Вы находитесь здесь: Главная > Транзисторы > Полевой транзистор-1

Полевой транзистор-1

Полевой транзистор-1

Мысль полевого транзистора с изолированным затвором была предложена Лилиенфельдом в 1926—1928 годах. Но конкретные трудности в реализации этой конструкции позволили сделать 1-ый работающий прибор этого типа исключительно в 1960 году. В 1953 году Дейки и Росс предложили и реализовали другую конструкцию полевого транзистора — с управляющим p-n-переходом. В конце концов, 3-я конструкция полевых транзисторов — полевых транзисторов с барьером Шоттки — была предложена и реализована Мидом в 1966 году.

Схемы включения полевых транзисторов

Систематизация полевых транзисторов

По физической структуре и принципу работы полевые транзисторы условно делят на 2 группы. Первую образуют транзисторы с управляющим р-n переходом либо переходом металл — полупроводник (барьер Шоттки), вторую — транзисторы с управлением средством изолированного электрода (затвора), т. н. транзисторы МДП (метал — диэлектрик — полупроводник).

Транзисторы с управляющим p-n переходом

Рис. 1. Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом

Полевой транзистор-1

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом — это полевой транзистор, затвор которого изолирован (другими словами отделён в электронном отношении) от канала p-n переходом, смещённым в оборотном направлении.

Таковой транзистор имеет два невыпрямляющих контакта к области, по которой проходит управляемый ток главных носителей заряда, и один либо два управляющих электронно-дырочных перехода, смещённых в оборотном направлении (см. рис. 1). При изменении оборотного напряжения на p-n переходе меняется его толщина и, как следует, толщина области, по которой проходит управляемый ток главных носителей заряда. Область, толщина и поперечное сечение которой управляется наружным напряжением на управляющем p-n переходе и по которой проходит управляемый ток главных носителей, именуют каналом. Электрод, из которого в канал входят главные носители заряда, именуют истоком. Электрод, через который из канала уходят главные носители заряда, именуют стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, именуют затвором.

Электропроводность канала может быть как n-, так и p-типа. Потому по электропроводности канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом. Все полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n — и с p-каналом, обратны.

Управление током стока, другими словами током от наружного относительно массивного источника питания в цепи нагрузки, происходит при изменении оборотного напряжения на p-n переходе затвора (либо на 2-ух p-n переходах сразу). В связи с малостью оборотных токов мощность, нужная для управления током стока и потребляемая от источника сигнала в цепи затвора, оказывается ничтожно малой. Потому полевой транзистор может обеспечить усиление электрических колебании как по мощности, так и по току и напряжению.

Таким макаром, полевой транзистор по принципу деяния аналогичен вакуумному триоду. Исток в полевом транзисторе подобен катоду вакуумного триода, затвор — сетке, сток — аноду. Но при всем этом полевой транзистор значительно отличается от вакуумного триода. Во-1-х, для работы полевого транзистора не требуется обогрева катода. Во-2-х, всякую из функций истока и стока может делать любой из этих электродов. В-3-х, полевые транзисторы могут быть изготовлены как с n-каналом, так и с p-каналом, что позволяет успешно соединять эти два типа полевых транзисторов в схемах.

От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-1-х, принципом деяния: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом делается входным током, а в полевом транзисторе — входным напряжением либо электронным полем. Во-2-х, полевые транзисторы имеют существенно огромные входные сопротивления, что связано с оборотным смещением p-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-3-х, полевые транзисторы могут владеть низким уровнем шума (в особенности на низких частотах), потому что в полевых транзисторах не употребляется явление инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора может быть отделён от поверхности полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации носителей в p-n переходе и в базе биполярного транзистора, также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника сопровождаются появлением низкочастотных шумов.

Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)

Рис. 2. Устройство полевого транзистора с изолированным затвором.

Полевой транзистор с изолированным затвором — это полевой транзистор, затвор которого отделён в электронном отношении от канала слоем диэлектрика.

