Структура полевого транзистора: Виды полевых транзисторов: МДП, схемы, характеристики ВАХ — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Виды полевых транзисторов: МДП, схемы, характеристики ВАХ

Полевые транзисторы с изолированным затвором.

В транзисторах этого типа затвор отделен от полупроводника слоем диэлектрика, в качестве которого в кремниевых приборах обычно используется двуокись кремния. Эти транзисторы обозначают аббревиатурой МОП (металл-окисел-полупроводник) и МДП (металл-диэлектрик-полупроводник). В англоязычной литературе их обычно обозначают аббревиатурой MOSFET или MISFET (Metal-Oxide (Insulator) —Semiconductor FET).

В свою очередь МДП-транзисторы делят на два типа.

В так называемых транзисторах со встроенным (собственным) каналом (транзистор обедненного типа) и до подачи напряжения на затвор имеется канал, соединяющий исток и сток.

В так называемых транзисторах с индуцированным каналом (транзистор обогащенного типа) указанный выше канал отсутствует.

МДП-транзисторы характеризуются очень большим входным сопротивлением. При работе с такими транзисторами надо предпринимать особые меры защиты от статического электричества. Например, при пайке все выводы необходимо закоротить.

МДП-транзистор со встроенным каналом.

Канал может иметь проводимость как p-типа, так и n-типа. Для определенности обратимся к транзистору с каналом p -типа. Дадим схематическое изображение структуры транзистора (рис. 1.97), условное графическое обозначение транзистора с каналом p-типа (рис. 1.98, а) и с каналом n-типа (рис. 1.98, б). Стрелка, как обычно, указывает направление от слоя p к слою n.

Рассматриваемый транзистор (см. рис. 1.97) может работать в двух режимах: обеднения и обогащения.

Режиму обеднения соответствует положительное напряжение uзи. При увеличении этого напряжения концентрация дырок в канале уменьшается (так как потенциал затвора больше потенциала истока), что приводит к уменьшению тока стока.

Если напряжение uзи больше напряжения отсечки, т. е. если u зи>uзи_отс, то канал не существует и ток между истоком и стоком равен нулю.

Режиму обогащения соответствует отрицательное напряжение uзи. При этом, чем больше модуль указанного напряжения, тем больше проводимость канала и тем больше ток стока.

Приведем схему включения транзистора (рис. 1.99).

На ток стока влияет не только напряжение uзи, но и напряжение между подложкой и истоком uпи. Однако управление по затвору всегда предпочтительнее, так как при этом входные токи намного меньше. Кроме того, наличие напряжения на подложке уменьшает крутизну.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Подложка образует с истоком, стоком и каналом p-n-переход. При использовании транзистора необходимо следить за тем, чтобы напряжение на этом переходе не смещало его в прямом направлении. На практике подложку подключают к истоку (как показано на схеме) или к точке схемы, имеющей потенциал, больший потенциала истока (потенциал стока в приведенной выше схеме меньше потенциала истока).

Изобразим выходные характеристики МДП-транзистора (встроенный p-канал) типа КП201Л (рис. 1.100) и его стокозатворную характеристику (рис. 1.101).

МДП-транзистор с индуцированным (наведенным) каналом.

Канал может иметь проводимость как p-типа, так и n-типа. Для определенности обратимся к транзистору с каналом p-типа. Дадим схематическое изображение структуры транзистора (рис. 1.102), условное графическое обозначение транзистора с индуцированным каналом p -типа (рис. 1.103, а) и каналом n-типа (рис. 1.103, б).

При нулевом напряжении uзи канал отсутствует (рис. 1.102) и ток стока равен нулю. Транзистор может работать только в режиме обогащения, которому соответствует отрицательное напряжение uзи. При этом uиз > 0.Если выполняется неравенство uиз>u из порог, где u из порог — так называемое пороговое напряжение, то между истоком и стоком возникает канал p-типа, по которому может протекать ток.

Канал p-типа возникает из-за того, что концентрация дырок под затвором увеличивается, а концентрация электронов уменьшается, в результате чего концентрация дырок оказывается больше концентрации электронов.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Описанное явление изменения типа проводимости называют инверсией типа проводимости, а слой полупроводника, в котором оно имеет место (и который является каналом), — инверсным (инверсионным). Непосредственно под инверсным слоем образуется слой, обедненный подвижными носителями заряда. Инверсный слой значительно тоньше обедненного (толщина инверсного слоя 1 · 10 – 9…5 · 10– 9 м, а толщина обедненного слоя больше в 10 и более раз).

Изобразим схему включения транзистора (рис. 1.104), выходные характеристики (рис. 1.105) и стокозатворную характеристику (рис. 1.106) для МДП-транзистора с индуцированным p-каналом КП301Б.

Полезно отметить, что в пакете программ Micro-Cap II для моделирования полевых транзисторов всех типов используется одна и та же математическая модель (но, естественно, с различными параметрами).

Полевой транзистор — это… Что такое Полевой транзистор?

Полевой транзистор (англ. field-effect transistor, FET) — полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом.

Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы часто включают в более широкий класс униполярных электронных приборов (в отличие от биполярных).

История создания полевых транзисторов

В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 29 мая 2012.

Идея полевого транзистора с изолированным затвором была предложена Лилиенфельдом в 1926—1928 годах. Однако объективные трудности в реализации этой конструкции позволили создать первый работающий прибор этого типа только в 1960 году. В 1953 году Дейки и Росс предложили и реализовали другую конструкцию полевого транзистора — с управляющим p-n-переходом. Наконец, третья конструкция полевых транзисторов — полевых транзисторов с барьером Шоттки — была предложена и реализована Мидом (англ.)русск. в 1966 году. Затем в 1977 году ученый Джеймс МакКаллахем из Bell Labs установил, что использование полевых транзисторов может существенно увеличить производительность существующих вычислительных систем.

Схемы включения полевых транзисторов

Полевой транзистор можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ).

На практике чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ. Каскад с общим истоком даёт очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не даёт усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение в усилительной технике.

Классификация полевых транзисторов

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

Транзисторы с управляющим p-n переходом

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

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом — это полевой транзистор, затвор которого изолирован (то есть отделён в электрическом отношении) от канала p-n переходом, смещённым в обратном направлении.

Такой транзистор имеет два невыпрямляющих контакта к области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда, и один или два управляющих электронно-дырочных перехода, смещённых в обратном направлении (см. рис. 1). При изменении обратного напряжения на p-n переходе изменяется его толщина и, следовательно, толщина области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда. Область, толщина и поперечное сечение которой управляется внешним напряжением на управляющем p-n переходе и по которой проходит управляемый ток основных носителей, называют каналом. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют

истоком (Source). Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком (Drain). Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором (Gate).

Электропроводность канала может быть как n-, так и p-типа. Поэтому 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, противоположны.

Управление током стока, то есть током от внешнего относительно мощного источника питания в цепи нагрузки, происходит при изменении обратного напряжения на p-n переходе затвора (или на двух p-n переходах одновременно). В связи с малостью обратных токов мощность, необходимая для управления током стока и потребляемая от источника сигнала в цепи затвора, оказывается ничтожно малой. Поэтому полевой транзистор может обеспечить усиление электромагнитных колебаний как по мощности, так и по току и напряжению.

Таким образом, полевой транзистор по принципу действия аналогичен вакуумному триоду. Исток в полевом транзисторе подобен катоду вакуумного триода, затвор — сетке, сток — аноду. Но при этом полевой транзистор существенно отличается от вакуумного триода. Во-первых, для работы полевого транзистора не требуется подогрева катода. Во-вторых, любую из функций истока и стока может выполнять каждый из этих электродов. В-третьих, полевые транзисторы могут быть сделаны как с n-каналом, так и с p-каналом, что позволяет удачно сочетать эти два типа полевых транзисторов в схемах.

От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе — входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением p-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы могут обладать низким уровнем шума (особенно на низких частотах), так как в полевых транзисторах не используется 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, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника сопровождаются возникновением 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 электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.

2, выращенный на поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесён металлический электрод — затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют 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.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 2, а) проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определённой полярности и при определённом значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением (U_ЗИпор).

В МДП-транзисторах со встроенным 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. Поэтому сильнолегированные области под истоком и стоком, а также индуцированный и встроенный канал имеют электропроводность p-типа. Если же аналогичные транзисторы созданы на подложке с электропроводностью p-типа, то канал у них будет иметь электропроводность n-типа.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом

При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, и при наличии напряжения на стоке, — ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток p-n перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе (для структуры, показанной на рис. 2, а) в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе (меньших

U_ЗИпор) у поверхности полупроводника под затвором возникает обеднённый основными носителями слой эффект поля и область объёмного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов. При напряжениях на затворе, больших U_ЗИпор, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и является каналом, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала будут изменяться с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться и ток стока, то есть ток в цепи нагрузки и относительно мощного 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 необходимая для управления относительно большим током стока. Таким образом, МДП-транзистор с индуцированным каналом может производить усиление электромагнитных колебаний по напряжению и по мощности.

Принцип усиления мощности в МДП-транзисторах можно рассматривать с точки зрения передачи носителями заряда энергии постоянного электрического поля (энергии источника питания в выходной цепи) переменному электрическому полю. В МДП-транзисторе до возникновения канала почти всё напряжение источника питания в цепи стока падало на полупроводнике между истоком и стоком, создавая относительно большую постоянную составляющую напряжённости электрического поля. Под действием напряжения на затворе в полупроводнике под затвором возникает канал, по которому от истока к стоку движутся носители заряда — дырки. Дырки, двигаясь по направлению постоянной составляющей электрического поля, разгоняются этим полем и их энергия увеличивается за счёт энергии источника питания, в цепи стока. Одновременно с возникновением канала и появлением в нём подвижных носителей заряда уменьшается напряжение на стоке, то есть мгновенное значение переменной составляющей электрического поля в канале направлено противоположно постоянной составляющей. Поэтому дырки тормозятся переменным электрическим полем, отдавая ему часть своей энергии.

МДП-транзисторы со встроенным каналом

Рис. 3. Выходные статические характеристики (a) и статические характеристики передачи (b) МДП-транзистора со встроенным каналом. В данной схеме в качестве нелинейного элемента используется МДП транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом.

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 образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения канала носителями заряда. Эта особенность МДП-транзисторов со встроенным каналом отражается и на смещении выходных статических характеристик при изменении напряжения на затворе и его полярности (рис. 3).

Статические характеристики передачи (рис. 3, b) выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей напряжению отсечки U_ЗИотс, то есть напряжению между затвором и истоком МДП-транзистора со встроенным каналом, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения.

Формулы расчёта в зависимости от напряжения U_ЗИ

1. Транзистор закрыт

Пороговое значение напряжения МДП транзистора

2. Параболический участок.

-удельная крутизна передаточной характеристики транзистора.

3. Дальнейшее увеличение приводит к переходу на пологий уровень.

— Уравнение Ховстайна.

МДП-структуры специального назначения

В структурах типа металл-нитрид-оксид-полупроводник (МНОП) диэлектрик под затвором выполняется двухслойным: слой оксида SiO₂ и толстый слой нитрида Si₃N₄. Между слоями образуются ловушки электронов, которые при подаче на затвор МНОП-структуры положительного напряжения (28..30 В) захватывают туннелирующие через тонкий слой SiO₂ электроны. Образующиеся отрицательно заряженные ионы повышают пороговое напряжение, причём их заряд может храниться до нескольких лет при отсутствии питания, так как слой SiO₂ предотвращает утечку заряда. При подаче на затвор большого отрицательного напряжения (28…30 В), накопленный заряд рассасывается, что существенно 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 или истока, на которые подаётся высокое напряжение, позволяет электронам проникнуть через слой окисла на затвор, вследствие чего на нём появляется отрицательный заряд. Изолирующие свойства диэлектрика позволяют сохранять этот заряд десятки лет. Удаление электрического заряда с затвора осуществляется с помощью ионизирующего ультрафиолетового облучения кварцевыми лампами, при этом фототок позволяет электронам рекомбинировать с дырками.

В дальнейшем были разработаны структуры запоминающих полевых транзисторов с двойным затвором. Встроенный в диэлектрик затвор используется для хранения заряда, определяющего состояние прибора, а внешний (обычный) затвор, управляемый разнополярными импульсами для ввода или удаления заряда на встроенном (внутреннем) затворе. Так появились ячейки, а затем и микросхемы флэш-памяти, получившие в наши дни большую популярность и составившие заметную конкуренцию жестким дискам в компьютерах.

Для реализации сверхбольших интегральных схем (СБИС) были созданы сверхминиатюрные полевые микротранзисторы. Они делаются с применением нанотехнологий с геометрическим разрешением менее 100 нм. У таких приборов толщина подзатворного диэлектрика доходит до нескольких атомных слоев. Используются различные, в том числе трехзатворные структуры. Приборы работают в микромощном режиме. В современных микропроцессорах корпорации Intel число приборов составляет от десятков миллионов до 2 миллиардов. Новейшие полевые микротранзисторы выполняются на напряженном кремнии, имеют металлический затвор и используют новый запатентованный материал для подзатворного диэлектрика на основе соединений гафния.^[1]

В последние четверть века бурное развитие получили мощные полевые транзисторы, в основном МДП-типа. Они состоят из множества маломощных структур или из структур с разветвлённой конфигурацией затвора. Такие ВЧ и СВЧ приборы впервые были созданы в СССР специалистами НИИ «Пульсар» Бачуриным В. В. (кремниевые приборы) и Ваксембургом В. Я. (арсенид-галлиевые приборы) Исследование их импульсных свойств было выполнено научной школой проф. Дьяконова В. П. (Смоленский филиал МЭИ). Это открыло область разработки мощных ключевых (импульсных) полевых транзисторов со специальными структурами, имеющих высокие рабочие напряжения и токи (раздельно до 500—1000 В и 50-100 А). Такие приборы нередко управляются малыми (до 5 В) напряжениями, имеют малое сопротивление в открытом состоянии (до 0,01 Ом) у сильноточных приборов, высокую крутизну и малые (в единицы-десятки нс) времена переключения. У них отсутствует явление накопления носителей в структуре и явление насыщения, присущее биполярным транзисторам. Благодаря этому мощные полевые транзисторы успешно вытесняют мощные биполярные транзисторы в области силовой электроники малой и средней мощности.^[2]^[3]

За рубежом в последние десятилетия стремительно развивается технология транзисторов на высокоподвижных электронах (ТВПЭ), которые широко используются в СВЧ устройствах связи и радионаблюдения. На основе ТВПЭ создаются как гибридные, так и монолитные микроволновые интегральные схемы (англ.)). В основе действия ТВПЭ лежит управление каналом с помощью двумерного электронного газа, область которого создаётся под контактом затвора благодаря применению гетероперехода и очень тонкого диэлектрического слоя — спейсера.^[4]

Области применения полевых транзисторов

Значительная часть производимых в настоящий момент полевых транзисторов входит в состав КМОП-структур, которые строятся из полевых транзисторов с каналами разного (p- и n-) типа проводимости и широко используются в цифровых и аналоговых интегральных схемах.

За счёт того, что полевые транзисторы управляются полем (величиной напряжения приложенного к затвору), а не током, протекающим через базу (как в биполярных транзисторах), полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения (реализация спящих режимов).

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, — наручные кварцевые часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет, потому что практически не потребляют энергии.

Грандиозными темпами развиваются области применения мощных полевых транзисторов. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет получить повышенную чистоту спектра излучаемых радиосигналов, уменьшить уровень помех и повысить надёжность радиопередатчиков. В силовой электронике ключевые мощные полевые транзисторы успешно заменяют и вытесняют мощные биполярные транзисторы. В силовых преобразователях они позволяют на 1-2 порядка повысить частоту преобразования и резко уменьшить габариты и массу энергетических преобразователей. В устройствах большой мощности используются биполярные транзисторы с полевым управлением (IGBT) успешно вытесняющие тиристоры. В усилителях мощности звуковых частот высшего класса HiFi и HiEnd мощные полевые транзисторы успешно заменяют мощные электронные лампы, так как обладают малыми нелинейными и динамическими искажениями.

См. также

Ссылки

Примечания

↑ Дьяконов В. П. Intel. Новейшие информационные технологии. Достижения и люди. М.: СОЛОН-Пресс.- 2004.- 416 с.
↑ Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах: Справочник. В. В. Бачурин, В. Я. Ваксембург, В. П. Дьяконов и др.; Под ред. В. П. Дьяконова.- М.: Радио и связь, 1994.- 280 с.
↑ Энциклопедия устройств на полевых транзисторах. Дьяконов В. П., Максимчук А. А., Ремнев А. М., Смердов В. Ю.; Под ред. проф. В. П. Дьяконова.- М.: СОЛОН-Р, 2002.- 512 с.
↑ Semiconductor Physical Electronics (Second Edition). Sheng S. Li.- Springer, 2006.- 708 p. ISBN 0-387-28893-7 ISBN 978-0387-28893-2

Условные обозначения полевых транзисторов

В электронике полевым транзистором называется электронный компонент, в котором ток проходящий через канал регулируется электрическим полем, образующимся в результате подачи напряжения между его истоком и затвором. Основным отличием полевого транзистора от транзистора биполярного является то, что выходное и входное сопротивление у него существенно выше.

Плевые транзисторы нередко именуют униполярными, поскольку основным принципом их действия является перемещение при помощи поля носителей зарядов одного и того же типа. Конструктивно эти приборы представляют собой изготовленные из полупроводниковых материалов пластинки одного типа проводимости, на противоположных сторонах которых способом диффузии создается область другого типа проводимости. На их границах образуется обладающий большим сопротивлением p—n-переход.

В полевых транзисторах существуют области полупроводника которые называют каналами. Их поперечное сечение, а вместе с ним и ток носителей заряда изменяются под воздействием электрического поля.

Структура полевого транзистора
с управляющим p—n-переходом и каналом n-типа

В случае, если между p-областью и n-областью приложить некоторое напряжение U_зи., как показано на рисунке выше, то p—n-переход окажется включенным в обратном направлении, следовательно его толщина увеличится, а толщины канала уменьшается. При этом принято p-область называть затвором полевого транзистора, или же его управляющим электродом. Если к этому каналу подключить еще один источник напряжения U_cи., то через него начнёт протекать ток в направлении от нижнего к верхнему участку n-области. Часть этой области, от которой основные носители зарядов начинают свое движение, называется истоком, а та часть, по направлению к которой они перемещаются – стоком.

Что касается величины тока, который протекает через канал, то определяющим для нее является сопротивление. Оно, в свою очередь, напрямую зависит от толщины канала. Таким образом, если изменяется величина приложенного к каналу напряжения, то вслед за этим происходит изменение величины тока.

В тех случаях, когда для производства этого электронного компонента в качестве основы берут полупроводник p-типа, то получается полевой транзистор, имеющий канал р-типа и управляющий p—n-переход. Канал в нем образуется n-областью.

Структура и схема подключения МДП-транзистора
с индуцированным каналом

Полевые транзисторы с изолированным затвором

Помимо тех полевых транзисторов, которые имеют в своей конструкции управляющий затвор, имеются и такие, у которых он изолирован. В электронике для обозначения таких транзисторов используют аббревиатуры МОП (металл-оксид-полупроводник) или МДП (металл-диэлектрик-полупроводник). Соответственно, такие приборы называют МОП-транзисторами или МДП-транзисторами.

Для МДП—транзистора характерно то, что в нем между истоком и стоком располагается n-область, представляющая собой подложку. Поэтому образуется два p—n-перехода, которые включены навстречу друг другу. При этом вне зависимости от того, какую именно полярность имеет питающее напряжение, один из этих переходов всегда закрыт, так что в в направлении «исток-сток» ток равен нулю.

Если на затвор подается отрицательное напряжение, то ток в цепи начинает течь. Дело в том, что на расположенные в подложке электроны действует электрическое поле, и они начинают передвигаться вглубь нее.

Существует некоторое пороговое значение напряжения, при котором количество дырок, расположенных у самой поверхности подложки, становится существенно больше, чем электронов. В результате этого происходит так называемая инверсия типа электроповодности: она обретает p-тип. В результате этого между стоком и истоком получается канал, связывающий их. Его толщина зависит от того, какое именно значение имеет приложенное напряжение. Если изменять его, то можно регулировать и толщину канала, поскольку сопротивление участка, располагающегося между истоком и стоком, также будет изменяться.

Обозначения полевых транзисторов на схеме

Полевые транзисторы (ПТ) (Полупроводниковые триоды) Отличие от…

Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про полевые транзисторы, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое полевые транзисторы, полевой транзистор, полупроводниковые триоды,mosfet,мосфет,мосфеты,тесты по транзисторам , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база.

Полевой (униполярный) транзистор MOSFET (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor) ( мосфет ) — полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на управлении электрическим сопротивлением токопроводящего канала поперечным электрическим полем, создаваемым приложенным к затвору напряжением.

Область, из которой носители заряда уходят в канал, называется истоком, область, в которую они входят из канала, называется стоком, электрод, на который подается управляющее напряжение, называется затвором.

полупроводниковые триоды , называемые транзисторами, служат для тех же целей, что и ламповые триоды, т. е. для усиления и генерирования колебаний, но они по сравнению с электронными лампами обладают рядом преимуществ: очень большим сроком службы, малыми размерами, большой механической прочностью, отсутствием расхода энергии на накал, незначительным собственным потреблением энергии.
Полупроводниковый триод представляет собой пластинку из кремния или германия, состоящую из трех областей. Две крайние области всегда обладают одинаковым типом проводимости, а средняя — противоположной проводимостью.

История создания полевых транзисторов

Схема полевого транзистора

В 1953 году Дейки и Росс предложили и реализовали конструкцию полевого транзистора — с управляющим p-n-переходом.

Впервые идея регулировки потока основных носителей электрическим полем в транзисторе с изолированным затвором была предложена Лилиенфельдом в 1926—1928 годах. Однако трудности в реализации этой идеи на практике позволили создать первый работающий прибор только в 1960 году. В 1966 году Карвер Мид (англ.)русск. усовершенствовал эту конструкцию, шунтировав электроды такого прибора диодом Шоттки.

В 1977 году Джеймс Маккаллахем из Bell Labs установил, что использование полевых транзисторов может существенно увеличить производительность существующих вычислительных систем.

полевые транзисторы (ПТ)

полевой транзистор – полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей заряда, протекающих через проводящий канал, управляемый электрическим полем.
Ток определяется движением основных носителей только одного заряда.

Полевой транзистор название электродов

Исток – электрод, через который в проводящий канал втекают носители заряда;
Сток — электрод, через который из проводящего канала вытекают носители заряда;
Канал – область в полупроводнике, где регулируется поток основных зарядов;
Затвор — электрод, на который подается электрический сигнал для управления значением тока через проводящий канал.

Рис. 1. Конструкция полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа
а) с затвором со стороны подложки;
b) с диффузионным затвором.

Типы полевых транзисторов
1.Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом
n — канальный

p — канальный

2. МДП (МОП) транзисторы
С встроенным каналом

С индуцированным каналом

Схемы включения Полевых Транзисторов
С общим истоком

Вольтамперные характеристики полевого транзистора

с управляющим p-n переходом

Основные параметры ПТ

• Крутизна стоко-затворной характеристики (СЗХ)
при Uси = const

S = (∆ Ic /∆ Uзи )

• Дифференциальное сопротивление стока (канала) на участке насыщения
при Uзи = const

Rс = (∆Ucи /∆ Ic)

Параметры полевых и биполярных транзисторов
Параметры

Различие между биполярными и полевыми транзисторами

Упревление током или полем?

Большинству людей, так или иначе сталкивающемуся с электроникой, принципиальное устройство полевых и биполярных транзисторов должно быть известно. По крайней мере, из названия «полевой транзистор», очевидно, что управляется он полем, электрическим полем затвора, в то время как биполярный транзистор управляется током базы.

Ток и поле — различие здесь кардинальное. У биполярных транзисторов управление током коллектора осуществляется путем изменения управляющего тока базы, в то время как для управления током стока полевого транзистора, достаточно изменить приложенное между затвором и истоком напряжение, и не нужен уже никакой управляющий ток как таковой.

Полевые транзисторы быстрее

Какие транзисторы лучше полевые или биполярные? Достоинство полевых транзисторов, по сравнению с биполярными, налицо: полевые транзисторы обладают высоким входным сопротивлением по постоянному току, и даже управление на высокой частоте не приводит к значительным затратам энергии.

Накопление и рассасывание неосновных носителей заряда отсутствует в полевых транзисторах, от того и быстродействие у них очень высокое (что отмечается разработчиками силовой техники). И поскольку за усиление в полевых транзисторах отвечают переносимые основные носители заряда, то верхняя граница эффективного усиления у полевых транзисторов выше чем у биполярных.

Здесь же отметим высокую температурную стабильность, малый уровень помех (в силу отсутствия инжекции неосновных носителей заряда, как то происходит в биполярных), экономичность в плане потребления энергии.

Разная реакция на нагрев

Если биполярный транзистор в процессе работы устройства нагревается, то ток коллектор-эмиттер увеличивается, то есть температурный коэффициент сопротивления у биполярных транзисторов отрицательный.

У полевых же все наоборот — температурный коэффициент сток-исток положительный, то есть с ростом температуры растет и сопротивление канала, то есть ток сток-исток уменьшается. Это обстоятельство дает полевым транзистором еще одно преимущество перед биполярными: полевые транзисторы можно без опаски соединять параллельно, и не потребуются выравнивающие резисторы в цепах их стоков, поскольку в соответствии с ростом нагрузки станет автоматически расти и сопротивление каналов.

Так для достижения высоких показателей коммутационных токов, можно легко набрать составной ключ из нескольких параллельных полевых транзисторов, что и используется много где на практике, например в инверторах (смотрите — Почему в современных инверторах используются транзисторы, а не тиристры).

А вот биполярные транзисторы нельзя просто так параллелить, им нужны обязательно токовыравнивающие резисторы в цепях эмиттеров. Иначе, из-за разбаланса в мощном составном ключе, у одного из биполярных транзисторов рано или поздно случится необратимый тепловой пробой. Полевым составным ключам названная проблема почти не грозит. Эти характерные тепловые особенности связаны со свойствами простого n- и p-канала и p-n перехода, которые кардинально отличаются.

Сферы применения тех и других транзисторов

Различия между полевыми и биполярными транзисторами четко разделяют области их применений. Например в цифровых микросхемах, где необходим минимальный ток потребления в ждущем состоянии, полевые транзисторы применяются сегодня гораздо шире. В аналоговых же микросхемах полевые транзисторы помогают достичь высокой линейности усилительной характеристики в широком диапазоне питающих напряжений и выходных параметров.

Схемы типа reel-to-reel удобно реализуются сегодня с полевыми транзисторами, ведь легко достигается размах напряжений выходов как сигналов для входов, совпадая почти с уровнем напряжения питания схемы. Такие схемы можно просто соединять выход одной с входом другой, и не нужно никаких ограничителей напряжения или делителей на резисторах.

Что касается биполярных транзисторов, то их типичными сферами применения остаются: усилители, их каскады, модуляторы, детекторы, логические инверторы и микросхемы на транзисторной логике.

Полевые побеждают

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, — наручные электронные часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счет применения КМОП -структур эти устройства могут работать до нескольких лет от одного миниатюрного источника питания — батарейки или аккумулятора, потому что практически не потребляют энергии.

В настоящее время полевые транзисторы находят все более широкое применение в различных радиоустройствах, где уже с успехом заменяют биполярные. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет увеличить частоту несущего сигнала, обеспечивая такие устройства высокой помехоустойчивостью.

Обладая низким сопротивлением в открытом состоянии, находят применение в оконечных каскадах усилителей мощности звуковых частот высокой мощности (Hi-Fi), где опять же с успехом заменяют биполярные транзисторы и даже электронные лампы.

В устройствах большой мощности, например в устройствах плавного пуска двигателей, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) — приборы, сочетающие в себе как биполярные, так и полевые транзисторы, уже успешно вытесняют тиристоры .

Классификация полевых транзисторов

Виды полевых транзисторов и их обозначение на принципиальных схемах

Полевые транзисторы классифицируют на приборы с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором, так называемые МДП («металл-диэлектрик- полупроводник »)-транзисторы, которые также называют МОП («металл-оксид-полупроводник»)-транзисторами, причем последние подразделяют на транзисторы со встроенным каналом и приборы с индуцированным каналом.

К основным параметрам полевых транзисторов причисляют: входное сопротивление, внутреннее сопротивление транзистора, также называемое выходным, крутизну стокозатворной характеристики, напряжение отсечки и некоторые другие.

Транзисторы с управляющим p-n-переходом

Рис . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . 1. Конструкция полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа
а) с затвором со стороны подложки;
b) с диффузионным затвором.

Сток-затворная характеристика (слева) и семейство стоковых характеристик (справа) полевого транзистора с затвором в виде p-n перехода и каналом n-типа.
— напряжение затвор-сток;
— напряжение сток-исток;
— ток стока или истока;
— запирающее напряжение затвора, или напряжение отсечки.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом (JFET) — это полевой транзистор, в котором пластина из полупроводника, например p-типа (Рис. 1), имеет на противоположных концах электроды (исток и сток), с помощью которых она включена в управляемую цепь. Управляющая цепь подключается к третьему электроду (затвору) и образуется областью с другим типом проводимости, в примере на рисунке — n-типом.

Источник постоянного смещения, включенный во входную цепь, создает на единственном p-n-переходе обратное (запирающее) напряжение. Во входную цепь также включается и источник усиливаемого сигнала. При изменении входного напряжения изменяется обратное напряжение на p-n-переходе, в связи с чем меняется толщина обедненного слоя, то есть изменяется площадь поперечного сечения области в криcталле, через которую проходит поток основных носителей заряда. Эта область называется каналом.

Электроды полевого транзистора называются:

исток (англ. source) — электрод, из которого в канал входят основные носители заряда;
сток (англ. drain) — электрод, через который из канала уходят основные носители заряда;
затвор (англ. gate) — электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала.

Тип полупроводниковой проводимости канала может быть как n-, так и p-типа. По типу проводимости канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом. Полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.

Управление током и напряжением на нагрузке, включенной последовательно к каналу полевого транзистора и источнику питания, осуществляется изменением входного напряжения, вследствие чего изменяется обратное напряжение на p-n-переходе, что ведет к изменению толщины запирающего (обедненного) слоя. При некотором запирающем напряжении {\displaystyle V_{P}} площадь поперечного сечения канала станет равной нулю и ток через канал транзистора станет весьма малым.

Так как обратный ток p-n-перехода весьма мал, в статическом режиме или при низких рабочих частотах мощность, отбираемая от источника сигнала, ничтожно мала. При высоких частотах ток, отбираемый от источника сигнала, может быть значительным и идет на перезаряд входной емкости транзистора.

Таким образом, полевой транзистор по принципу управления током аналогичен электровакуумной лампе — триоду, но по виду сток-истоковых вольт-амперных характеристик близок к электровакуумному пентоду. При такой аналогии исток в полевом транзисторе подобен катоду вакуумного триода, затвор — сетке, сток — аноду. При этом существуют и отличия, например:

в транзисторе отсутствует катод, который требует подогрева;
любую из функций истока и стока может выполнять любой из этих электродов;
существуют полевые транзисторы как с n-каналом, так и с p-каналом, что используется при производстве комплементарных пар транзисторов.

От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе — входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением p-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы обладают низким уровнем шума (особенно на низких частотах) по сравнению с биполярными транзисторами, так как в полевых транзисторах нет инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора может быть выполнен внутри полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации носителей в p-n-переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника порождают низкочастотные шумы.

Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)

Рис. 2. Устройство полевого транзистора с изолированным затвором.
a) — с индуцированным каналом, b) — со встроенным каналом

Полевой транзистор с изолированным затвором (MOSFET) — это полевой транзистор, затвор которого электрически изолирован от канала слоем диэлектрика.

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильно легированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды — исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой диоксида кремния SiO2, выращенный на поверхности кристалла кремния путем высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод — затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют 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.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 2, а) проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определенной полярности и при определенном значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением (UЗИпор).

Изображенные на рис. 2 структуры полевых транзисторов с изолированным затвором имеют подложку с электропроводностью n-типа. Поэтому сильнолегированные области под истоком и стоком, а также индуцированный и встроенный канал имеют электропроводность p-типа. Если же аналогичные транзисторы созданы на подложке с электропроводностью p-типа, то канал у них будет иметь электропроводность n-типа.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом

При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, и при подаче напряжения на сток, — ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток p-n-перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе (для структуры, показанной на рис. 2, а) в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе (меньших UЗИпор) у поверхности полупроводника под затвором возникает обедненный основными носителями слой эффект поля и область объемного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов. При напряжениях на затворе, больших UЗИпор, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и является каналом p-типа, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала будут изменяться с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться и ток стока, то есть ток в цепи нагрузки и относительно мощного источника питания. Так происходит управление током стока в полевом транзисторе с изолированным затвором и с индуцированным каналом.

В связи с тем, что затвор отделен от подложки диэлектрическим слоем, ток в цепи затвора ничтожно мал, мала и мощность, потребляемая от источника сигнала в цепи затвора и необходимая для управления относительно большим током стока. Таким образом, МДП-транзистор с индуцированным каналом может производить усиление электромагнитных колебаний по напряжению и по мощности.

Принцип усиления мощности в МДП-транзисторах можно рассматривать с точки зрения передачи носителями заряда энергии постоянного электрического поля (энергии источника питания в выходной цепи) переменному электрическому полю. В МДП-транзисторе до возникновения канала почти все напряжение источника питания в цепи стока падало на полупроводнике между истоком и стоком, создавая относительно большую постоянную составляющую напряженности электрического поля. Под действием напряжения на затворе в полупроводнике под затвором возникает канал, по которому от истока к стоку движутся носители заряда — дырки. Дырки, двигаясь по направлению постоянной составляющей электрического поля, разгоняются этим полем и их энергия увеличивается за счет энергии источника питания, в цепи стока. Одновременно с возникновением канала и появлением в нем подвижных носителей заряда уменьшается напряжение на стоке, то есть мгновенное значение переменной составляющей электрического поля в канале направлено противоположно постоянной составляющей. Поэтому дырки тормозятся переменным электрическим полем, отдавая ему часть своей энергии.

МДП-транзисторы со встроенным каналом

Рис. 3. Выходные статические характеристики (a) и сток-затворная характеристика (b) МДП-транзистора со встроенным каналом.

В данной схеме в качестве нелинейного элемента используется МДП транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом.

В связи с наличием встроенного канала в таком МДП-транзисторе (рис. 2, b), при подаче напряжения на сток, ток стока оказывается значительным даже при нулевом напряжении на затворе (рис. 3, b). Поперечное сечение и проводимость канала будут изменяться при изменении напряжения на затворе как отрицательной, так и положительной полярности. Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения канала носителями заряда. Эта особенность МДП-транзисторов со встроенным каналом отражается и на смещении выходных статических характеристик при изменении напряжения на затворе и его полярности (рис. 3).

Статические характеристики передачи (рис. 3, b) выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей напряжению отсечки UЗИотс, то есть напряжению между затвором и истоком МДП-транзистора со встроенным каналом, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения.

Формулы расчета в зависимости от напряжения UЗИ

1. Транзистор закрыт

Пороговое значение напряжения МДП транзистора

2. Параболический участок.

-удельная крутизна передаточной характеристики транзистора.

3. Дальнейшее увеличение приводит к переходу на пологий уровень.

— Уравнение Ховстайна.

МДП-структуры специального назначения

В структурах типа металл-нитрид-оксид-полупроводник (МНОП) диэлектрик под затвором выполняется двухслойным: слой оксида SiO2 и толстый слой нитрида Si3N4. Между слоями образуются ловушки электронов, которые при подаче на затвор МНОП-структуры положительного напряжения (28—30 В) захватывают туннелирующие через тонкий слой SiO2 электроны. Образующиеся отрицательно заряженные ионы повышают пороговое напряжение, причем их заряд может храниться до нескольких лет при отсутствии питания, так как слой SiO2 предотвращает утечку заряда. При подаче на затвор большого отрицательного напряжения (28…30 В), накопленный заряд рассасывается, что существенно 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 или истока, на которые подается высокое напряжение, позволяет электронам проникнуть через слой окисла на затвор, вследствие чего на нем появляется отрицательный заряд. Изолирующие свойства диэлектрика позволяют сохранять этот заряд десятки лет. Удаление электрического заряда с затвора осуществляется с помощью ионизирующего ультрафиолетового облучения кварцевыми лампами, при этом фототок позволяет электронам рекомбинировать с дырками.

В последние четверть века бурное развитие получили мощные полевые транзисторы, в основном МДП-типа. Они состоят из множества маломощных структур или из структур с разветвленной конфигурацией затвора. Такие ВЧ и СВЧ приборы впервые были созданы в СССР специалистами НИИ «Пульсар» Бачуриным В. В. (кремниевые приборы) и Ваксембургом В. Я. (арсенид-галлиевые приборы) Исследование их импульсных свойств было выполнено научной школой проф. Дьяконова В. П. (Смоленский филиал МЭИ). Это открыло область разработки мощных ключевых (импульсных) полевых транзисторов со специальными структурами, имеющих высокие рабочие напряжения и токи (раздельно до 500—1000 В и 50-100 А). Такие приборы нередко управляются малыми (до 5 В) напряжениями, имеют малое сопротивление в открытом состоянии (до 0,01 Ом) у сильноточных приборов, высокую крутизну и малые (в единицы-десятки нс) времена переключения. У них отсутствует явление накопления носителей в структуре и явление насыщения, присущее биполярным транзисторам. Благодаря этому мощные полевые транзисторы успешно вытесняют мощные биполярные транзисторы в области силовой электроники малой и средней мощности .

За рубежом в последние десятилетия стремительно развивается технология транзисторов на высокоподвижных электронах (ТВПЭ), которые широко используются в СВЧ устройствах связи и радионаблюдения. На основе ТВПЭ создаются как гибридные, так и монолитные микроволновые интегральные схемы. В основе действия ТВПЭ лежит управление каналом с помощью двумерного электронного газа, область которого создается под контактом затвора благодаря применению гетероперехода и очень тонкого диэлектрического слоя — спейсера .

Схемы включения полевых транзисторов

Полевой транзистор в каскаде усиления сигнала можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ).

Схема включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом с общим истоком

Схема включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом с общим стоком

Схема включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом с общим затвором

На практике в усилительных каскадах чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с общим эмиттером (ОЭ). Каскад с общим истоком дает большое усиление по мощности. Но, с другой стороны, этот каскад наиболее низкочастотный из-за вредного влияния эффекта Миллера и существенной входной емкости затвор-исток (Сзи).

Схема с ОЗ аналогична схеме с общей базой (ОБ). В этой схеме ток стока равен току истока, поэтому она не дает усиления по току, и усиление по мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет специфическое практическое применение в усилительной технике. Преимущество такого включения — практически полное подавление эффекта Миллера, что позволяет увеличить максимальную частоту усиления и такие каскады часто применяются при усилении СВЧ.

Каскад с ОС аналогичен каскаду с общим коллектором (ОК) для биполярного транзистора — эмиттерным повторителем. Такой каскад часто называют истоковым повторителем. Коэффициент усиления по напряжению в этой схеме всегда немного меньше 1, а коэффициент усиления по мощности занимает промежуточное значение между ОЗ и ОИ. Преимущество этого каскада — очень низкая входная паразитная емкость и его часто используют в качестве буферного разделительного каскада между высокоомным источником сигнала, например, пьезодатчиком и последующими каскадами усиления. По широкополосным свойствам этот каскад также занимает промежуточное положение между ОЗ и ОИ.

Области применения полевых транзисторов

КМОП-структуры, строящиеся из комплементарной пары полевых транзисторов с каналами разного (p- и n-) типа, широко используются в цифровых и аналоговых интегральных схемах.

За счет того, что полевые транзисторы управляются полем (величиной напряжения приложенного к затвору), а не током, протекающим через базу (как в биполярных транзисторах), полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения (реализация спящих режимов).

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, — наручные электронные часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счет применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет от одного миниатюрного источника питания — батарейки или аккумулятора, потому что практически не потребляют энергии.

В настоящее время полевые транзисторы находят все более широкое применение в различных радиоустройствах, где с успехом заменяют биполярные. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет увеличить частоту несущего сигнала, обеспечивая такие устройства высокой помехоустойчивостью. Обладая низким сопротивлением в открытом состоянии, находят применение в оконечных каскадах усилителей мощности звуковых частот высокой мощности (Hi-Fi), где с успехом заменяют биполярные транзисторы и электронные лампы. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) — приборы, сочетающие биполярные и полевые транзисторы, — находят применение в устройствах большой мощности, например в устройствах плавного пуска, где успешно вытесняют тиристоры.

Тесты для самопроверки по теме полевой транзистор

1 Полевой транзистор имеет следующие выводы:

А – база, исток, затвор
B – коллектор, сток, база
C – база, эмиттер, исток
D – сток, исток, затвор

2 Полевой транзистор — это прибор, управляемый:

1) током;
2) напряжением;
3) электрически полем;
4) сопротивлением;
5) магнитным полем.

3 Условное обозначение полевого транзистора с управляющим р-п-переходом и н-каналом:

1) а
2) б
3) в
4) г
5) д

4. Условное обозначение полевого транзистора с встроенным р-каналом:

1) а
2) б
3) в
4) г
5) д

5. Уравнение нагрузочной линии для схемы включения общий исток (ОИ) с нагрузочным сопротивлением в цепи стока полевого транзистора Rc и напряжением питания Е определяется выражением:

1) Е + Ucli + Ic Rc = 0;
2) E + Ucn=Ic R,;
3) E + IcliRc=U ;
4) E = Ucll +IC RC.

6 Полевые транзисторы по сравнению с биполярными имеют:

1) низкое входное сопротивление;
2) высокое входное сопротивление;
3) входную характеристику в виде зависимости входного тока от входного напряжения;
4) параметр, характеризующий усилительные свойства — коэффициент усиления тока.
7 Выберите вольтамперные характеристики (передаточную и выходные) полевого транзистора с управляющим р-п-переходом с р-каналом

8 К основным преимуществам полевого транзистора можно отнести:

а) большое входное сопротивление по постоянному току;
б) высокая технологичность;
в) низкая температурная стабильность характеристик;
г) коэффициент усиления по постоянному току стремится к нулю;
д) малое выходное сопротивление;
е) маленькое входное сопротивление по постоянному току.

9. Передаточная характеристика полевого транзистора — это зависимость:

1) тока базы от напряжения на коллекторе;
2) напряжения стока от напряжения затвора;
3) тока стока от напряжения затвора;
4) тока коллектора от напряжения на коллекторе;
5) тока стока от напряжения между стоком и истоком.

10. Полевой транзистор с п-каналом работает быстрее, чем аналогичный транзистор ср-каналом, потому что:

1) дырки движутся в полупроводнике быстрее электронов;
2) входное сопротивление транзистора с p-каналом больше, чем у транзистора с п-каналом;
3) входная емкость транзистора с p-каналом больше, чем у транзистора с п-каналом;
4) входная емкость транзистора с p-каналом меньше, чем у транзистора с п-каналом;
5) электроны движутся в полупроводнике быстрее дырок;
6) входное сопротивление транзистора с p-каналом меньше, чем у транзистора с п-каналом.

См. также

биполярный транзистор
Органический полевой транзистор
NOMFET nomfet , полевой транзистор с органической памятью ,
КМОП — матрица
SRAM ( память )
Логические элементы
МОП -структура
ТТЛ
igbt , силовые транзистор ,
эффект защелкивания ,
моп-структура , моп ,
кмоп , комплементарная структура металл-оксид-полупроводник ,
транзисторно-транзисторная логика , ттл ,

А как ты думаешь, при улучшении полевые транзисторы, будет лучше нам? Надеюсь, что теперь ты понял что такое полевые транзисторы, полевой транзистор, полупроводниковые триоды,mosfet,мосфет,мосфеты,тесты по транзисторам и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

Анализ особенностей типовых конструкций полевых транзисторов с изолированным затвором

This paper presents an analytical review of field-effect transistors. We consider their application. Special attention is given to consideration of the typical structures of field-effect transistors and their basic characteristics. On the basis of research with the main prospects for the development of field-effect transistors in Russia.

Keywords: field-effect transistor, topology, integrated structure

Актуальность работы обусловлена тенденциями развития рынка производства вспомогательных микросхем с проектными нормами 90 нм [1]. Усовершенствование характеристик и технологий производства, непрерывное повышение требований к качеству и надежности, позволяет создавать конкурентоспособную на мировом рынке элементную базу полевых транзисторов, которые в свою очередь по своим характеристикам, а именно наносекундной скоростью переключения, высокими рабочими напряжениями и температурами, большими токами и значительной мощностью, превосходят биполярные транзисторы [2, 3].

Полевые транзисторы — это полупроводниковыйприбор, работа которого основана на управлении электрическим сопротивлением токопроводящего канала поперечным электрическим полем, создаваемым приложенным к затвору напряжением. По физической структуре и механизму работы полевые транзисторы (ПТ) делят на две группы: с управляющим p — n переходом и с изолированным затвором, о которых дальше будет идти речь [2].

Особенностями применения ПТ являются: мгновенная скорость переключения, и почти полное отсутствие потребление тока в статическом режиме.

Полевые транзисторы, из-за ряда своих характеристик, широко используются в силовой электронике. Они позволяют управлять большими токами и при малой мощности управления обеспечить высокую скорость переключения, что делает их почти «идеальными переключателями». Большое количество разнообразных структур и технологических решений позволило расширить диапазон применения ПТ в цепях питания от низковольтных устройств до высоковольтных. Низковольтные ПТ, рассчитанные на напряжения до 30 В, массово используются в цепях питания ноутбуков, планшетов, принтеров, персональных компьютеров, серверов, в электроинструментах с питанием от аккумуляторных батарей [2, 4].

Основные области применения полевых транзисторов среднего напряжения (40…300 В) во многом пересекаются с низковольтными, но при повышенных уровнях мощности и напряжения на оборудовании [2]. Для работы в разнообразной аппаратуре с питанием от сети переменного тока 110 В или 230 В в сетевых источниках электропитания, светотехнике, бытовой и промышленной технике используются ПТ с допустимыми напряжениями от 500 В и выше [5–7].

Однако, до сих пор остаются нерешенными проблемы — кремниевые полевые транзисторы почти достигли предела своих возможностей, в связи с этим толчок получили такие направления: разработка новых моделей корпусов и модулей, применение альтернативных материалов подложки. В статье приведены данные по сравнению разного типа корпусов, которые позволили увеличить показатели полевых транзисторов, и данные по сравнению характеристик полевых транзисторов, изготовленных на подложке из альтернативных материалов

Цель работы— провести аналитический обзор ПТ, рассмотреть их типовые структуры и их основные характеристики, дать рекомендации по направлениям развития элементной базы на основе полевых транзисторов.

В работе при помощи метода сравнения основных характеристик и технологических особенностей обозначены ключевые преимущества и недостатки базовых структур полевых транзисторов. Проанализированы основные особенности структур полевых транзисторов и области их применения.

Использование полевых транзисторов значительно облегчает решение задач, связанных с питанием электронных устройств, увеличением производительности и эффективности.

Анализ основных структур полевых транзисторов сизолированным затвором
1. Классическая структура MOSFET транзистора

Полевой транзистор, у которого затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика, получил сокращенное название — MOSFET — (от слов «металл — окисел — полупроводник — транзистор — управляемый — электрическим полем», англ. Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors), в русскоязычной литературе встречается как МОП-транзистор (от слов «металл — окисел — полупроводник»). Подразделяются такие транзисторы на две категории: с индуцированным и с встроенным каналом.

Классическая структура МОП — транзистора с индуцированным каналом n–типа представлена на рисунке 1 [2].

Рис. 1. MOSFET транзистор с индуцированным каналом n–типа

Подложка выполнена из полупроводника р — типа, т. е. легирована акцепторной примесью и потому обладает дырочной проводимостью. Области стока и истока сильно обогащены донорной примесью (электронная проводимость) и имеют обозначение n+. Затвор изолируется от подложки слоем оксида кремния (SiO2).

Если на область затвора подать положительный потенциал, то между выводом затвора и подложкой образуется поперечное электрическое поле, которое, в свою очередь, будет притягивать отрицательно заряженные свободные электроны из подложки к приповерхностному слою. После того как в приповерхностном слое накопится достаточно электронов, образуется так называемый канал, который проводит электрический ток. Если снять управляющее напряжение с затвора, то проводящий канал исчезает и транзистор закрывается.

