MOSFET – Základní prvek CMOS

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) je tranzistor řízený elektrickým polem. V technologii CMOS tvoří základní spínací prvek, který díky své konstrukci umožňuje minimální spotřebu energie a extrémní miniaturizaci.

1. Proč právě MOSFET v CMOS?

Technologie CMOS (Complementary MOS) využívá doplňkovosti dvou typů MOSFETů: NMOS a PMOS. Hlavním důvodem jejich dominance je:

Vysoký vstupní odpor: Brána (Gate) je izolovaná vrstvou oxidu, takže do ní neteče téměř žádný proud.
Dva stavy: MOSFET funguje jako téměř dokonalý spínač (buď vede, nebo izoluje).
Nízké tepelné ztráty: V klidovém stavu CMOS obvodem neprotéká proud, což brání přehřívání čipů s miliardami tranzistorů.

—

2. Struktura MOSFETu

Každý MOSFET se skládá ze čtyř klíčových částí:

1. **Source (S) - Zdroj:** Místo, kudy nosiče náboje vstupují do kanálu.
2. **Drain (D) - Odvod:** Místo, kudy nosiče náboje kanál opouštějí.
3. **Gate (G) - Brána:** Řídicí elektroda.
4. **Dielektrikum (Oxid):** Extrémně tenká izolační vrstva pod bránou (obvykle $SiO_2$).

—

3. Jak MOSFET tvoří logiku CMOS

V CMOS architektuře pracují MOSFETy vždy v párech. Tento princip „protikladů“ zajišťuje, že napájecí napětí nikdy není přímo spojeno se zemí.

NMOS (Negative-channel)

Vodiče: Elektrony.
Aktivace: Sepne, když je na Gate vysoké napětí (Logická 1).
Role: V CMOS „stahuje“ výstup k zemi (Pull-down).

PMOS (Positive-channel)

Vodiče: „Díry“ (absence elektronů).
Aktivace: Sepne, když je na Gate nízké napětí (Logická 0).
Role: V CMOS „vytahuje“ výstup k napájení (Pull-up).

—

4. Cesta k miniaturizaci: Od planárních k FinFET

S postupným zmenšováním procesorů (pod 20 nm) začaly klasické „ploché“ (planární) MOSFETy vykazovat chyby, zejména svodové proudy. Proto byl vyvinut:

FinFET (3D tranzistor): Kanál tranzistoru už není plochý, ale vystupuje nad povrch jako „ploutev“ (fin). Brána pak obklopuje kanál ze tří stran, což umožňuje mnohem lepší kontrolu nad tokem elektronů a další zmenšování (7 nm, 5 nm a méně).

[Image comparing planar MOSFET vs FinFET structure]

—

5. Shrnutí vlastností

Vlastnost	Význam pro CMOS
Řízení napětím	Minimální energetická náročnost na ovládání.
Izolovaná brána	Zamezuje nechtěným zkratům uvnitř čipu.
Škálovatelnost	Možnost vyrábět tranzistory o velikosti několika nanometrů.

Související články:

Tagy: hw electronics mosfet cmos transistor semiconductor