MOS/CMOS technológia és digitális alkalmazásai

A térvezérlésű tranzisztorok (Field Effect Tranzistor - FET) a bipoláristól eltérő fizikai elven működnek. Szemben a bipoláris tranzisztorral, amelyben elektron- és lyukvezetés egyaránt előfordul, ezek áramát csak egy töltéshordozó biztosítja. Ezért ezt az eszközt unipoláris tranzisztornak is nevezik.

Két alapvető típusuk a záróréteges- és a szigetelt elektródás térvezérlésű tranzisztor.

1. Szigetelt vezérlőelektródájú térvezérlésű tranzisztor (MOSFET)

A térvezérlésű tranzisztorok e típusa 1960-ban jelent meg. Ez a megnevezés elsősorban típusukra utal (Isolated Gate Field Effect Tranzistor - IGFET). Elterjedtebb azonban a felépítésükkel összefüggő megnevezés, éspedig a fém-oxid-félvezető térvezérlésű tranzisztor (Metal Oxid Semiconductor Field Effect Tranzistor - MOSFET). Egyszerűsége és rövidsége miatt, magyarul is gyakran a MOSFET vagy MOS tranzisztor m 141g65b egnevezést használják.

1.1. A MOS tranzisztor felépítése és működése

A MOSFET aktív része a p típusú szubsztrát, amelyben két n típusú szigetet alakítanak ki. Ezt oxidréteggel vonják be, amelyen a szigeteknél ablakot nyitnak. A oxidrétegre a két sziget közötti tartományban vékony fémréteget párologtatnak. Az oxidréteg (SiO₂) jó szigetelő és jó átütési szilárdságú. E struktúrát az 1. ábra mutatja be. A szigeteket és a fémréteget kivezetésekkel látják el, ezek alkotják az eszköz külsőleg hozzáférhető elektródjait. A két sziget a forrás és a nyelő, a fémréteg pedig a kapu szerepét tölti be.

        

1 ábra. A MOS tranzisztor elvi felépítése

A p szubsztrátban többségi lyukak és kisebbségi elektronok vannak. Ha a kapura pozitív feszültség kerül, akkor az elektronok a kapu alatti réteghez vándorolnak, és ott akár többségbe is kerülhetnek, annál is inkább mert a lyukak ellenkező irányba mozognak. Ezáltal a forrás és nyelő között n vezető csatorna jön létre, amelyen keresztül polarizálás esetén a forrás-nyelő árama bezárulhat. A csatorna szélessége ebben az esetben is változó, a nyelő felé növekvő potenciálnak megfelelően. A pozitív kapufeszültség növelésével a csatorna elektronkoncentrációja megnő, tehát jobban vezetővé válik. Ha a pozitív feszültség csökken, a fordított jelenség játszódik le. Tehát a csatorna vezetőképessége a kapufeszültséggel szabályozható.

Hasonlóan a záróréteges térvezérlésű tranzisztorhoz, a nyelő árama a kapufeszültséggel teljesítmény felvétele nélkül vezérelhető.

A szubsztrát és a forrás rendszerint közös potenciálra (0 V) kerül. Érdemes megjegyezni, hogy a MOS struktúrákban lezajló vezetési mechanizmus a félvezető felületi rétegében megy végbe, ellentétben a záróréteges esettel, ahol a vezetés a félvezető tömbben valósul meg. Könnyen belátható, hogy a MOS tranzisztorok esetében is a forrás és nyelő szerepe felcserélhető.

Vezérlés szempontjából a MOS tranzisztor két változata különböztethető meg:

A növekményes (betöltéses) MOS tranzisztornál nulla kapufeszültség esetén (nyitott kapu) a forrás-nyelő szakasz lezár. Ezért ezt önzáró típusnak is nevezik. Csatorna csak akkor keletkezik, ha az oxidréteg közelében elektrondúsulás lép fel, amely pozitív kapufeszültséggel érhető el.

A kiürítéses MOS tranzisztornál nulla kapufeszültség esetén is csatorna jöhet létre a forrás és nyelő között, tehát nyitott kapuval is vezet. Ez az önvezető típus. E típus elvileg mind negatív, mind pozitív kapufeszültséggel vezérelhető. Negatív vezérlés esetén a csatorna elektronokban elszegényedik (kiürül) és adott értékeknél elzáródik (elzáródási feszültség).

Hasonlóan p csatornás MOS tranzisztorok is létrehozhatók.

A 2. ábra a MOS tranzisztorok rajzjeleit tünteti fel.

2. ábra. A MOS tranzisztorok rajzjelei

A következőkben néhány más MOS tranzisztor változatot mutatunk be.

1.2. VMOS tranzisztor

Ellentétben a hagyományos MOS tranzisztorokkal, ahol a csatorna a félvezető felülettel párhuzamos, a VMOS tranzisztoroknál (Vertical MOS) a csatorna a felületre merőleges, az ezt vezérlő tér iránya pedig a felülettel párhuzamos.

1.3. SOSFET tranzisztor

A szubsztrát alatt egy zafírréteg helyezkedik el. Innen származik a szilícium zafíron (Silicon on Saphire) elnevezés. Mivel elmaradnak a hordozókban fellépő parazita elemek (a hordozó nagy ellenállása miatt) a működési sebességük nő.

A gyártási módszer alapján vékonyréteg tranzisztornak is nevezik. Működésük megegyezik a többi térvezérlésű tranzisztoréval.

1.4. Kettős kapujú MOS tranzisztor

E különleges tranzisztorfajta úgy jön létre, hogy egy MOS tranzisztor nyelőjét egy másik forrásával kötik össze, amelyek eredményeképp a csatorna hosszúsága megnövekedik, vezérlésére pedig két kapu áll rendelkezésére. Nagyfrekvenciás kapcsolásokban és keverő-fokozatokban használható előnyösen.

Hasonlóan, ugyanazon a hordozón sorosan kialakítható egy p csatornás és egy n csatornás MOS tranzisztor pár. E struktúrát komplementer MOS tranzisztornak (Complementary MOS - CMOS) nevezik. A CMOS elrendezését a 3. ábrán mutatjuk be.

3. ábra. A CMOS tranzisztor

A CMOS tranzisztor zaja alacsony, teljesítményfelvétele kisebb, működése pedig gyorsabb. A velük kapcsolatos leglényegesebb megjegyzés azonban az, hogy kiválóan megfelel az integrálási technológiáknak.

1.5. FAMOS tranzisztor

Ez egy rendkívül jelentős térvezérlésű tranzisztor. Egyik jellegzetessége, hogy a kapunak nincs kivezetése (lebegő kapu), felületét oxidréteg borítja. A nyelőre viszonylag magas feszültséget adva, a lezárt pn átmeneten lavinajelenség lép fel, hasonlóan a hagyományos diódák zárófeszültségű üzemeléséhez. Ennek eredményeként a nagyenergiájú "forró elektronok" áthatolnak a vékony oxidrétegen és a lebegő kapura kerülnek. Mivel innen nem vándorolhatnak el, a kapu negatívan töltődik fel. p csatornás struktúra esetében ez a forrás és nyelő között csatorna létrejöttét jelenti és az eszköz vezető állapotba kerül és stabilan az is marad. A lebegő kapu és a lavinajelenség adja az eszköz nevét: lebegőkapus, lavianjelenséges MOS tranzisztor (Floating Gate Avalanche MOS - FAMOS). Az üzembiztos működés feltétele, hogy a kapu ne veszítse el a töltéseket. Ez kb. 100 év. A kapu töltése gyorsan eltávolítható pl. ultraibolya besugárzással, amelynek hatására fotóáram jön létre. Ezáltal tehát a tranzisztor vezetése megszüntethető. A leírt "zárás-nyitás" folyamat sokszor megismételhető. Az eszköz említett rendkívüli jelentősége a programozható memóriák gyártásában van.

A FAMOS tranzisztor a törölhető újraprogramozható csak olvasható tároló (EPROM) elemi tárolócellája.

1.6. MOS kondenzátor és MOS ellenállás

Kialakítástól és üzemmódtól függően a MOS tranzisztor kondenzátorként vagy ellenállásként is működhet.

A MOS kondenzátor a tranzisztor oxidrétege alatt jelentkező kapacitás, amely az oxidréteg kapacitásával sorban jelenik meg. A kapura csatolt nyitófeszültség hatására a felület alatt egy meghatározható vastagságú és töltésű kiürített réteg keletkezik. Értékét alapvetően a kapufeszültség határozza meg. Jellemző értéke néhány pF.

Mint említettük, a térvezérlésű tranzisztor ellenállásként működik mindaddig, amíg a forrás-nyelő feszültség a könyökfeszültség alatt van. E tartományban az eszköz feszültséggel vezérelhető lineáris ellenállásként üzemel. Értékei a gigaohm tartományig terjednek.

Az itt leírt megállapítások igen nagy jelentőséggel bírnak az integrált technológiában, ugyanis ugyanaz a struktúra, de különböző körülmények között üzemelhet mint ellenállás, kondenzátor vagy tranzisztor.

1.7. A bipoláris és a térvezérlésű tranzisztor összehasonlítása

A bipoláris tranzisztorokkal szemben a térvezérlésű tranzisztorok nagy előnye az egyszerűbb gyártástechnológia (ebből következően az előállítási költsége kisebb) és a sokkal csekélyebb hőmérsékletfüggés. Az utóbbinak oka az, hogy működésük a többségi töltéshordozók mozgásán alapul. A térvezérlésű tranzisztorok nagyobb hányadánál az áram hőmérséklet-együtthatója negatív. Ez azért kedvező, mert így a hőmérséklet növelésével a disszipáció csökken, amely kizárja a hőmegfutás veszélyét. A térvezérlésű tranzisztorok még abban is lényegesen eltérnek a bipoláris tranzisztoroktól, hogy a szokásos üzemmódokban csak elhanyagolható vezérlőteljesítményt igényelnek.

Mivel a térvezérlésű tranzisztorok közül a MOS típusnak kiemelt jelentősége van az integrálhatóság szempontjából, a továbbiakban ezeket hasonlítjuk össze az alábbi táblázatban a bipoláris tranzisztorokkal, néhány fontos jellemző alapján.

1.8. Töltéscsatolt eszköz

A töltéscsatolt eszköz (Charge Coupled Device - CCD) olyan félvezető eszköz, amelynek egyik elemében tárolt töltésmennyiség átvihető a szomszéd elembe külső potenciálok megfelelő alkalmazásával. A töltéscsatolt eszköz 1969-ben jelent meg és néhány év alatt igen látványos fejlődésen ment keresztül.

A működési alapelv azon a felismerésen alapul, hogy a MOS kapacitás bizonyos körülmények között és rövid ideig analóg információ tárolására alkalmas. Két kellő közelségben kialakított MOS kapacitással elérhető, hogy kiürített tartományaik érintkezzenek egymással. Megfelelő kapufeszültséggel az is megvalósítható, hogy a közös potenciálgödör különböző mélységű legyen (lépcsőzetesség). Ennek következtében az elsőben eredetileg jelenlevő töltésmennyiség a másikba fog átvándorolni. Az egymással érintkező, különböző mélységű potenciálgödrök által lehetővé váló töltésátvitel a tulajdonképpeni töltéscsatolás. Lényegében tehát egy elektród (kapu) alatt tárolt töltésmennyiség a szomszédos elektróddal vezérelhető a potenciálgödör mélységének a befolyásolása által. A vázolt módón működő MOS kapacitáslánc képezi a töltéscsatolt eszközt. A kapupotenciálok változtatásához, tehát a töltésátvitel megvalósításához, egy három vagy négy fázisú jelre van szükség (órajel).

A felületi töltéstárolás és mozgatás a félvezető tömbben is megvalósulhat.

A töltéscsatolt eszközöket integrált kivitelben gyártják. Alkalmazásának lényeges területe az analóg jelfeldolgozás, minthogy működési elve analóg. Talán legfontosabb alkalmazása a töltéscsatolt eszköz alapú képfelvevő, amelynél a mozgatásra kerülő töltéscsomagok megvilágítás hatására jönnek létre. Manapság kizárólag ilyen típusú képfelvevőket használnak.

A működési elvet tekintve ugyancsak töltéscsatolt eszköz a vödörlánc eszköz, valamint a töltésinjektálású eszköz.

Az előbbi lényege az, hogy egy sorbakötött MOS tranzisztorlánc egymás után következő elemeit két vezérlőimpulzus felváltva, egymás után nyitja. Ezáltal az első tranzisztor bemeneti kondenzátorában felhalmozott töltés vödörláncszerűen töltődik tovább a többi tranzisztor között levő kondenzátorokba (kézről-kézre adott tűzoltó veder elve). Az elemek száma, valamint a vezérlőimpulzusok periódusa ismeretében a lánc késleltetése pontosan meghatározható.

A töltésinjektálású eszköz lényegében egy MOS kapacitás-párokból kialakított mátrixszerkezet. Egy páron belül, ha legalább egy kapu megfelelően polarizált, akkor például a fény hatására létrejött töltések tárolhatók és mozgathatók. Ha viszont mindkét kapu potenciálja nulla, akkor megszűnik a kiürítési tartomány (potenciálgödör) és a töltések a hordozóba injektálódnak, majd ott rekombinálódnak. A rekombináció viszonylag lassú, ezért az injektált töltések semlegesítésére más módszereket is alkalmaznak. A párok kapui a mátrix sorait és oszlopait képezik. A töltésinjektálású eszközüket főleg képfelvevőként alkalmazzák.

2. Digitális MOS/CMOS alkalmazások

A következőkben néhány jellegzetes digitális MOS/CMOS alkalmazást mutatunk be.

2.1. MOS/CMOS logika

A MOS tranzisztorok jellegzetes alkalmazása a digitális elektronikában van. Emlékeztetünk a MOS tranzisztor figyelemreméltó tulajdonságára, hogy tranzisztorként, ellenállásként, vagy kapacitásként viselkedhet.

a) MOS logika

A MOS kapuáramkörök terhelő fokozata - amely egy ellenállásként felhasznált MOS tranzisztor - passzív, vagy aktív felépítésű lehet, és az a teljes kapuáramkör jellegét meghatározza.

A passzív terhelésnél a felhasznált MOS kapuját egy állandó értékre kötik, úgy, hogy az eszköz soha ne zárjon le.

Az aktív terhelésű MOS kapcsolásoknál maga a terhelőfokozat is vezérelt elem.

Az egyik MOS alapkapcsolás a tagadó (NEM) áramkör. Ennek két típusa létezik, amelyeket a 4. ábra mutat be.

4. ábra. MOS tagadó kapcsolás, telítéses (a), kiürítéses (b)

Telítéses típusú tagadó áramkörnél, mindkét tranzisztor növekményes és azonos típusú (rendszerint n-csatornás). E típus előnye az egyszerű technológia. Hátránya, hogy a logikai L magasabb szintről indul, a H viszont alacsonyabb. További hátrány, hogy a kapcsoláskor a felfutó él meglehetősen lassú a lefutóhoz képest.

A kiürítéses változatnál a terhelő tranzisztor kiürítéses, a vezérelt tranzisztor pedig növekményes és mindkettő n-csatornás. A gyártástechnológiája bonyolultabb, de a telítéses típusnál említett hátrányok előnyösen módosultak. E két típus közül a kiürítéses típust használják elterjedtebben.

Hasonló kapcsolások p-csatornás tranzisztorokkal is megvalósíthatók. A MOS tranzisztor működési elve lehetővé teszi, hogy a rajta keresztülfolyó áram forrás nyelő, vagy nyelő forrás irányú legyen. E tulajdonság lehetővé teszi kétirányú átvivő (transzfer) kapuk megvalósítását.

Az átvivő kapu elvi kapcsolását tünteti fel az 5. ábra. A V vezérlőjel állapotától függően az átvitel A B, vagy B A irányú lehet.

5. ábra. Átvivő kapu elvi kapcsolása

Háromállapotú kimenet úgyszintén megvalósítható MOS logikával. A MOS logika másik alapkapcsolása a VAGYNEM áramkör (6. ábra)

6. ábra. VAGYNEM kapcsolás MOS logikával

Belátható, hogy ha legalább egy bemenet H, akkor a kimenet L, ha viszont mindkét bemenet L, akkor mindkét (T₁, T₂) tranzisztor zárt, és a kimenet H állapotú.

MOS logikával természetesen más típusú kapuk is létrehozhatók.

A MOS kapuk jellemző késleltetése n-csatornás esetben 4-20ns és p-csatornás megvalósítás esetében 20-100ns.

A teljesítményviszonyokat később fogjuk megvizsgálni, egyelőre csak annyit említünk meg, hogy a teljesítményfelvétel frekvenciafüggő.

Tanulmányozzuk az ún. MOS dinamikus invertert. Kapcsolása (a) és működési diagramja (b) a 7. ábrán látható.

7. ábra. Dinamikus MOS inverter (a) és működési diagrammja (b)

Ha a bemeneti feszültség H szintű, a V engedélyező (vezérlő) jel a tranzisztoron keresztül a tagadó áramkörre juttatja, amelynek kimenete L lesz. Ezzel egy időben a C kondenzátor is H szintre telik. A V megszűnése után a kapu pn átmenetének visszárama a kondenzátort kezdi kisütni. Ez a tagadó áramkör kimenetét mindaddig nem befolyásolja, amíg a feszültség el nem éri a kapu U_m billenési szintjét. Ha a bemeneten L szint van, akkor egy H szintet tároló kondenzátor a V = H hatására kisül. A bemutatott emlékező tulajdonságon (a tagadó bemenete átmenetileg tárolja a töltést) alapulnak a dinamikus MOS áramkörök.

b) Komplementer MOS (CMOS) logika

Mint említettük, a MOS logika terhelő tranzisztora állandóan nyitva van és ez kedvezőtlenül befolyásolja a fogyasztást. Ha a kimenet H állapotában a tranzisztor lezárna, akkor a működési jellemzők megváltozása nélkül az áramfelvétel csökkenne.

Az elvet a CMOS NEM kapu szemlélteti (8. ábra).

8. ábra. CMOS NEM kapu

Ha a bemenet szintje L, akkor T₁ lezár, T₂ pedig kinyit és a kimenet H állapotú lesz. Ha viszont a bemenet H szintű, akkor a T₂ zár és a T₁ nyit ki, a kimenet pedig L.

Megjegyezzük, hogy a tápfeszültség az elzáródási feszültségnél nagyobb kell legyen.

Hasonló elven működő CMOS párokkal könnyen létrehozható a VAGYNEM (9.a ábra) és az ÉSNEM (9.b ábra) kapcsolás.

9. ábra. CMOS VAGYNEM (a), ÉSNEM (b) kapu

A 9.a ábra alapján könnyen ellenőrizhető, hogy ha mindkét bemenet L, akkor T₁, T₂ zárt, illetve a T₁^', T₂^' tranzisztorok vezetnek, a kimenet pedig H. Ha bármelyik bemenet H, akkor a kimenet L-re vált.

Hasonlóan követhető a 9.b ábrán az ÉS-NEM kapcsolat magvalósulása. Megfigyelhető, hogy a kimenet csak akkor lesz L, ha mindkét bemenet H.

Vizsgáljuk meg, hogyan alakul a CMOS áramkörök teljesítményfelvétele. Több CMOS áramkör összekapcsolásakor a meghajtó áramkör minden billenésekor át kell töltenie a bemenetek kapacitásait. Példaként tekintsük a fordító kaput (8. ábra). Ha a kimenet H, akkor a nyitott T₂ tranzisztoron keresztül a következő fokozat kondenzátorát (terhelő kondenzátor) a tápfeszültség szintjére kell feltölteni. Ekkor a tápforrás Q = CU_t töltést ad le, ahol C a MOS kapacitás. Ha a kimenet L-re vált, a terhelő kapacitást a nyitott T₁ tranzisztoron keresztül ki lehet sütni. Ilyenképp a tápforrás a bemeneti jel minden periódusánál Q töltésmennyiséget továbbít a föld felé. Az átlagos áram tehát I = C U_t/T = fC U_t. Innen egy nagyon nagy gyakorlati jelentőségű megállapítás következik, mégpedig az, hogy a CMOS áramkörök teljesítményfelvétele arányos a frekvenciával. Előfordulhat, hogy a CMOS kapu egyébként igen kicsi teljesítményfelvétele nagyfrekvencián nagyobb, mint a megfelelő TTL áramköré. Jellemzőnek tekinthető a 0,5 mW/kHz/kapu teljesítményfelvétel módosulás.

2.2. A bipoláris és CMOS logikai áramkörök összehasonlítása

Az összehasonlítás lényegében hasonló ahhoz a táblázathoz, amelyet a bipoláris és a MOS tranzisztor összehasonlításakor (1.7 pont) mutattunk be, ezért ennek megismétlésétől most eltekintünk.

Megjegyezzük, hogy eredetileg a MOS kapuk magasabb tápfeszültséget igényeltek mint a TTL kapuk. Eltérések mutatkoztak a H és L szintek tolerancia sávjait illetően is, amelynek következtében a MOS és TTL csatlakozások közé illesztőket (interfészt) kellett iktatni. E különbségek már régebb megszűntek és ma a MOS áramkörök nagy része TTL kompatibilis. Eltérések csak a paraméterek tekintetében észlelhetők az említett táblázat szerint.

A nagysebességű TTL kompatibilis MOS családok (High Speed CMOS-HC, Advanced High Speed CMOS-AHC) megszületésével a CMOS áramkörök sebessége (késleltetés) is lényegesen feljavult és nagyságrendben a TTL-hez hasonlóvá vált. Itt is alá kell húzzuk, hogy a CMOS áramkörök előnyös paramétereik és kedvezőbb gyártástechnológiájuk miatt valószínűleg további teret hódítanak és előbb-utóbb uralkodóvá válnak. Itt említhető meg, hogy a szakemberek az ABCMOS-t (Advanced Bipolar CMOS), vagy ABT-t (Advanced Bipolar CMOS Technology) tekintik a jövő egyik legígéretesebb integrált áramkör generációjának. Ez analóg és digitális jelfeldolgozásra kifejlesztett nagybonyolultságú bipoláris és CMOS technológiával  készülő integrált áramkörcsalád.

2.3. Töltéscsatolt logika

Töltéscsatolt eszközök (lásd 1.8 pont) felhasználásával logikai kapcsolások is létrehozhatók. Alapkapcsolások létrehozására nem alkalmas. Töltéscsatolt logikával csak bonyolult sorrendű hálózatokat készítenek. Ilyenek a soros hozzáférésű tároló, léptető regiszter, átviteli lánc stb.

2.4. Keresztrudas kapcsolólogika

Megnevezését a keresztrudas telefonközpontoktól kölcsönözte. E néhány különleges áramkört, viszonylag egyszerű logikával, azért fejlesztették ki, hogy nagysebességű jelátvitelt biztosítson két, egyébként nem csatolt eszköz között. Működési elve a 10. ábrán követhető.

10. ábra. Keresztrudas kapcsoló, egyirányú (a), kétirányú (b)

Megfelelően egy időben vezérelve (V) több MOS tranzisztor kapuját a kimenetek (y) vagy a bemeneteket (x) követik, vagy pedig magas impedanciás állapotba kerülnek. Mindössze néhány típusú keresztrudas technológiával (Cross Bar Technology - CBT) készülő áramkört fejlesztettek ki, de szerepük igen hasznos a kapcsolómátrixok, színvezérlések, vagy leválasztó kapcsolások megvalósításában. Igen jónak mondható a működési sebessége, a késleltetés kisebb mint 0,25 ns.

A keresztrudas kapcsolólogika az átvivő kapuk továbbfejlesztésének tekinthető.

2.5. Logikai áramkörcsaládok áttekintése

Érdemes áttekinteni az említett és néhány más MOS áramkörcsalád elterjedtségét a 2000-es év szintjén (11. ábra). Ugyanakkor megfigyelhető az eddig igen népszerű bipoláris áramkörök hanyatlása, illetve a bipoláris CMOS eszközök térhódítása.

új családok         növekvő igen elterjedt hanyatlás elterjedés

11. ábra. Logikai áramkörcsaládok helyzete

AVC - Advanced Very Low Voltage CMOS Logic, LVC - Low Voltage CMOS, LVT - Low Voltage Bipolar CMOS, GTL - Gunning Tranceiver Logic

Irodalomjegyzék

Szittya O.: Bevezetés az elektronikába, LSI, Budapest, 1998.

U.Tietze - C.Schenk: Analóg és digitális áramkörök, Műszaki, Budapest, 1981.

Kovács F.: MOS integrált áramkörök, Műszaki, Budapest, 1986.