İçeriğe atla

MOSFET

Vikipedi, özgür ansiklopedi
Düzlemsel MOSFET'in yapısı. Kaynak ile savak arasındaki kanal, ince bir yalıtkanla ayrılmış kapının altında kalır; kapıya uygulanan gerilim kanalın iletkenliğini denetler.

Metal oksit yarı iletken alan etkili transistör (MOSFET, MOS-FET ya da MOS FET), kapısı kanaldan ince bir yalıtkanla ayrılmış alan etkili transistör türüdür. Kapıya uygulanan gerilim, kaynak ile savak arasındaki kanalın iletkenliğini belirler; aygıt bu sayede bir anahtar ya da yükselteç olarak çalıştırılabilir.[1] Yalıtkan katman kapıdan kanala akım geçmesini önlediğinden, çift kutuplu transistörlerin tersine, yük akımını denetlemek için sürekli bir giriş akımı gerekmez.[1]

Metal-yalıtkan-yarı iletken alan etkili transistör (MISFET) ile yalıtılmış kapılı alan etkili transistör (IGFET) terimleri MOSFET ile hemen hemen aynı anlamda kullanılır. Addaki "metal" ve "oksit" sözcükleri bugünün aygıtlarını tam olarak anlatmaz: kapı uzun süre polikristalin silisyumdan yapılmış, yalıtkan olarak da silisyum dioksit yerine başka malzemeler kullanılmaya başlanmıştır.[2]

MOSFET, sayısal devrelerde en çok kullanılan aygıttır; bellek yongalarında ve mikroişlemcilerde milyarlarcası bir arada bulunur. Hem n tipi hem p tipi olarak üretilebildiğinden, birbirini tamamlayan çiftler hâlinde CMOS mantığında kullanılır ve çok düşük güç harcayan anahtarlama devreleri kurulmasına olanak verir.[3]

Tarihçe

[değiştir | kaynağı değiştir]

Bir yalıtkanın ötesinden uygulanan elektrik alanıyla yarı iletkendeki akımı denetleme düşüncesi transistörden eskidir. Alan etkili transistörün temel ilkesi 1926'da Julius Edgar Lilienfeld tarafından patentlenmiş,[4] 1934'te Oskar Heil benzer bir aygıt tanımlamıştır. Bu ilk öneriler çalışan bir aygıta dönüşemedi: yarı iletken yüzeyindeki yüzey durumları uygulanan alanı perdeliyor ve kanalın oluşmasını engelliyordu.[5]

Engel, silisyum yüzeyinin ısıl olarak oksitlenmesiyle aşıldı. Bu yöntemin oluşturduğu silisyum-silisyum dioksit arayüzü, yüzey durumlarının yoğunluğunu kanalın oluşmasına izin verecek ölçüde düşürüyordu; oksit büyümesinin niceliksel modeli 1965'te Deal ve Grove tarafından verilmiştir.[6] Bell Laboratuvarları'nda çalışan Mohamed Atalla ile Dawon Kahng, 1959'da bu arayüzü kullanarak çalışan ilk MOSFET'i yaptılar ve sonuç ertesi yıl duyuruldu.[5]

Aygıtın sayısal devrelerdeki asıl önemi, birbirini tamamlayan iki türün birlikte kullanılmasıyla ortaya çıktı. Frank Wanlass ile Chih-Tang Sah, 1963'te n kanallı ve p kanallı transistörleri karşılıklı çalıştırarak durağan durumda neredeyse hiç güç harcamayan mantık kapıları kurdular; bu düzen CMOS adıyla bilinir ve bugün sayısal tümleşik devrelerin baskın teknolojisidir.[3]

Bir yongaya sığdırılan transistör sayısının düzenli olarak artacağı öngörüsü 1965'te Gordon Moore tarafından dile getirildi.[7] Bu artışı sürdürebilmenin kuralları 1974'te Robert Dennard ve arkadaşlarınca ortaya kondu. Dennard ölçeklemesi olarak anılan çalışma, aygıtın boyutları ve besleme gerilimi birlikte küçültüldüğünde güç yoğunluğunun sabit kalacağını göstermiş ve on yıllar boyunca sürecek küçülmenin çerçevesini çizmiştir.[8] Besleme geriliminin 2000'li yıllarda düşürülememesiyle bu ölçekleme bozulmuş, güç yoğunluğu tasarımı sınırlayan başlıca etken durumuna gelmiştir.[9]

Bileşim

[değiştir | kaynağı değiştir]
Bir test modelindeki iki metal kapılı MOSFET fotomikrografisi. İki kapı ve üç kaynak/savak düğümü için prob pedleri etiketlenmiştir.