В кристалле полупроводника с относительно высочайшим удельным сопротивлением, который именуют подложкой, сделаны две сильнолегированные области с обратным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены железные электроды — исток и сток. Расстояние меж очень легированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника меж истоком и стоком покрыта узким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Потому что начальным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика употребляется слой двуокиси кремния SiO2, выкормленный на поверхности кристалла кремния оковём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесён железный электрод — затвор. Выходит структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Потому полевые транзисторы с изолированным затвором нередко именуют МДП-транзисторами.

Входное сопротивление МДП-транзисторов может достигать 1010…1014 Ом (у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом 107…109), что является преимуществом при построении высокоточных устройств.

Есть две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со интегрированным каналом.

Полевой транзистор-1В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 2, а) проводящий канал меж сильнолегированными областями истока и стока отсутствует и, как следует, приметный ток стока возникает только при определённой полярности и при определённом значении напряжения на затворе относительно истока, которое именуют пороговым напряжением (UЗИпор).

В МДП-транзисторах со интегрированным каналом (рис. 2, б) у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой — канал, который соединяет исток со стоком.

Изображённые на рис. 2 структуры полевых транзисторов с изолированным затвором имеют подложку с электропроводностью n-типа. Потому сильнолегированные области под истоком и стоком, также индуцированный и интегрированный канал имеют электропроводность p-типа. Если же подобные транзисторы сделаны на подложке с электропроводностью p-типа, то канал у их будет иметь электропроводность n-типа.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом

Полевой транзистор-1При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, и при наличии напряжения на стоке, — ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой оборотный ток p-n перехода меж подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе (для структуры, показанной на рис. 2, а) в итоге проникания электронного поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе (наименьших UЗИпор) у поверхности полупроводника под затвором появляется обеднённый основными носителями слой эффект поля и область объёмного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов. При напряжениях на затворе, огромных UЗИпор, у поверхности полупроводника под затвором появляется инверсный слой, который и является каналом, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала будут изменяться с конфигурацией напряжения на затворе, соответственно будет изменяться и ток стока, другими словами ток в цепи нагрузки и относительно массивного источника питания. Так происходит управление током стока в полевом транзисторе с изолированным затвором и с индуцированным каналом.

В связи с тем, что затвор отделён от подложки диэлектрическим слоем, ток в цепи затвора ничтожно мал, мала и мощность, потребляемая от источника сигнала в цепи затвора и нужная для управления относительно огромным током стока. Таким макаром, МДП-транзистор с индуцированным каналом может создавать усиление электрических колебаний по напряжению и по мощности.

Принцип усиления мощности в МДП-транзисторах можно рассматривать исходя из убеждений передачи носителями заряда энергии неизменного электронного поля (энергии источника питания в выходной цепи) переменному электронному полю. В МДП-транзисторе до появления канала практически всё напряжение источника питания в цепи стока падало на полупроводнике меж истоком и стоком, создавая относительно огромную постоя
нную составляющую напряжённости электронного поля. Под действием напряжения на затворе в полупроводнике под затвором появляется канал, по которому от истока к стоку движутся носители заряда — дырки. Дырки, двигаясь по направлению неизменной составляющей электронного поля, разгоняются этим полем и их энергия возрастает за счёт энергии источника питания, в цепи стока. Сразу с появлением канала и возникновением в нём подвижных носителей заряда миниатюризируется напряжение на стоке, другими словами секундное значение переменной составляющей электронного поля в канале ориентировано обратно неизменной составляющей. Потому дырки тормозятся переменным электронным полем, отдавая ему часть собственной энергии.

МДП-транзисторы со интегрированным каналом

Рис. 3. Выходные статические свойства (a) и статические свойства передачи (b) МДП-транзистора со интегрированным каналом.

Полевой транзистор-1В данной схеме в качестве нелинейного элемента употребляется МДП транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом.

Полевой транзистор-1

В связи с наличием встроенного канала в таком МДП-транзисторе при нулевом напряжении на затворе (см. рис. 2, б) поперечное сечение и проводимость канала будут изменяться при изменении напряжения на затворе как отрицательной, так и положительной полярности. Таким макаром, МДП-транзистор со интегрированным каналом может работать в 2-ух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения канала носителями заряда. Эта особенность МДП-транзисторов со интегрированным каналом отражается и на смещении выходных статических черт при изменении напряжения на затворе и его полярности (рис. 3).

