-Interscience. ISBN 0-471-39697-4. 
  74. ^ http://www.designers-guide.org/links.html
  75. ^ P R Gray, P J Hurst, S H Lewis, and R G Meyer (2001). Analysis and Design of Analog Integrated Circuits (edisi ke-Edisi Keempat). New York: Wiley. hlm. 66-67. ISBN 0-471-32168-0. 
  76. ^ P. R. van der Meer, A. van Staveren, A. H. M. van Roermund (2004). Low-Power Deep Sub-Micron CMOS Logic: Subthreshold Current Reduction. Dordrecht: Springer. hlm. 78. ISBN 1402028482. 
  77. ^ Leslie S. Smith, Alister Hamilton (1998). Neuromorphic Systems: Engineering Silicon from Neurobiology. World Scientific. hlm. 52-56. ISBN 9810233779. 
  78. ^ Satish Kumar (2004). Neural Networks: A Classroom Approach. Tata McGraw-Hill. hlm. 688. ISBN 0070482926. 
  79. ^ Manfred Glesner, Peter Zipf, Michel Renovell (2002). Field-programmable Logic and Applications: 12th International Conference. Dordrecht: Springer. hlm. 425. ISBN 3540441085. 
  80. ^ Sandeep K. Shukla, R. Iris Bahar (2004). Nano, Quantum and Molecular Computing. Springer. hlm. 10 and Fig. 1.4, p. 11. ISBN 1402080670. 
  81. ^ Ashish Srivastava, Dennis Sylvester, David Blaauw (2005). Statistical Analysis and Optimization For VLSI: Timing and Power. Springer. hlm. 135. ISBN 0387257381. 
  82. ^ C Galup-Montoro & Schneider MC (2007). MOSFET modeling for circuit analysis and design. London/Singapore: World Scientific. hlm. 83. ISBN 981-256-810-7. 
  83. ^ Norbert R Malik (1995). Electronic circuits: analysis, simulation, and design. Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall. hlm. 315–316. ISBN 0-02-374910-5. 
  84. ^ PR Gray, PJ Hurst, SH Lewis & RG Meyer. §1.5.2 p. 45. ISBN 0-471-32168-0. 
  85. ^ A. S. Sedra and K.C. Smith (2004). Microelectronic circuits (edisi ke-Fifth Edition). New York: Oxford. hlm. 552. ISBN 0-19-514251-9. 
  86. ^ A. S. Sedra and K.C. Smith. p. 250, Eq. 4.14. ISBN 0-19-514251-9. 
  87. ^ [1]
  88. ^ Power Semiconductor Devices, B. Jayant Baliga, PWS publishing Company, Boston. ISBN 0-534-94098-6

Lihat PulaSunting

Pranala luarSunting