Aygıtın yapıldığı yarı iletken hemen her zaman silisyumdur. Silisyumun üstünlüğü elektriksel niteliklerinden değil, yüzeyinde ısıl olarak büyütülen silisyum dioksidin çok az kusurlu bir arayüz vermesinden gelir; galyum arsenür gibi elektron hareketliliği daha yüksek yarı iletkenler bu nitelikte bir yalıtkan arayüz oluşturmadığı için MOSFET üretimine elverişli değildir.[1][5] Kanal bölgesinde silisyum yerine silisyum-germanyum alaşımı kullanarak taşıyıcı hareketliliğini artıran süreçler de yaygınlaşmıştır.[1]

Kapıyı kanaldan ayıran yalıtkan geleneksel olarak silisyum dioksit, sonraki kuşaklarda silisyum oksinitrittir. Aygıtlar küçüldükçe bu katman incelmiş ve kapıdan sızan akım güç tüketiminde belirleyici olmaya başlamıştır. Çözüm, aynı elektriksel etkiyi daha kalın bir katmanla veren yüksek dielektrik sabitli (yüksek κ) malzemelere geçmek olmuştur; bunlarla birlikte polikristalin silisyum kapı da metal kapıyla değiştirilmiştir.[2] Intel bu ikiliyi 45 nanometre kuşağında seri üretime almıştır.[10]

Kapı ile gövde arasına gerilim uygulandığında oluşan elektrik alanı yalıtkanı aşarak yarı iletken yüzeyine ulaşır ve orada iletken bir kanal oluşturur. Akım kaynak ile savak arasında bu kanal üzerinden geçer; kapı gerilimi değiştirilerek kanalın iletkenliği, dolayısıyla akım denetlenir.[1]

JFET'ten farkı

[değiştir | kaynağı değiştir]

MOSFET ile eklemli alan etkili transistör (JFET) aynı ilkeyle çalışır: her ikisinde de kapıya uygulanan gerilim, kaynak ile savak arasındaki kanalın iletkenliğini belirler. Aradaki fark kapının kanala nasıl bağlandığındadır. JFET'te kapı, kanala ters kutuplanmış bir pn eklemi üzerinden bağlıdır; MOSFET'te ise ince bir yalıtkan katmanla kanaldan tümüyle ayrılmıştır.[1]

Bu ayrım iki sonuç doğurur. Birincisi, yalıtkan katman kapı akımını yok denecek düzeye indirir ve giriş direncini çok yükseltir; aygıtı süren devre neredeyse hiç akım vermek zorunda kalmaz. İkincisi, JFET'te kapı gerilimi eklemi doğru kutuplamayacak biçimde sınırlıyken MOSFET'te böyle bir sınır yoktur, dolayısıyla kapı gerilimi her iki yönde de kullanılabilir.[1]

Yalıtkanın inceliğinin bir bedeli vardır: kapı ile kanal arasına uygulanan gerilim belli bir değeri aştığında yalıtkan kalıcı olarak delinir. Tümleşik devrelerde bu tehlikeye karşı giriş uçlarına koruma yapıları eklenir; ayrık MOSFET'lerin taşınmasında ve lehimlenmesinde elektrostatik boşalmaya karşı önlem alınması gerekir.[1]

Türleri

[değiştir | kaynağı değiştir]

MOSFET'ler iki ölçüte göre sınıflandırılır. Birincisi kanalda akımı taşıyan yükün cinsidir: n kanallı aygıtta akımı elektronlar, p kanallı aygıtta boşluklar taşır. İkincisi, kapıya gerilim uygulanmadığında kanalın bulunup bulunmadığıdır.[1]

Arttıran tip MOSFET'te kapı gerilimi sıfırken iletken bir kanal yoktur; kanal ancak kapı gerilimi eşiği aştığında oluşur. Aygıt bu nedenle kendiliğinden yalıtkandır ve iletime geçirilmesi için kapıya gerilim uygulanması gerekir. Sayısal devrelerde kullanılan tür budur: kapı sürülmediğinde transistör kapalı kaldığı için devre tanımlı bir durumda başlar.[1]

Azaltan tip MOSFET'te ise üretim sırasında kanal bölgesi katkılanarak kalıcı bir kanal oluşturulur. Aygıt kapı gerilimi sıfırken iletimdedir; kapıya ters yönde gerilim uygulandığında kanal daraltılır ve akım azalır. Bu tür, kapı sürülmediğinde iletimde olması istenen devrelerde ve gerilimle değeri ayarlanan direnç olarak kullanılır.[11]

Her iki çalışma biçimi de 1963'te Steven Hofstein ile Fred Heiman tarafından silisyum yalıtılmış kapılı alan etkili transistör üzerinde tanımlanmıştır.[12]

CMOS devrelerinde n kanallı ve p kanallı arttıran tip transistörler çift olarak kullanılır; ikisinin eşik gerilimleri ters işaretli olduğundan, aynı kapı gerilimi birini iletime geçirirken ötekini kapatır.[3]

Devre simgeleri

[değiştir | kaynağı değiştir]
Dört uçlu gösterimde MOSFET simgeleri. Kanal çizgisi arttıran tipte kesik, azaltan tipte süreklidir; gövde oku n kanalda içe, p kanalda dışa bakar.

Devre şemalarında MOSFET, kanaldan ayrı çizilen bir kapı çizgisiyle gösterilir; bu ayrıklık kapının yalıtkanla ayrıldığını anlatır ve simgeyi eklemli alan etkili transistör simgesinden ayırır. Aygıtın dört ucu kapı (G), savak (D), kaynak (S) ve gövdedir (B).[1]

İki ayrım simgede doğrudan okunur. Kanalı gösteren çizgi arttıran tipte üç ayrı parça hâlinde çizilir, çünkü kapı gerilimi sıfırken kanal yoktur; azaltan tipte ise tek sürekli çizgidir. Gövde ucundaki ok n kanallı aygıtta kanala doğru, p kanallı aygıtta kanaldan dışa bakar; okun yönü gövdenin katkı türünü, dolayısıyla kanalın türünü verir.[1]

Tümleşik devrelerde gövde çoğu zaman kaynağa bağlandığından, uygulamada üç uçlu sadeleştirilmiş bir simge de yaygındır; bu gösterimde gövde ucu ayrıca çizilmez ve ok kaynak dalına konur.[1]

Çalışma bölgeleri

[değiştir | kaynağı değiştir]
Çıkış karakteristiği. Kesikli eğri doyum sınırıdır; solunda doğrusal bölge, sağında doyum bölgesi kalır. Yukarıdaki her eğri daha yüksek bir kapı gerilimine karşılık gelir.

Kapı, kanaldan bir yalıtkanla ayrıldığı için aygıta akım vermez; onun yerine oluşturduğu elektrik alanıyla yüzeydeki taşıyıcı yoğunluğunu değiştirir. Kapı gerilimi artırıldıkça yalıtkanın altındaki yüzeyde önce çoğunluk taşıyıcıları uzaklaştırılır, sonra karşı işaretli taşıyıcılar toplanmaya başlar. Bu ikinci taşıyıcıların oluşturduğu ince tabaka kaynak ile savağı birbirine bağlayan iletken kanaldır; kanalın oluştuğu kapı gerilimine eşik gerilimi () denir.[1]

Savak akımı bundan sonra iki gerilime birden bağlıdır: kapı ile kaynak arasındaki kanalın ne kadar yüklü olduğunu, savak ile kaynak arasındaki ise bu kanal boyunca ne kadar sürükleyici alan bulunduğunu belirler. Arttıran tip bir n kanallı MOSFET bu iki gerilimin aldığı değerlere göre üç bölgede çalışır.[1]

Kesim

[değiştir | kaynağı değiştir]

Kapı gerilimi eşiğin altındaysa () kanal oluşmaz ve savak akımı yok denecek kadar küçüktür. Akım tam olarak sıfır değildir: eşiğin hemen altında akım, kapı gerilimiyle üstel olarak azalır. Bu eşik altı akım, aygıtlar küçüldükçe ve eşik gerilimleri düşürüldükçe önem kazanmış, işlem yapılmadığı hâlde harcanan durağan gücün başlıca kaynaklarından biri olmuştur.[9]

Doğrusal bölge

[değiştir | kaynağı değiştir]

Kapı gerilimi eşiği aşmış ancak savak gerilimi düşükse ( ve ) kanal kaynaktan savağa kadar süreklidir ve her noktasında yük taşır. Transistör bu bölgede, direnci kapı gerilimiyle ayarlanan bir direnç gibi davranır; küçük değerlerinde savak akımı ile yaklaşık doğru orantılı artar. Sayısal devrelerde iletime geçmiş bir transistör bu bölgede çalışır ve üzerine düşen gerilim küçük olduğundan az güç harcar.[1]

Savak gerilimi büyüdükçe kanalın savak ucundaki yük azalır, çünkü kapı ile kanal arasındaki gerilim farkı orada küçülür. Akımın ile artışı bu yüzden giderek yavaşlar ve eğri düzleşmeye başlar.[1]

Doyum

[değiştir | kaynağı değiştir]

Savak gerilimi değerine ulaştığında kanalın savak ucundaki yük tükenir ve kanal orada sona erer. Bunun ötesinde savak gerilimi artırılsa da kanal boyunca düşen gerilim yaklaşık aynı kalır; fazlalık, kanalın bittiği yer ile savak arasındaki dar bölgede düşer. Sonuçta savak akımı 'ye neredeyse bağlı olmaktan çıkar. Basit bir yaklaşımla akım, kapı geriliminin eşiği aşan payının karesiyle orantılıdır:[1]

Burada taşıyıcı hareketliliği, birim alandaki kapı sığası, ile ise kanalın genişliği ve uzunluğudur. Kare kanunu adı verilen bu bağıntı kaba bir yaklaşımdır. Gerçek aygıtlarda akım doyumda tam olarak sabit kalmaz; savak gerilimi arttıkça kanalın etkin uzunluğu bir miktar kısaldığı için akım hafifçe yükselmeyi sürdürür. Kanal kısaldıkça bu ve benzeri etkiler büyür ve basit model gerçek davranıştan belirgin biçimde ayrılır.[9][1]

Akımın gerilimden bağımsız olması transistörü bu bölgede bir akım kaynağına yaklaştırır; analog yükselteçler bu nedenle doyum bölgesinde çalıştırılır.[1]

Gövde etkisi

[değiştir | kaynağı değiştir]

Eşik gerilimi yalnızca aygıtın yapımıyla belirlenmez; kaynak ile gövde arasındaki gerilime de bağlıdır. Gövde kaynağa göre ters yönde kutuplandığında yüzeyin altındaki yükü dengelemek için daha büyük bir kapı gerilimi gerekir ve eşik gerilimi yükselir. Gövde etkisi denen bu olgu, aygıtın dördüncü ucunun ikinci bir kapı gibi, ancak çok daha zayıf biçimde davranması anlamına gelir.[1]

Etki, kaynağı toprakta olmayan transistörlerde önem kazanır. Seri bağlı transistörlerden kurulu bir mantık kapısında üstteki aygıtın kaynağı yükselmiş bir gerilimdedir; eşiği artar, sürebildiği akım azalır. Tasarımcı bu yüzden gövdeyi çoğu zaman kaynağa bağlar ya da devre ölçüsünü bu artışı karşılayacak biçimde seçer.[1]

Kullanım alanları

[değiştir | kaynağı değiştir]

MOSFET, sayısal devrelerden analog katlara ve güç elektroniğine dek birbirinden çok farklı görevlerde kullanılır. Kullanım biçimini belirleyen şey, transistörün hangi çalışma bölgesinde tutulduğudur.[1]

Sayısal devreler

[değiştir | kaynağı değiştir]

Sayısal devrelerde transistör bir anahtar gibi çalıştırılır: ya kesimdedir ya da doğrusal bölgede tam iletimdedir. CMOS düzeninde n kanallı ve p kanallı transistörler karşılıklı bağlandığından, kapı iki kararlı durumundan birindeyken iki transistörden biri kapalı kalır ve durağan akım yok denecek düzeydedir; güç yalnızca durum değiştirirken harcanır.[3] Bu özellik, milyarlarca transistörü tek bir yongada makul bir güç bütçesiyle çalıştırmayı olanaklı kıldığı için mikroişlemcilerin ve bellek yongalarının temeli olmuştur.[1]

Belleklerde de aynı aygıt kullanılır. DRAM hücresi bir transistör ile bir sığaçtan oluşur; transistör, sığaçtaki yükün okunup yazılmasını sağlayan geçit görevi görür. Flash bellekte ise kapının altına, yalıtkanla çevrelenmiş ikinci bir iletken katman yerleştirilir; bu katmana hapsedilen yük eşik gerilimini kalıcı olarak kaydırdığı için bilgi güç kesildiğinde de korunur. Yoğunluğu yüksek NAND düzeni 1987'de tanıtılmıştır.[13]

Analog devreler

[değiştir | kaynağı değiştir]

Analog devrelerde transistör doyum bölgesinde çalıştırılır. Bu bölgede savak akımı savak gerilimine neredeyse bağlı olmadığından aygıt bir akım kaynağına yaklaşır ve kapı gerilimindeki küçük değişimler savak akımında orantılı değişimler üretir. Yükselteçler, akım aynaları ve karşılaştırıcılar bu davranış üzerine kurulur; kapı akımının yok denecek kadar küçük olması, MOSFET'i yüksek giriş direnci istenen katlarda üstün kılar.[1]

Güç elektroniği

[değiştir | kaynağı değiştir]
D2PAK yüzeye montaj paketinde iki güç MOSFET'i. Anahtar olarak çalışan bu bileşenler kapalı iken yüzlerce voltluk gerilime dayanır, açık iken onlarca amperlik akım iletir. Ölçek için yanına kibrit çöpü konmuştur.

Güç MOSFET'leri, yüksek gerilim ve akımların anahtarlanması için ayrı bir yapıyla üretilir: akım yüzeye koşut değil, kırmığın kalınlığı boyunca dikey olarak akar ve çok sayıda hücre koşut bağlanır. Anahtarlamalı güç kaynakları, motor sürücüleri ve gerilim düzenleyiciler bu aygıtlarla kurulur. İletimdeki direncin küçüklüğü ve kapıyı sürmek için akım gerekmemesi, çift kutuplu transistörlere göre başlıca üstünlükleridir.[1]

Moore yasası

[değiştir | kaynağı değiştir]

MOSFET'in küçülmesini bir sanayi hedefine çeviren gözlem 1965'te Gordon Moore tarafından yapıldı. Moore, bir tümleşik devreye en düşük birim maliyetle sığdırılabilen bileşen sayısının her yıl yaklaşık iki katına çıktığını saptamış ve eğilimin süreceğini öngörmüştü.[7] 1975'te oranı gözden geçirip iki yılda bir ikiye katlanmaya çekti ve artışı besleyen üç kaynağı ayırdı. Bunlar kırmığın büyümesi, aygıt boyutunun küçülmesi ve devrenin daha sıkı yerleştirilmesiydi.[14]

Ortaya konan şey bir doğa yasası değil, sanayinin sonradan kendi planlama hedefine dönüştürdüğü bir eğilimdir. Buna karşın doğrudan MOSFET'e dayanır, çünkü bir yongadaki aygıt sayısının artması tek tek aygıtların küçülmesini gerektirir. Kanal kısalıp kapı yalıtkanı incelirken transistörün kapladığı alan da küçülür. Tümleyici yapının kesimde akım harcamaması ise sayı arttıkça toplam gücün yönetilebilir kalmasını sağlamış, bu artışın taşıyıcısı olacak devre ailesini belirlemiştir.[3]

Moore yasası ile Dennard ölçeklemesi ayrı şeyler söyler. Biri transistör sayısını, öteki o transistörlerin harcadığı gücü konu alır. İkisi 2000'li yılların ortalarına kadar birlikte yürüdü ve her kuşak hem daha çok transistör hem daha yüksek saat sıklığı getirdi.[9] Besleme gerilimi ölçeklenemez duruma gelince ayrıştılar. Transistör sayısı artmayı sürdürdü, ama saat sıklığı duraksadı; kazanç tek bir çekirdeği hızlandırmaktan çekirdek sayısını artırmaya kaydı.[15]

2010'lu yıllardan sonra ikiye katlanma aralığı uzadı ve her kuşakta elde edilen maliyet kazancı zayıfladı. Sektörün ortak teknoloji yol haritası 2016'da son kez yayımlandı; sanayi artık planlarını yalnızca transistörü küçültmek üzerine kurmuyordu.[16] Sayının artmayı sürdürmesini sağlayan başlıca aygıt yanıtı, kapının kanalı daha çok yandan sardığı üç boyutlu yapılara geçilmesi olmuştur.[17]

Küçültmenin sınırları

[değiştir | kaynağı değiştir]

MOSFET'i küçültmek uzun süre üç kazancı birden verdi: aynı alana daha çok transistör sığdı, aygıt hızlandı ve anahtarlama başına harcanan enerji azaldı. Dennard ölçeklemesi bu kazancın kuralını verir; boyutlar ve besleme gerilimi birlikte küçültüldüğünde birim alandaki güç sabit kalır.[8] Kural 2000'li yıllarda bozuldu, çünkü besleme gerilimi artık aynı oranda düşürülemiyordu. Bunun ardında MOSFET'in kendi fiziğinden gelen birkaç sınır vardır.[9]

Eşik gerilimi düşürülemiyor. Besleme gerilimini düşürmek için eşik geriliminin de düşmesi gerekir; ama eşik düştükçe kesimdeki eşik altı akım üstel olarak büyür. Bir noktadan sonra kapalı transistörlerin sızdırdığı akım, devrenin iş yaparken harcadığı güçle karşılaştırılabilir duruma gelir. Bu, sızıntının toplam güç içindeki payını artırmış ve güç duvarının oluşmasında belirleyici olmuştur.[9]

Kapı yalıtkanı incelemiyor. Kapının kanal üzerindeki denetimini korumak için yalıtkanın da incelmesi gerekir; ancak birkaç atom katmanına inildiğinde elektronlar yalıtkanı tünelleyerek geçmeye başlar ve kapı akımı hızla büyür. Silisyum dioksidin yerini yüksek dielektrik sabitli malzemelerin alması bu sınırın sonucudur: aynı elektriksel etki daha kalın, dolayısıyla daha az sızdıran bir katmanla elde edilir.[2]

Savak kapının işine karışıyor. Kanal kısaldıkça savağın elektrik alanı kaynak yakınındaki engeli aşağı çeker; eşik gerilimi savak gerilimine bağlı duruma gelir ve aygıt beklenenden erken iletime geçer. Kısa kanal etkilerinin en bilineni olan bu olgu, kapının kanalı daha çok yandan sarmasını gerektiren asıl nedendir.[9][17]

Aygıtlar birbirinin aynı olmuyor. Kanal bölgesindeki katkı atomlarının sayısı küçüldükçe azalır ve bu sayıdaki rastgele değişim eşik geriliminde aygıttan aygıta fark yaratır. Aynı maskeyle üretilen transistörler farklı davrandığı için tasarım, en kötü durumu karşılayacak paylar bırakmak zorunda kalır.[9]

Bu sınırların birlikte doğurduğu sonuç, güç yoğunluğunun tasarımı belirleyen kısıt durumuna gelmesidir: bir yongadaki transistörlerin tümü aynı anda tam hızda çalıştırılamaz. Karanlık silisyum adı verilen bu durum, çok çekirdekli mimarilerin ve özelleşmiş hızlandırıcıların yaygınlaşmasında etkili olmuştur.[9]

Üç boyutlu yapılar

[değiştir | kaynağı değiştir]
Üç yapının karşılaştırması. Üstte düzlemsel MOSFET, ortada kapının yüzgeci üç yandan sardığı FinFET, altta kapının her nanolevhayı dört yandan sardığı GAAFET.

Düzlemsel MOSFET'te kapı kanalı yalnızca üstten denetler. Kanal kısaldıkça kaynak ve savak alanlarının kanal üzerindeki etkisi artar, kapının denetimi zayıflar ve aygıt tümüyle kapanmaz duruma gelir; eşik altı akım büyür, eşik gerilimi kanal uzunluğuna bağımlı olmaya başlar. Bu sınırı aşmanın yolu kapının kanalı daha çok yandan sarmasıdır; kanalın pul yüzeyinden yukarı taşınması bunu olanaklı kılar.[17][9] Düzlemsel yapıdan FinFET'e geçiş 22 nanometre, FinFET'ten GAAFET'e geçiş 3 nanometre kuşağında başlamıştır; bir kuşak adı iki ayrı yapıyı kapsayabildiği için yapılar zamanda örtüşür.[18][19]

Kuşak adı, ilk üretim yılı ve transistör yapısı. Nokta biçimi üreticiyi, rengi yapıyı gösterir; alttaki şeritler üç yapının üretimde bulunduğu dönemleri verir.

FinFET

[değiştir | kaynağı değiştir]

FinFET'te kanal, pul yüzeyinden ince bir yüzgeç biçiminde yükseltilir ve kapı bu yüzgeci üç yandan sarar. Kapının kanala baktığı yüzey böylece yüzgecin iki yanı ile üstünün toplamı kadar olur; elektrostatik denetim, aynı taban alanını kaplayan düzlemsel bir aygıttakinden belirgin biçimde güçlüdür.[17]

Yapının kendine özgü bir kısıtı vardır. Etkin kanal genişliği yüzgecin boyuyla belirlendiğinden ve yüzgeç yüksekliği süreçte sabit olduğundan, bir transistörün sürme gücü ancak yüzgeç sayısı artırılarak büyütülebilir. Genişlik böylece kesikli bir değişkene dönüşür; tasarımcı iki yüzgeçli ile üç yüzgeçli bir aygıt arasında ara bir değer seçemez.[17]

Yapı ilk kez 2012'de Intel'in 22 nanometre sürecinde yüksek hacimli üretime girmiştir; Intel'in bildirdiğine göre düzlemsel 32 nanometre transistörlerine göre düşük gerilimde %37'ye varan başarım artışı ya da aynı başarımda yarıdan az güç tüketimi sağlamıştır.[18][20] FinFET, 22 nanometreden 3 nanometreye kadar olan kuşaklarda mantık üretiminin baskın yapısı olmuştur.

GAAFET

[değiştir | kaynağı değiştir]

GAAFET'te kanal, üst üste dizili ince silisyum nanolevhalardan oluşur ve kapı her levhayı dört yandan çevreler. Kanal artık altlığa hiçbir yerinden bağlı olmadığından kapının denetimi FinFET'tekinden de güçlüdür; aynı eşik altı davranış daha kısa kanallarda korunabilir.[17]

Yapı, FinFET'in kesikli genişlik kısıtını da kaldırır: levha genişliği süreçte serbestçe seçilebilen sürekli bir değişkendir, dolayısıyla sürme gücü yüzgeç adımlarına bağlı kalmadan ayarlanabilir. Buna karşılık üretim karmaşıklaşır. Levhalar başlangıçta silisyum ile silisyum-germanyum katmanlarının sırayla büyütülmesiyle oluşturulur; germanyumlu katmanlar seçici olarak aşındırılıp boşaltılır ve açılan aralıklara kapı yalıtkanı ile kapı metali doldurulur. Kaynak ile savağın kapıdan yalıtılması için levhaların uçlarına iç yalıtkan duvarlar örülür. Bu adımların hiçbiri FinFET akışında bulunmaz.[17]

Yapı ilk kez 2022'de Samsung'un 3 nanometre sürecinde seri üretime alınmış,[19] 2025'te TSMC ve Intel de 2 nanometre kuşağında bu yapıya geçmiştir.[21][22]

Kaynakça

[değiştir | kaynağı değiştir]
  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 Sze, S. M.; Ng, Kwok K. (2007). Physics of Semiconductor Devices (İngilizce) (3 bas.). Wiley-Interscience.
  2. 1 2 3 Wilk, G. D.; Wallace, R. M.; Anthony, J. M. (2001). "High-κ gate dielectrics: Current status and materials properties considerations". Journal of Applied Physics. 89 (10): 5243-5275. doi:10.1063/1.1361065.
  3. 1 2 3 4 5 Wanlass, F.; Sah, C. (1963). Nanowatt logic using field-effect metal-oxide semiconductor triodes. 1963 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC). ss. 32-33. doi:10.1109/isscc.1963.1157450.
  4. ↑ Lilienfeld, Julius Edgar (1926-10-08) "Method and apparatus for controlling electric currents" ABD patent 1745175A
  5. 1 2 3 Sah, Chih-Tang (1988). "Evolution of the MOS transistor-from conception to VLSI". Proceedings of the IEEE. 76 (10): 1280-1326. doi:10.1109/5.16328.
  6. ↑ Deal, B. E.; Grove, A. S. (1965). "General Relationship for the Thermal Oxidation of Silicon". Journal of Applied Physics. 36 (12): 3770-3778. doi:10.1063/1.1713945.
  7. 1 2 Moore, Gordon E. (1965). "Cramming more components onto integrated circuits". IEEE Solid-State Circuits Society Newsletter. 11 (3): 33-35. doi:10.1109/n-ssc.2006.4785860.
  8. 1 2 Dennard, Robert H.; Gaensslen, Fritz H.; Yu, Hwa-Nien (1974). "Design of ion-implanted MOSFET's with very small physical dimensions". IEEE Journal of Solid-State Circuits. 9 (5): 256-268. doi:10.1109/jssc.1974.1050511.
  9. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Frank, D. J.; Dennard, R. H.; Nowak, E. (2001). "Device scaling limits of Si MOSFETs and their application dependencies". Proceedings of the IEEE. 89 (3): 259-288. doi:10.1109/5.915374.
  10. ↑ "Intel 45nm Hi-k Silicon Technology" (İngilizce). Intel. 5 Temmuz 2007 tarihinde kaynağından arşivlendi.
  11. ↑ "D‐MOSFET OPERATION AND BIASING" (PDF). 22 Ekim 2022 tarihinde kaynağından arşivlendi (PDF).
  12. ↑ Hofstein, S. R.; Heiman, F. P. (1963). "The silicon insulated-gate field-effect transistor". Proceedings of the IEEE. 51 (9): 1190-1202. doi:10.1109/proc.1963.2488.
  13. ↑ Masuoka, F.; Momodomi, M.; Iwata, Y. (1987). New ultra high density EPROM and flash EEPROM with NAND structure cell. 1987 International Electron Devices Meeting (IEDM). ss. 552-555. doi:10.1109/iedm.1987.191485.
  14. ↑ Moore, Gordon E. (2006). "Progress in digital integrated electronics". IEEE Solid-State Circuits Society Newsletter. 11 (3): 36-37. doi:10.1109/n-ssc.2006.4804410.
  15. ↑ Borkar, Shekhar; Chien, Andrew A. (2011). "The future of microprocessors". Communications of the ACM. 54 (5): 67-77. doi:10.1145/1941487.1941507.
  16. ↑ Waldrop, M. Mitchell (2016). "The chips are down for Moore's law". Nature. 530 (7589): 144-147. doi:10.1038/530144a.
  17. 1 2 3 4 5 6 7 Loubet, Nicolas; Hook, Terence; Montanini, Pietro (2017). Stacked nanosheet gate-all-around transistor to enable scaling beyond FinFET. Symposium on VLSI Technology. ss. T230-T231. doi:10.23919/VLSIT.2017.7998183.
  18. 1 2 "Intel Reinvents Transistors Using New 3-D Structure" (İngilizce). Intel. 4 Mayıs 2011. Erişim tarihi: 7 Eylül 2026.
  19. 1 2 "Samsung Begins Chip Production Using 3nm Process Technology With GAA Architecture" (İngilizce). Samsung. 30 Haziran 2022. Erişim tarihi: 7 Eylül 2026.
  20. ↑ Auth, C.; Allen, C.; Blattner, A. (2012). A 22nm high performance and low-power CMOS technology featuring fully-depleted tri-gate transistors, self-aligned contacts and high density MIM capacitors. 2012 Symposium on VLSI Technology (VLSIT). ss. 131-132. doi:10.1109/VLSIT.2012.6242496.
  21. ↑ "2nm Technology" (İngilizce). TSMC. Erişim tarihi: 7 Eylül 2026.
  22. ↑ Wang, Xiaofei; Kim, Yusung; Baek, Gwang Hyeon (2025). A 0.021um2 High-Density SRAM in Intel-18A-RibbonFET Technology with PowerVia-Backside Power Delivery. 2025 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC). ss. 494-496. doi:10.1109/isscc49661.2025.10904657.

Dış bağlantılar

[değiştir | kaynağı değiştir]
Wikimedia Commons'ta MOSFET ile ilgili ortam dosyaları mevcuttur.
"https://tr.wikipedia.org/w/index.php?title=MOSFET&oldid=37953710" sayfasından alınmıştır