Статические свойства передачи (рис. 3, b) выходят из точки на оси абсцисс, соответственной напряжению отсечки UЗИотс, другими словами напряжению меж затвором и истоком МДП-транзистора со интегрированным каналом, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока добивается данного низкого значения.

Формулы расчёта зависимо от напряжения UЗИ

1. Транзистор закрыт

Пороговое значение напряжения МДП транзистора

2. Параболический участок.

Полевой транзистор-1-удельная крутизна транзистора.

3. Предстоящее повышение U3u приводит к переходу на пологий уровень.

— Уравнение Ховстайна. МДП-структуры специального предназначения

Полевой транзистор-1В структурах типа металл-нитрид-оксид-полупроводник (МНОП) диэлектрик под затвором производится двухслойным: слой оксида SiO2 и большой слой нитрида Si3N4. Меж слоями образуются ловушки электронов, которые при подаче на затвор МНОП-структуры положительного напряжения (28..30 В) захватывают туннелирующие через узкий слой SiO2 электроны. Образующиеся негативно заряженные ионы увеличивают пороговое напряжение, причём их заряд может храниться до пары лет при отсутствии питания, потому что слой SiO2 предутверждает утечку заряда. При подаче на затвор огромного отрицательного напряжения (28…30 В), скопленный заряд рассасывается, что значительно уменьшает пороговое напряжение.

Структуры типа металл-оксид-полупроводник (МОП) с плавающим затвором и лавинной инжекцией (ЛИЗМОП) имеют затвор, выполненный из поликристаллического кремния, изолированный от других частей структуры. Лавинный пробой p-n-перехода подложки и стока либо истока, на которые подаётся высочайшее напряжение, позволяет электронам просочиться через слой окисла на затвор, вследствие чего на нём возникает отрицательный заряд. Изолирующие характеристики диэлектрика позволяют сохранять это заряд 10-ки лет. Удаление электронного заряда с затвора осуществляется при помощи ионизирующего ультрафиолетового облучения кварцевыми лампами, при всем этом фототок позволяет электронам рекомбинировать с дырками.

В предстоящем были разработаны структуры запоминающих полевых транзисторов с двойным затвором. Интегрированный в диэлектрик затвор употребляется для хранения заряда, определяющего состояние прибора, а наружный (обыденный) затвор, управляемый разнополярными импульсами для ввода либо удаления заряда на интегрированном (внутреннем) затворе. Так появились ячейки, а потом и микросхемы флэш-памяти, получившие в наши деньки огромную популярнотсь и составившие приметную конкурентнсть жестким дискам в компьютерах.

Для сотворения сверхбольших интегральных схем (СБИС) были сделаны сверхминиатюрные полевые микротранзисторы. Они делаются с применением нанотехнологий с геометрическим разрешением наименее 100 нм. У таких устройств толщина подзатворного диэлектрика доходит до нескольких атомных слоев. Употребляются разные, в том числе трехзатворные структуры. Приборы работают в микромощном режиме. В современных процессорах компании Intel число устройств составляет от 10-ов миллионов до 2 млрд. Новые полевые микротранзисторы производятся на напряженном кремнии, имеют железный затвор и употребляют новый патентованный материал для подзатворного диэлектрика на базе соединений гафния.[1]

В последние четверть века бурное развитие получили массивные полевые транзисторы, в главном МДП-типа. Они состоят из огромного количества маломощных структур либо из структур с разветвленной конфигурацией затвора. Такие ВЧ и СВЧ приборы в первый раз были сделаны в CCCР спецами НИИ «Пульсар» Бачуриным В. В. (кремниевые приборы) и Ваксембургом В. Я. (арсенид-галлиевые приборы) Исследование их импульсных параметров было выпол

  • Digg
  • Del.icio.us
  • StumbleUpon
  • Reddit
  • Twitter
  • RSS

Оставить комментарий

Подтвердите, что Вы не бот — выберите самый большой кружок: