nMOS

Ein nMOS-Transistor ist ein Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), bei dem der leitfähige Kanal zwischen Source und Drain aus n-dotiertem Halbleitermaterial besteht. Die Dotierung erfolgt mit Donator-Verunreinigungen (typischerweise Phosphor oder Arsen in Silizium), die einen Überschuss an freien Elektronen bereitstellen. Wird eine positive Spannung an das Gate angelegt, zieht sie Elektronen in den Kanal, schaltet das Bauelement ein und ermöglicht Stromfluss von Drain zu Source. Die Elektronenbeweglichkeit in n-dotiertem Silizium ist etwa doppelt so hoch wie die Lochmobilität in p-dotiertem Material, weshalb nMOS-Bauelemente schneller schalten und bei gleicher Chipfläche mehr Strom leiten als ihre pMOS-Gegenstücke.

Der Name spiegelt die physikalische Struktur wider: die Gate-Elektrode sitzt auf einer dünnen Siliziumdioxid-Isolationsschicht (das Oxid), die über dem Halbleiterkanal liegt. Beim Enhancement-Mode nMOS, der häufigsten Variante in integrierten Schaltkreisen, existiert der Kanal im ausgeschalteten Zustand nicht; die Gate-Spannung erzeugt ihn erst. Beim Depletion-Mode nMOS existiert ein Kanal standardmäßig und die Gate-Spannung sperrt ihn, diese Variante ist aber außerhalb spezialisierter HF- und Analogschaltkreise heute selten. Moderne nMOS-Transistoren in Logic und Memory werden typischerweise mit Gate-Längen zwischen 3 Nanometern und mehreren hundert Nanometern gefertigt, mit Kanalbreiten, die zur Erreichung des gewünschten Durchlasswiderstands und der Schaltgeschwindigkeit variiert werden.

Wo nMOS dominiert

nMOS-Logik bildete die Basis früher Mikroprozessoren und bleibt die schnellere, stromsparendere Komponente in CMOS-Schaltungen (Complementary MOS), wo nMOS- und pMOS-Transistoren in Push-Pull-Paaren arbeiten. In einem CMOS-Inverter oder Gate zieht nMOS den Ausgang gegen Masse (Logik 0), während pMOS gegen die Versorgungsschiene zieht (Logik 1). Diese Anordnung minimiert die statische Leistungsdissipation, da ein Transistor immer aus ist. Aus diesem Grund werden seit den 1980er Jahren alle hochvolumigen Digital-Logik, Mikrocontroller und Prozessoren in CMOS gebaut, nicht in reiner nMOS-Logik. Reine nMOS-Logik zieht auch im Ruhezustand erheblichen Strom und erzeugt Wärme, was sie für große Chips unpraktisch machte.

In Memory dienen nMOS-Transistoren als Zugriffsgates in DRAM-Zellen und als programmierbare Komponenten in Flash-Speichern. Ein Floating-Gate-nMOS-Transistor in Flash-Memory kann durch Anlegung hoher Spannungen während Programmier- und Löschzyklen geladen oder entladen werden; das Vorhandensein oder Fehlen von Ladung auf diesem Gate bestimmt, ob die Zelle als 0 oder 1 gelesen wird. Die Schwellspannung eines solchen Transistors bestimmt seinen Zustand; Spannungsschwellen in einer modernen Flash-Zelle können auf wenige Millivolt genau gesteuert werden.

Physikalische Degradation von nMOS-Bauelementen erfolgt durch Hot-Carrier-Injection (energiereiche Ladungsträger treffen auf das Gate-Oxid und werden dort gefangen), Elektromigration in Metallverbindungen und Negative Bias Temperature Instability (NBTI), die die Schwellspannung im Laufe der Zeit beeinflusst. Designer müssen diese Mechanismen beim Festlegen von Spannungs- und Thermalgrenzen berücksichtigen. Der nMOS-Transistor bleibt das dominante Schaltelement in der Halbleiterfertigung wegen seiner Geschwindigkeit, des kleinen Footprints und seiner Kompatibilität mit skalierten Technologien bis zu den kleinsten heute in der Produktion verwendeten Strukturgrößen.