Полевой транзистор с индуцированным каналом отличается от полевого транзистора со встроенным каналом тем, что он открывается только при определенном значении напряжении на затворе, называемым пороговым напряжением. Полевой транзистор со встроенным каналом открывается уже при «U = 0» и при дальнейшем увеличении этого значения переходит в режим обогащения, при этом ток стока увеличивается.

1.2 История развития МОП-транзисторов

Первые образцы полевых транзисторов были маломощными. Рассеиваемая мощность 100–150 Вт, рабочие токи — 10–20 мА, максимальное напряжение на стоке 15 В — 20 В, время переключения исчислялось долями микросекунд. Прошло немало времени, прежде чем параметры полевого транзистора позволили использовать его в высоконагруженных цепях.

Первым серийным мощным МОП-транзистором можно считать советский КП901 [10]. Он имел ток стока до 2 А и максимальное напряжение 65 В. Доработанный впоследствии КП902 имел время переключения около 1 нс, а самый мощный из этой серии КП904 обладал рассеиваемой мощностью 75 Вт, током стока до 7,5 А, и отдаваемую на частоте 60 МГц мощность до 50Вт.Структура первых мощных советских МОП — транзисторов представлена на рисунке 2

Рис. 2. Структура первых мощных советских МОП-транзисторов

В 70–80 годах прошлого столетия было проведено немало экспериментов со структурой МОП-транзисторов. На основе результатов таких экспериментов были разработаны транзисторы с V-образной структурой, представленной на рисунке 3. Пропускная способность канала в таком МОП-транзисторе определялась не длиной, а его шириной. Такая структура создавалась методом анизотропного травления. Минусом этой структуры является то, что электрическое поле локализовалось под канавкой, а это приводит к снижению максимальных рабочих напряжений.

Рис. 3. МДП — транзистор с V — образной структурой

Развитием данной технологии вызвало появление МОП-транзисторов с U-образной канавкой. Это снизило локализацию поля. Металлизация сверху и снизу улучшила теплоотвод и снизила сопротивление затвора.

Дальнейшие эксперименты со структурами МОП-транзисторов привели к появлению SIMPOS — транзисторов, структура которых показана на рисунке 4 (ttp://www.diagram.com.ua/list/elektriku/elektriku288.shtml), (разработанные фирмой Siemens (www.siemens.com)).

Рис. 4. Структура SIMPOS-транзистора фирмы Siemens

Фирмой InternationalRectifler разработан МОП-транзистор с гексагональной структурой ячейки — HEXFET, эта технология стала самой популярной технологией производства, рисунок 5 (http://www.diagram.com.ua/list/elektriku/elektriku288.shtml).

Рис. 5. Структура HEXFET-транзистора

Сплошная металлизация с двух сторон увеличивает емкость и заметно снижает время переключения, однако при этом позволяет уменьшить сопротивление стока — истока и позволяет получать большие токи стока.

Конструктивный анализ современных MOSFET-транзисторов

Важным элементом MOSFET транзисторов является корпус. Оптимальное сочетание кристалла и корпуса обеспечивает создание по-настоящему эффективного устройства [8]. Большое внимание этому уделяет компания IR. Технологичным прорывом стала технология DirectFET, обеспечивающая двусторонний отвод тепла. Прямой контакт кристалла, платы и корпуса обеспечивает низкое тепловое и электрическое сопротивление корпуса, высокие показатели по компактности изделия. МОП-транзистор изображен на рисунке 6.

Рис. 6. МОП-транзистор, изготовленный по технологии DirectFET

Корпуса марки S0–8 менее эффективны, чем DirectFET, но они позволяют размещать одновременно два мощных транзистора и диода, а теплоотвод уменьшать путем подключения стока и истока одновременно к трем выводам, рисунок 7. (http://www.compel.ru/lib/ne/2009/12/5-novoe-pokolenie-nizkovoltnyih-mosfet-tranzistorov-v-korpusah-so-8-pqfn-i-directfet)

Рис. 7. Транзистор в корпусе S0–8

Корпуса для плотного монтажа PQFN за счет клипсы обладают меньшим тепловым сопротивлением, чем SO-8, но большим чем у DirectFET, рисунок 8 (http://www.compel.ru/lib/ne/2009/12/5-novoe-pokolenie-nizkovoltnyih-mosfet-tranzistorov-v-korpusah-so-8-pqfn-i-directfet).

Рис. 8. Транзистор в корпусе PQFN

Из выше перечисленного получается следующая зависимость сложности монтажа от тепловых характеристик, рисунок 9 (http://www.compel.ru/lib/ne/2009/12/5-novoe-pokolenie-nizkovoltnyih-mosfet-tranzistorov-v-korpusah-so-8-pqfn-i-directfet).

Рис. 9. Зависимость сложности монтажа различных корпусов от тепловых характеристик

Данные типы корпусов позволяют создавать полевые транзисторы под разные задачи, от низковольтных до высоковольтных. Перспективные серии устройств с высоким КПД FastIRFET, и помехоустойчивостью StrongIRFET, выполнены именно в этих корпусах.

Анализ основных направлений развития полевых транзисторов сиспользованием альтернативных полупроводниковых материалов

В связи с тем, что MOSFET транзисторы потенциально достигают предела своих возможностей, их развитие частично перешло на усовершенствование корпусов, перечисленных выше, и эксперименты с компоновкой. Многие считают, что развитие технологий с применением новых полупроводниковых материалов с шириной запрещенной зоны шире, чем у кремния и относительно большей подвижностью заряда, является основным.

Ученые GE (www.ge.com/ru) развивают технологии по использованию карбида кремния. GE планирует использовать новый завод для производства микросхем, которые будут установлены на оборудовании компании — от насосов для перекачки нефти и газа до МРТ-сканеров. Мерфелд и Стеванович считают (http://gereports.ru/post/126512633745/tehnologija-izgotovlenija-mikroshem), что эта технология позволит повысить эффективность поездов, самолетов и автомобилей на 10 %, снизить энергопотребление центров обработки данных на 5 % и повысить эффективность ветровых и солнечных электростанций более чем на 1 %. Структура ПТ на основе карбида кремния изображена на рисунке 10.

Рис. 10. Структура транзистора на основе карбида кремния

Пробой у таких транзисторов происходит при напряженности на порядок выше, чем у классических полевых транзисторов, выполненных на кремниевой подложке. Удельное напряжение по разным оценкам примерно в 400 раз меньше, что позволяет получать транзисторы с малым сопротивлением сток — исток в открытом состоянии. Опытные приборы, изготовленные по технологии LDMOS, позволяют получать напряжение на стоке до 10кВ. Пуск данного типа устройств в серийное производство — задача будущего. Альтернативным решением применения карбида кремния является использование нитрида галлия. Полевые транзисторы, изготовленные с использованием нитрида галлия не уступает по характеристикам полевым транзисторам, изготовленных из карбида кремния.

Классификация областей применения в виде mindmap представлена на рисунке 11.

Рис. 11. Классификация областей ПТ с использованием альтернативных полупроводниковых технологий

Основными областями применения полевых транзисторов с применением альтернативных полупроводниковых материалов должны стать системы, где эффективность, и энергоэффективность является главным, критическим параметром, например: солнечные батареи, ветряные электростанции, автомобили, поезда, самолеты, а также системы, где снижение энергопотребления является главной задачей, а именно: центры обработки данных и т. д.

Сравнение характеристик полевых транзисторов, изготовленных на кремниевой подложке иизготовленных сприменением альтернативных полупроводниковых материалов.

Приведем сравнение по некоторым показателям арсенид-галлиевого ПТ с традиционным ПТ, выполненным с использованием кремния.

Таблица 1

Сравнение характеристик ПТ

Полевые транзисторы, изготовленные на подложке сиспользованием кремния	Полевые транзисторы, изготовленные сприменением арсенида галлия
Сопротивление открытого канала при напряжении пробоя 200В
7мОм/см²	0.7мОм/см²
Показатель R_ds₍_on₎x OgFOM, мОм х нКл
30 мОм х нКл	5 мОм х нКл
Размер площадки, которую занимает устройство, частота работы, при токе нагрузки 10 А
15 х 15 мм, 1 МГц	7 х 9 мм, 5 МГц
КПД % при токе нагрузки 10 А
88 %	91 %

ПТ с применением альтернативных полупроводниковых материалов значительно превосходят характеристики своих кремниевых аналогов. У этих устройств имеется огромный потенциал, равносильный тому потенциалу, который был у классических ПТ в 80е-90е годы прошлого столетия. Однако имеется еще большой спектр задач, связанный с производством таких структур. Технологический процесс изготовления ПТ на основе карбида кремния насчитывает около 300 операций, откуда следует вывод о том, что дороговизна и сложность технологического процесса изготовления является главным препятствием массового использования данного типа устройств в современном приборостроении.

Заключение

В связи с тем, что близок потенциальный порог характеристик полевых транзисторов, изготовленных с применением Si, будущее остается за применением новых технологий с использованием альтернативных полупроводниковых материалов, которые позволяют создавать полевые транзисторы с характеристиками, намного превосходящими характеристики классических ПТ. Основной задачей, на которую состоит сделать акцент, является задача удешевления производства, уменьшение процента брака, а именно: отработка технологического процесса изготовления современных полевых транзисторов с применением альтернативных полупроводниковых материалов.

В данной статье был проведен краткий обзор информации о классической структуре полевого транзистора, определены его основные элементы и функциональные возможности. Была рассмотрена история развития данных полупроводниковых приборов и основные технологические решения, применяемые для их изготовления. Также были приведены перспективные направления разработки представленных полупроводниковых приборов.

Литература:

Аверьянихин А. Е., Власов А. И., Журавлева Л. В. и др. Интегрированная система мониторинга национальной нанотехнологической сети. Сборник аналитических материалов — Москва, РНЦ «Курчатовский институт». 2011. Том 2. 111 с.
Макарчук В. В., Родионов И. А. Проектирование электронной элементной базы наносистем — Москва. Изд-во МГТУ им.Н. Э.Баумана. 2011. Сер. Библиотека «Наноинженерия». Том 5. 156 с.
Варламов П. И., Елсуков К. А., Макарчук В. В. Технологические процессы в наноинженерии — Москва, Изд-во МГТУ им.Н. Э.Баумана. 2011. Сер. Библиотека «Наноинженерия». Том 2. 175 с.
Дронов Н. Н., Макарчук В. В., Макушина Н. В. Технологические процессы микроэлектроники — Москва, Изд-во МГТУ им.Н. Э.Баумана. 2016. 24 с.
Amirkhanov A. V., Stolyarov A. A., Gladkykh A. A., Makarchuk V. V., Shakhnov V. A. A modifying algorithm of the topological VLSI layer by dummy filling features based on modeling the chemical-mechanical planarization // Russian Microelectronics. 2014. Т. 43. № 1. С. 72–79.
Глушко А. А., Родионов И. А., Макарчук В. В. Моделирование технологии изготовления субмикронных КМОП СБИС с помощью систем TCAD // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2007. № 4 (70). С. 32–34.
Макарчук В. В. Проектирование топологии биполярного планарно-эпитаксиального транзистора — Москва, Изд-во МГТУ им.Н. Э.Баумана. 2005. 20 с.
Амирханов А. В., Гладких А. А., Глушко А. А., Макарчук В. В., Новоселов А. С., Родионов И. А., Шахнов В. А. Разработка парадигмы проектирования СБИС с учетом результатов конструкторско-технологического моделирования // Датчики и системы. 2013. № 9 (172). С. 38–51.
Константин Староверов Новое поколение низковольтных MOSFET-транзисторов в корпусах SO-8, PQFN и DirectFET. Электронный ресурс. URL: http://www.compel.ru/lib/ne/2009/12/5-novoe-pokolenie-nizkovoltnyih-mosfet-tranzistorov-v-korpusah-so-8-pqfn-i-directfet. Дата обращения: 31.10.2016
Дьяконов Владимир Мощные полевые транзисторы: история, развитие и перспективы. Аналитический обзор. Электронный ресурс. URL: http://www.power-e.ru/2011_3_18.php 20.10.2016. Дата обращения: 20.10.2016
Силовые полупроводниковые приборы. Силовые mosfet транзисторы. Бесплатная техническая библиотека. Электронный ресурс. URL: http://www.diagram.com.ua/list/elektriku/elektriku288.shtml. Дата обращения: 31.10.2016

Основные термины (генерируются автоматически): MOSFET, транзистор, полевой транзистор, PQFN, рисунок, ток стока, время переключения, встроенный канал, основа карбида кремния, технологический процесс изготовления.

Полевые транзисторы. Виды и устройство. Применение и особенности

Полевые транзисторы являются полупроводниковыми приборами. Особенностью их является то, что ток выхода управляется электрическим полем и напряжением одной полярности. Регулирующий сигнал поступает на затвор и осуществляет регулировку проводимости перехода транзистора. Этим они отличаются от биполярных транзисторов, в которых сигнал возможен с разной полярностью. Другим отличительным свойством полевого транзистора является образование электрического тока основными носителями одной полярности.

Разновидности

Существует множество разных видов полевых транзисторов, действующих со своими особенностями:

Тип проводимости. От нее зависит полюсность напряжения управления.
Структура: диффузионные, сплавные, МДП, с барьером Шоттки.
Количество электродов: бывают транзисторы с 3-мя или 4-мя электродами. В варианте с 4-мя электродами подложка является отдельной частью, что дает возможность управлять прохождением тока по переходу.
Материал изготовления: наиболее популярными стали приборы на основе германия, кремния. В маркировке транзистора буква означает материал полупроводника. В транзисторах, производимых для военной техники, материал маркируется цифрами.
Тип применения: обозначается в справочниках, на маркировке не указан. На практике известно пять групп применения «полевиков»: в усилителях низкой и высокой частоты, в качестве электронных ключей, модуляторов, усилителей постоянного тока.
Интервал рабочих параметров: набор данных, при которых полевики могут работать.
Особенности устройства: унитроны, гридисторы, алкатроны. Все приборы имеют свои отличительные данные.
Количество элементов конструкции: комплементарные, сдвоенные и т. д.

Кроме основной классификации «полевиков», имеется специальная классификация, имеющая принцип действия:

Полевые транзисторы с р-n переходом, который осуществляет управление.
Полевые транзисторы с барьером Шоттки.
«Полевики» с изолированным затвором, которые делятся:
— с индукционным переходом;
— со встроенным переходом.

В научной литературе предлагается вспомогательная классификация. Там говорится, что полупроводник на основе барьера Шоттки необходимо выделить в отдельный класс, так как это отдельная структура. В один и тот же транзистор может входить сразу оксид и диэлектрик, как в транзисторе КП 305. Такие методы применяют для образования новых свойств полупроводника, либо для снижения их стоимости.

На схемах полевики имеют обозначения выводов: G – затвор, D – сток, S – исток. Подложку транзистора называют «substrate».

Конструктивные особенности

Электрод управления полевым транзистором в электронике получил название затвора. Его переход выполняют из полупроводника с любым видом проводимости. Полярность напряжения управления может быть с любым знаком. Электрическое поле определенной полярности выделяет свободные электроны до того момента, пока на переходе не закончатся свободные электроны. Это достигается воздействием электрического поля на полупроводник, после чего величина тока приближается к нулю. В этом заключается действие полевого транзистора.

Электрический ток проходит от истока к стоку. Разберем отличия этих двух выводов транзистора. Направление движения электронов не имеет значения. Полевые транзисторы обладают свойством обратимости. В радиотехнике полевые транзисторы нашли свою популярность, так как они не образуют шумов по причине униполярности носителей заряда.

Главной особенностью полевых транзисторов является значительная величина сопротивления входа. Это особенно заметно по переменному току. Эта ситуация получается по причине управления по обратному переходу Шоттки с определенным смещением, или по емкости конденсатора возле затвора.

Материалом подложки выступает нелегированный полупроводник. Для «полевиков» с переходом Шоттки вместо подложки закладывают арсенид галлия, который в чистом виде является хорошим изолятором.

К нему предъявляются требования:

Отсутствие отрицательных факторов в соединении с переходом, стоком и истоком: гистерезис свойств, паразитное управление, чувствительность к свету.
Устойчивость к температуре во время изготовления: невосприимчивость к эпитаксии, отжигу. Отсутствие различных примесей в активных слоях.
Минимальное количество примесей.
Качественная структура кристаллической решетки с наименьшим количеством дефектов.

На практике оказывается трудным создание структурного слоя со сложным составом, отвечающим необходимым условиям. Поэтому дополнительным требованием является возможность медленного наращивания подложки до необходимых размеров.

Полевые транзисторы с р-n переходом

В такой конструкции тип проводимости затвора имеет отличия от проводимости перехода. Практически применяются различные доработки. Затвор может быть изготовлен из нескольких областей. В итоге наименьшим напряжением можно осуществлять управление прохождением тока, что повышает коэффициент усиления.

В разных схемах применяется обратный вид перехода со смещением. Чем больше смещение, тем меньше ширина перехода для прохождения тока. При определенной величине напряжения транзистор закрывается. Применение прямого смещения не рекомендуется, так как мощная цепь управления может оказать влияние на затвор. Во время открытого перехода проходит значительный ток, или повышенное напряжение. Работа в нормальном режиме создается путем правильного выбора полюсов и других свойств источника питания, а также подбором точки работы транзистора.

Во многих случаях специально применяют непосредственные токи затвора. Такой режим могут применять и транзисторы, у которых подложка образует переход вида р-n. Заряд от истока разделяется на сток и затвор. Существует область с большим коэффициентом усиления тока. Этот режим управляется затвором. Однако, при возрастании тока эти параметры резко падают.

Подобное подключение применяется в схеме частотного затворного детектора. Он применяет свойства выпрямления перехода канала и затвора. В таком случае прямое смещение равно нулю. Транзистор также управляется затворным током. В цепи стока образуется большое усиление сигнала. Напряжение для затвора изменяется по закону входа и является запирающим для затвора.

Напряжение в стоковой цепи имеет элементы:

Постоянная величина. Не применяется.
Сигнал несущей частоты. Отводится на заземление с применением фильтров.
Сигнал с модулирующей частотой. Подвергается обработке для получения из него информации.

В качестве недостатка затворного детектора целесообразно выделить значительный коэффициент искажений. Результаты для него отрицательные для сильных и слабых сигналов. Немного лучший итог показывает фазовый детектор, выполненный на транзисторе с двумя затворами. Опорный сигнал подается на один их электродов управления, а информационный сигнал, усиленный «полевиком», появляется на стоке.

Несмотря на значительные искажения, этот эффект имеет свое назначение. В избирательных усилителях, которые пропускают определенную дозу некоторого спектра частот. Гармонические колебания фильтруются и не влияют на качество действия схемы.

Транзисторы МеП, что означает – металл-полупроводник, с переходом Шоттки практически не отличаются от транзисторов с р-n переходом. Так как переход МеП имеет особые свойства, эти транзисторы могут функционировать на повышенной частоте. А также, структура МеП простая в изготовлении. Характеристики по частоте зависят от времени заряда затворного элемента.

МДП-транзисторы

База элементов полупроводников постоянно расширяется. Каждая новая разработка изменяет электронные системы. На их базе появляются новые приборы и устройства. МДП-транзистор действует путем изменения проводимости полупроводникового слоя с помощью электрического поля. От этого и появилось название – полевой.

Обозначение МДП расшифровывается как металл-диэлектрик-полупроводник. Это дает характеристику состава прибора. Затвор изолирован от истока и стока тонким диэлектриком. МДП транзистор современного вида имеет размер затвора 0,6 мкм, через который может протекать только электромагнитное поле. Оно оказывает влияние на состояние полупроводника.

При возникновении нужного потенциала на затворе возникает электромагнитное поле, которое оказывает влияние на сопротивление участка стока-истока.

Достоинствами такого применения прибора является:

Повышенное сопротивление входа прибора. Это свойство актуально для применения в цепях со слабым током.
Небольшая емкость участка сток-исток дает возможность применять МДП-транзистор в устройствах высокой частоты. При передаче сигнала искажений не наблюдается.
Прогресс в новых технологиях производства полупроводников привел к разработке транзисторов IGBT, которые включают в себя положительные моменты биполярных и полевых приборов. Силовые модули на их основе широко применяются в приборах плавного запуска и преобразователях частоты.

При разработке таких элементов нужно учесть, что МДП-транзисторы имеют большую чувствительность к повышенному напряжению и статическому электричеству. Транзистор может сгореть при касании к его выводам управления. Следовательно, при их установке необходимо применять специальное заземление.

Такие полевые транзисторы обладают многими уникальными свойствами (например, управление электрическим полем), поэтому они популярны в составе электронной аппаратуры. Также следует отметить, что технологии изготовления транзисторов постоянно обновляется.

Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET)

Следующий из рассматриваемых видов полевых транзисторов — транзисторы с изолированным затвором (МОП- или МДП-транзисторы) (Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor — MOSFET). Как видно из названия, в таких транзисторах область затвора не имеет непосредственного электрического контакта с основной полупроводниковой структурой, в которой расположен канал протекания потока зарядов. Сам затвор выполняется из металла и его воздействие на канал обусловлено только возможностью создания в полупроводнике некоторых электрических полей, образуемых вблизи затвора при приложении к нему внешних напряжений. Учитывая специфику конструкции затвора, такие транзисторы часто называют МДП- (металл—диэлектрик—полупроводник) или МОП- (металл—окисел—полупроводник) транзисторами. Но не только вид затвора отличает МДП-транзисторы от полевых транзисторов с управляющими переходами. Дело в том, что в МДП-транзисторах нет четкой монолитной полупроводниковой структуры с одним типом проводимости, которая играла бы роль канала для протекания потока зарядов так же, как это происходит в полевых транзисторах с управляющим переходом. Здесь канал как бы спрятан внутри области полупроводника (подложки) с типом проводимости, противоположным тому, который необходим для протекания потока соответствующих данному транзистору зарядов (для \(n\)-канального транзистора это электроны, для \(p\)-канального — дырки). Возникновение такого потока по-прежнему обусловлено наличием некоторого внешнего потенциала, прикладываемого к областям стока и истока, но вторым условием является наличие в структуре самого канала — пути, по которому возможно протекание данного потока. МДП-транзисторы различаются по способу формирования этого канала.

Существуют:

МДП-транзисторы с индуцированным каналом (рис. 2-1.2) — канал образуется в результате внешних электрических воздействий;
МДП-транзисторы со встроенным каналом (рис. 2-1.3) — канал выполнен путем физического внедрения между стоком и истоком области с соответствующей электропроводностью.

Рис. 2-1.2. Плоская одномерная модель МДП-транзистора с индуцированным каналом (а) и его схематические обозначения (б)

Рис. 2-1.3. Плоская одномерная модель МДП-транзистора со встроенным каналом (а) и его схематические обозначения (б)

Учитывая некоторые технологические особенности, первые иногда называют МДП-транзисторами обогащенного типа, а вторые — обедненного типа. Промышленностью также выпускаются МДП-транзисторы с двумя затворами. В них может быть либо один, либо два соединяемых последовательно канала, каждый из которых управляется отдельным затвором.

Несмотря на конструктивные отличия, для МДП-транзисторов сохраняется вся та же терминология, которая была описана для полевых транзисторов с управляющими переходами. Схемные обозначения различных видов полевых транзисторов показаны на рис. 2-1.2,б, 2-1.3,б, 2-1.4. Некоторая особенность МДП-транзисторов заключается в наличии самостоятельной области подложки. Иногда вывод от этой области выполняется отдельно (рис. 2-1.4), что позволяет управлять через него некоторыми характеристиками прибора, но гораздо чаще он соединяется с истоком внутри корпуса транзистора. Это приводит к тому, что между выводами истока и стока как бы возникает диод, образованный \(p\)-\(n\)-переходом между подложкой и стоком. Часто такой диод изображают и на схемном обозначении транзистора, как показано на рис. 2-1.4.

Рис. 2-1.4. Некоторые дополнительные варианты схематического обозначения МДП-транзисторов

Важным свойством полевых транзисторов (и особенно, МДП-транзисторов) является их повышенная чувствительность к статическому электричеству. Так что при обращении с этими приборами часто требуются особые меры предосторожности (заземление оборудования и тела оператора, закорачивание выводов до момента окончания пайки и т.п.).

< Предыдущая		Следующая >

Полевые транзисторы — Основы — Полупроводниковые технологии от А до Я

1. Подложка

Основой n-канального полевого транзистора является кремниевая подложка, легированная p-примесью (бором).

2. Окисление

Поверх подложки за счет термического окисления создается тонкий слой диоксида кремния SiO ₂ (оксид затвора). Он используется для изоляции позже нанесенного затвора и подложки.

3. Депонирование

В процессе LPCVD наносится нитрид, который позже используется в качестве маскировки во время полевого окисления.

4. Фотолитография

Поверх нитрида наматывают фоторезист, экспонируют и проявляют. Таким образом образуется структурированный слой покрытия, который служит маской для травления.

5. Офорт

Только на участках, свободных от резиста, нитрид удаляют реактивным ионным травлением.

6. Сопротивление удалению

После этого резистная маска удаляется в растворе влажного химического проявителя.

7. Окисление

Во время полевого окисления нитрид служит маскирующим слоем, термическое влажное окисление происходит только на оксиде без покрытия.Выращенный полевой оксид используется для боковой изоляции соседних устройств.

8. Офорт

После окисления нитрид удаляют в процессе влажного химического травления.

9. Депонирование

Посредством CVD низкого давления осаждается поликристаллический кремний, который представляет собой электрод затвора.

10. Фотолитография

Снова нанесен узор на слой фоторезиста поверх поликремния.

11. Офорт

Фоторезист, в свою очередь, служит маскирующим слоем, за счет реактивного ионного травления затвор формируется.

12. Сопротивление удалению

Резист удаляется методом влажного химического травления.

13. Окисление

Тонкий оксид (пост-оксид) наносится в качестве изолирующего слоя для электрода затвора, а также в качестве прокладки для последующей имплантации истока и стока.

14. Ионная имплантация

Посредством ионной имплантации с фосфором вводятся области истока и стока (n-тип). Поскольку электрод затвора действует как маска во время имплантации, ширина n-канала между истоком и стоком задается заранее.Это называется «самовыравнивание».

15. Окисление

В качестве изоляции осаждается неметалл (например, оксид). Это происходит в процессе LPCVD с TEOS, который обеспечивает хорошее покрытие этапов.

16. Фотолитография и травление

На следующем этапе структурируется слой резиста, а края контактных отверстий закругляются в процессе изотропного травления.

17. Офорт

Впоследствии контактные отверстия открываются в процессе сильно анизотропного травления.

18. Металлизация

Контактные отверстия заполнены алюминием напылением.

19. Фотолитография

На заключительном этапе литографии формируется новая маска резиста.

20. Офорт

Рисунок переносится на нижележащую металлизацию в процессе анизотропного сухого травления.

21. Удаление сопротивления

Наконец, резистор удаляется, и остаются алюминиевые проводники для срабатывания транзистора.

Фактическая конструкция транзистора намного сложнее, поскольку для точной регулировки порогового напряжения необходимы дополнительные слои планаризации для фотолитографии или вторичный сток и имплантация истока. На откосах электрода затвора могут быть сформированы дополнительные распорки (боковые стенки), чтобы установить точную длину канала или настроить профиль легирования соответственно.

Что такое полевой транзистор? — Определение, конструкция и классификация

Определение: FET — это сокращение от «полевой транзистор ».Это трехконтактное униполярное устройство, в котором проводимость регулируется с помощью приложенного электрического поля . Само название дает краткое представление о принципе его работы, «эффект поля», эти два слова ясно указывают на то, что это транзистор, управляемый электрическим полем.

Таким образом, его также называют устройством, управляемым напряжением, в котором только основные носители заряда участвуют в механизме проводимости. Он состоит из трех выводов: истока, затвора и стока.

Обозначение схемы, описанное на схеме ниже, ясно иллюстрирует три вывода полевого транзистора.

История полевого транзистора

В 1926 году идею полевого транзистора (FET) представил Lilienfield. После этого, в 1935 году, Heil также осветила полевой транзистор. Но к этому времени полевые транзисторы не пользовались большой популярностью. Это было в 1940 году, когда значение полевых транзисторов стало расти.Это связано с тем, что в 1940-х годах исследования полупроводников проводились в лабораториях Bell .

Значение полевого транзистора

Прежде чем обсуждать значение полевого транзистора, я хотел бы поделиться ключевой концепцией, касающейся полевого транзистора. Транзистор в названии часто путают с биполярным транзистором. Но существует огромная разница между полевым транзистором и биполярным транзистором.

Хотя оба являются транзисторами и оба связаны с проводимостью тока, и оба имеют три вывода, но на этом сходство заканчивается.BJT использует инжекцию и сбор неосновных носителей заряда, и этот процесс инжекции и сбора выполняется во время прямого смещения P-N перехода. Напротив, полевые транзисторы используют электрическое поле для изменения ширины обеднения во время обратного смещения перехода.

Таким образом, в проводимости BJT участвуют как основные, так и неосновные носители, но механизм проводимости в полевых транзисторах обусловлен только основными носителями заряда. По этой причине полевые транзисторы называют униполярными устройствами.

Водная аналогия для понимания концепции полевого транзистора

Чтобы понять, как работает полевой транзистор, давайте воспользуемся аналогией. Аналогии часто упрощают понимание даже сложной концепции. Источник воды можно понимать как источник полевого транзистора, емкость, собирающая воду, аналогична дренажному выводу полевого транзистора. Давайте быстро взглянем на приведенную ниже диаграмму, после чего понимание концепции FET будет легкой прогулкой.

Теперь вы можете догадаться, какой терминал ворот аналогичен? Если вы думаете о водопроводном кране, то да, вы правы.Это не что иное, как регулирующий кран, который контролирует поток воды. Теперь, способ, которым управляющий кран регулирует количество воды, поступающей из выхода, точно так же, как напряжение на выводе затвора управляет потоком тока от истока к выводу стока.

Конструкция и работа полевого транзистора

Полупроводник — основа всех полевых транзисторов. В зависимости от того, какой канал мы используем, то есть N-канал или P-канал, будет использоваться образец полупроводника. Если мы разрабатываем N-канальные полевые транзисторы, то канал будет из полупроводника N-типа.А в середине противоположных фаз образца будет рассеиваться полупроводник P-типа.

Полупроводниковая шина P-типа будет действовать как вывод затвора. Противоположные концы полупроводника P-типа будут соединены вместе, чтобы сформировать общий вывод затвора. Таким образом, по обе стороны от затвора будет два P-N перехода, которые будут называться терминалами истока и стока.

Компоненты полевых транзисторов

Канал: Это область, в которой текут основные носители заряда.Когда большинство носителей заряда вводятся в полевой транзистор, то только по этому каналу они перетекают от истока к стоку.
Источник: Источник — это терминал, через который большинство носителей заряда вводятся в полевой транзистор.
Дренаж: Дренаж — это приемный терминал, в который входят основные носители заряда и, таким образом, вносят свой вклад в процедуру проводимости.
Затвор: Терминал затвора образован диффузией одного типа полупроводника с другим типом полупроводника.Это в основном создает область с высоким содержанием примесей, которая контролирует поток носителя от истока к стоку.

Классификация полевых транзисторов

Классификацию полевых транзисторов можно понять с помощью диаграммы, представленной на изображении ниже. Полевые транзисторы в основном описаны в двух типах: JFET (Junction field effect transistor) и полевой транзистор с изолированным затвором.

Полевой транзистор перехода: Полевой транзистор перехода — это не что иное, как полевой транзистор, в котором проводимость устанавливается путем изменения ширины истощения при обратном смещении перехода.По конструкции он состоит из двух типов: N-канал и P-канал.

Полевой транзистор с изолированным затвором: Полевой транзистор с изолированным затвором — это тот, в котором затвор изолирован изоляционным материалом от образца полупроводника. Это два типа MESFET (полевой транзистор с металлическим полупроводником), и MISFET (полевой транзистор с металлическим диэлектриком и полупроводником).

И MESFET, и MISFET используют переход металл-полупроводник, а не обычный P-N переход.Но отличительной чертой обоих является использование изоляционного материала в случае MISFET, в то время как в MESFET изоляционного материала нет.

MOSFET — это подтип MISFET, в котором оксидный слой играет решающую роль в обеспечении изоляции между затвором и другими выводами. МОП-транзисторы работают в двух режимах: Depletion mode и Enhancement Mode . В режиме истощения существует физический канал, в то время как в режиме улучшения его нет.

Полевой МОП-транзистор с истощением и расширением может быть снова разработан двумя способами, используя N-канал или P-канал.Это было краткое описание полевых транзисторов.

Полевые транзисторы

— обзор

9.1.1 Геометрическая масштабируемость

Ширина и длина полевого транзистора (FET) являются ключевыми переменными, доступными разработчикам схем для оптимизации характеристик схемы. Полностью обедненный кремний на изоляторе (FDSOI) — это строгальная технология, поэтому ширину можно плавно изменять, в отличие от FinFET, где ширина задается целыми числами (одно ребро, два ребра и т. Д.). Поскольку технологии FDSOI нацелены на аналоговые и радиочастотные (RF) приложения, литография обычно настраивается для обеспечения непрерывного диапазона длин.Чтобы воспользоваться этой гибкостью конструкции, модель должна точно воспроизводить характеристики устройства для любого сочетания длины и ширины.

BSIM-IMG имеет обширную физику, встроенную в уравнения для эффектов масштабирования длины канала. Для чисто цифровой модели, которая должна быть точной только для вытянутой длины в диапазоне от минимальной до нескольких точек сетки, плюс технологический вариант L , этого может оказаться достаточно. Тем не менее, промышленный разработчик моделей, который должен покрывать расстояние от минимума менее 30 нм до максимума более микрона с точностью, требуемой разработчиками аналоговых и радиочастотных устройств, почти всегда обнаружит, что модель не может быть достаточно точно подогнана по всей длине.

Компактная модель всегда должна быть компромиссом между, включая всю физику и обеспечивающим быстрое моделирование. В конкретной конструкции устройства опущенные или упрощенные физические данные могут быть достаточно важными, чтобы потребовать более обширного рассмотрения. Поскольку BSIM-IMG является стандартной отраслевой моделью, поддерживаемой коалицией компактных моделей Si2 (CMC), существует механизм для предложения, разработки, тестирования и включения изменений модели. По этой причине членами CMC являются большинство литейных производств и поставщиков средств автоматизации проектирования электроники (EDA), а также многие компании без заводов.

Вероятно, наиболее частой причиной несоответствия по длине является печать ворот. Модель регулирует длину, указанную в списке соединений, с помощью дельты L и даже обеспечивает корректировку дельты L для печати на основе геометрии устройства.

Lnew = L + XL

LLLN = Lnew − LLN

LLWN = Lnew − WLN

LWLLN − LWN = LLLN × WLWN

dLIV = LINT + LL × LLLN + LW × WLWN + LWN × WLWN

Leff = Lnew – 2.0 × dLIV

Используя эти параметры модели, можно улучшить соответствие токов и емкости вытянутой длине, особенно для самых коротких длин.

Однако это аналитические функции, которые производят плавное монотонное изменение в L и W . Формирование рисунка с номинальной длиной затвора 28 нм или меньше с использованием литографии с длиной волны света 193 нм [1] требует коррекции оптического приближения и использования методов повышения разрешения, таких как вспомогательные функции субразрешения [2]. Это прерывистые процессы, вызывающие немонотонное и даже прерывистое изменение дельты L в зависимости от нарисованного L , особенно для более длинных устройств, представляющих интерес для разработчиков аналоговых и маломощных радиочастотных схем.

Разработчик модели также часто сталкивается в процессе с другими геометрическими эффектами, которые вызывают различия в поведении устройства. Часто невозможно определить точный задействованный механизм, и лучшее, что может сделать разработчик модели, — это охарактеризовать изменение как одну из физических характеристик полевого транзистора, например, подвижность или последовательное сопротивление.

Для вариаций печати, которые не могут быть смоделированы, и для других наблюдаемых геометрических эффектов у разработчика моделей есть два варианта.Один из них — использовать параметры разбиения модели либо как полностью разбитую модель, либо как дополнительную глобальную вариацию в уравнениях модели. Другой — встроить в карточку модели уникальные уравнения или даже справочные таблицы, которые корректируют параметры модели с учетом геометрических изменений, которые не моделируются.

Механизм биннинга Модель короткоканального транзистора Беркли с изолированным затвором для независимых многополюсных вентилей (BSIM-IMG) аналогична таковой в других моделях BSIM от Калифорнийского университета в Беркли. Каждый параметр с возможностью бина рассчитывается как константа плюс три геометрических члена.

(9.1) PARAMi = PARAM + LPARAM / Leff + WPARAM / Weff + PPARAM / (Weff × Leff)

На рис. 9.1 показан пример разделения пространства L × W на шесть бункеров. В каждом углу бункера есть полевой транзистор, который измеряется и устанавливается без геометрических масштабов. Параметры бин-модели из четырех моделей в четырех углах бина используются для решения уравнения. (9.1) для четырех параметров биннинга для этого бина. Структура уравнения гарантирует, что параметр бинированной модели будет иметь одинаковое значение в соседних интервалах для точек на границе между интервалами.Например, бункеры 1 и 2 имеют одинаковое значение для каждого параметра бина на L и W полевого транзистора 2, а также полевого транзистора 6 по конструкции. Параметры без объединения имеют одинаковое значение во всех ячейках, поэтому ячейки 1 и 2 дают точно такую же модель в этих точках. Изучая уравнение. (9.1) читатель может видеть, что это будет верно для каждой точки на линии от FET 2 до FET 6.

Рисунок 9.1. Разделение места L — W для модели с бункером.

Одним из основных преимуществ бининговых моделей является то, что модели с единственной геометрией для углов бинов могут быть легко подогнаны.Тогда полная биннинговая модель может быть построена с помощью простого алгоритма. Соответствие данным по углам ячеек обычно довольно хорошее. Однако из-за того, что уравнение биннинга не включает в себя физику, транзисторы в точках внутри бинов могут не подходить особенно хорошо. И хотя этот метод обеспечивает непрерывность через границы бункеров, он не гарантирует монотонности или физически разумных кривых по сравнению с L или W . В общем, построение хороших бинированных моделей требует применения дополнительных ограничений на значение бинированных параметров в каждой из подгонок одной геометрии.

Разработчики моделей часто обрабатывают параметры разбиения ( L _PARAM и т. Д.) Как дополнительные параметры глобального масштабирования. Например, если насыщение скорости не может быть адекватно подогнано с помощью масштабирования L , встроенного в модель, параметр LVSAT может использоваться, чтобы дать разработчику модели дополнительную степень свободы в модели. Это особенно полезно для зависимости W SiGe-канала полевого транзистора p-типа (pFET), где ширина активной области может иметь очень сильное влияние посредством модуляции механического напряжения.

В крайнем случае, разработчик моделей может включить расчеты в карточку модели. Это добавляет сложности и создает риск того, что модели могут не работать одинаково в симуляторах от разных поставщиков EDA. Но это дает моделисту практически неограниченную свободу подгонять любое геометрическое поведение устройства. Это часто необходимо для моделирования эффекта локальной компоновки, обсуждаемого далее в этой главе.

Переходные полевые транзисторы | Теория твердотельных устройств

Полевой транзистор был предложен Юлиусом Лилиенфельдом в патентах США в 1926 и 1933 годах (1 900 018).Более того, Шокли, Браттейн и Бардин исследовали полевой транзистор в 1947 году. Однако крайние трудности отвлекли их на изобретение биполярного транзистора. Теория полевого транзистора Шокли была опубликована в 1952 году. Однако технология обработки материалов не была достаточно зрелой до 1960 года, когда Джон Аталла создал работающее устройство.

Полевой транзистор (FET) представляет собой униполярное устройство , проводящее ток, используя только один вид носителя заряда.Если он основан на пластине полупроводника N-типа, носителями являются электроны. И наоборот, устройство на основе P-типа использует только отверстия.

Работа на полевом транзисторе

На уровне схемы работа полевого транзистора проста. Напряжение, приложенное к затвору , входному элементу , регулирует сопротивление канала , униполярной области между областями затвора. (Рисунок ниже) В N-канальном устройстве это слегка легированная пластина кремния N-типа с выводами на концах.Выводы истока и стока аналогичны эмиттеру и коллектору, соответственно, BJT. В N-канальном устройстве тяжелая область P-типа по обе стороны от центра плиты служит управляющим электродом, затвором. Ворота аналогичны основанию BJT.

«Чистота рядом с благочестием» относится к производству полевых транзисторов. Хотя возможно изготовление биполярных транзисторов за пределами чистой комнаты , для полевых транзисторов это необходимо.Даже в таких условиях производство затруднено из-за проблем с контролем загрязнения. Униполярный полевой транзистор концептуально прост, но труден в изготовлении. Большинство современных транзисторов представляют собой разновидность металлооксидных полупроводников (см. Следующий раздел) полевых транзисторов, содержащихся в интегральных схемах. Однако доступны дискретные полевые транзисторы.

Переходный полевой транзистор. Поперечное сечение.

Правильно смещенный полевой транзистор с N-канальным переходом (JFET) показан на рисунке выше.Затвор представляет собой диодный переход между истоком и стоком полупроводниковой пластины. Затвор имеет обратное смещение. Если бы между истоком и стоком было приложено напряжение (или омметр), полоска N-типа могла бы проводить в любом направлении из-за легирования. Для проведения проводимости не требуется ни затвор, ни смещение затвора. Если затворный переход сформирован, как показано, проводимостью можно управлять с помощью степени обратного смещения.

На рисунке ниже (а) показана область истощения в затворном переходе. Это происходит из-за диффузии дырок из области затвора P-типа в канал N-типа, обеспечивая разделение зарядов вокруг перехода с непроводящей обедненной областью на переходе.Область обеднения простирается глубже в сторону канала из-за сильного легирования затвора и легкого легирования канала.

N-канальный полевой транзистор JFET: (a) Обеднение на затворном диоде. (b) Затворный диод с обратным смещением увеличивает область обеднения. (c) Увеличение обратного смещения увеличивает область истощения. (d) Увеличение обратного смещения отсекает канал S-D.

Толщина обедненной области может быть увеличена на рис. Выше (b) путем применения умеренного обратного смещения. Это увеличивает сопротивление истока к дренажному каналу за счет сужения канала.Увеличение обратного смещения в (c) увеличивает область обеднения, уменьшает ширину канала и увеличивает сопротивление канала. Увеличение обратного смещения VGS на (d) приведет к отсечке тока канала. Сопротивление канала будет очень высоким. Эта VGS, при которой происходит отсечка, является VP, напряжением отсечки. Обычно это несколько вольт. В итоге, сопротивление канала можно регулировать степенью обратного смещения затвора.

Исток и сток взаимозаменяемы, и ток от истока к оттоку может течь в любом направлении при низком уровне напряжения стока батареи (<0.6 В). То есть разрядная батарея может быть заменена источником переменного тока низкого напряжения. Для напряжения источника питания с высоким стоком, до 10 вольт для небольших сигнальных устройств, полярность должна быть такой, как показано на рисунке ниже (а). Этот источник питания стока, не показанный на предыдущих рисунках, искажает область истощения, увеличивая ее на стороне стока затвора. Это более правильное представление для обычных напряжений питания стока постоянного тока от нескольких до десятков вольт. Когда напряжение на стоке VDS увеличивается, область обеднения затвора расширяется по направлению к стоку.Это увеличивает длину узкого канала, немного увеличивая его сопротивление. Мы говорим «немного», потому что большие изменения сопротивления происходят из-за изменения смещения затвора. На рисунке ниже (b) показано схематическое изображение N-канального полевого транзистора по сравнению с кремниевым поперечным сечением в точке (a). Стрелка затвора указывает в том же направлении, что и переходной диод.

«Указывающая» стрелка и «не указывающая» полоса соответствуют полупроводникам P- и N-типа соответственно.

Ток на N-канальном JFET-транзисторе от стока к истоку в поперечном сечении (a), схематический символ (b).

На рисунке выше показан большой ток, протекающий от (+) клеммы аккумуляторной батареи к сливу полевого транзистора, от истока и возвращающемуся к (-) клемме аккумуляторной батареи. Этим потоком можно управлять, изменяя напряжение затвора. Нагрузка, соединенная последовательно с батареей, видит усиленную версию изменяющегося напряжения затвора.

Также доступны полевые транзисторы

с P-каналом. Канал изготовлен из материала P-типа. Затвор представляет собой сильно легированную область N-типа. Все источники напряжения перевернуты в P-канальной цепи (рисунок ниже) по сравнению с более популярным N-канальным устройством.Также обратите внимание, что стрелка указывает на затвор схематического символа (b) полевого транзистора P-канала.

P-канальный JFET: (a) затвор N-типа, канал P-типа, источники обратного напряжения по сравнению с N-канальным устройством. (b) Обратите внимание на перевернутую стрелку затвора и источники напряжения на схеме.

По мере увеличения положительного напряжения смещения затвора сопротивление P-канала увеличивается, уменьшая ток в цепи стока.

Дискретные устройства изготавливаются с поперечным сечением, показанным на рисунке ниже.Поперечное сечение, ориентированное так, чтобы соответствовать условному обозначению, перевернуто по отношению к полупроводниковой пластине. То есть соединения затвора находятся наверху пластины. Затвор сильно легирован, P +, для хорошей диффузии дырок в канал для большой обедненной области. Соединения истока и стока в этом N-канальном устройстве сильно легированы N + для снижения сопротивления соединения. Однако канал, окружающий затвор, слегка легирован, чтобы отверстия от затвора могли проникать глубоко в канал.Это N-регион.

Соединительный полевой транзистор: (a) поперечное сечение дискретного устройства, (b) схематическое обозначение, (c) поперечное сечение интегрального устройства.

Все три вывода на полевых транзисторах доступны на верхней части кристалла для версии с интегральной схемой, так что слой металлизации (не показан) может соединять между собой несколько компонентов. (Рисунок выше (c)) Полевые транзисторы на интегральных схемах используются в аналоговых схемах для высокого входного сопротивления затвора. Область N-канала под затвором должна быть очень тонкой, чтобы внутренняя область вокруг затвора могла контролировать и ограничивать канал.Таким образом, области затвора с обеих сторон канала не нужны.

SIT

Соединительный полевой транзистор (тип статической индукции): (а) поперечное сечение, (б) схематическое изображение.

Полевой транзистор со статической индукцией (SIT) представляет собой устройство с коротким каналом и скрытым затвором. (Рисунок выше) Это силовое устройство, в отличие от небольшого сигнального устройства. Низкое сопротивление затвора и малая емкость затвора относительно истока делают устройство быстрой коммутации.SIT способен выдавать сотни ампер и тысячи вольт. И, как говорят, способен работать на невероятной частоте 10 ГГц.

Металлический полупроводниковый полевой транзистор (MESFET): (a) схематическое обозначение, (b) поперечное сечение.

MESFET

Металлический полупроводниковый полевой транзистор (MESFET) похож на JFET, за исключением того, что затвор представляет собой диод Шоттки, а не переходной диод. Диод Шоттки представляет собой металлический выпрямляющий контакт с полупроводником по сравнению с более распространенным омическим контактом.На рисунке выше исток и сток сильно легированы (N +). Канал слегка легирован (N-). MESFET имеют более высокую скорость, чем JFET. MESFET — это устройство в режиме истощения, обычно включенное, как JFET. Они используются как усилители мощности СВЧ до 30 ГГц. MESFET могут быть изготовлены из кремния, арсенида галлия, фосфида индия, карбида кремния и аллотропа углерода из алмаза.

ОБЗОР:

Полевой транзистор с униполярным переходом (FET или JFET) называется так, потому что проводимость в канале обусловлена одним типом несущей
Исток, затвор и сток JFET соответствуют эмиттеру, базе и коллектору BJT соответственно.
Применение обратного смещения к затвору изменяет сопротивление канала за счет расширения области обеднения затворного диода.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Графеновые полевые транзисторы для биологических и химических датчиков

Датчики

GFET, в которых используется материал 2D-канала, имеют ряд преимуществ по сравнению с объемными полупроводниковыми приборами (включая кремний). Для большинства полупроводниковых транзисторных датчиков локальные изменения электрического поля на поверхности канала мало влияют на глубину канала устройства, ограничивая чувствительность отклика.С GFET канал графена имеет толщину всего в один атом, что означает, что весь канал находится на поверхности и напрямую подвергается воздействию окружающей среды. Любая молекула, прикрепленная к поверхности канала, влияет на перенос электронов через всю глубину устройства. Кремний или другие объемные полупроводники, близкие к атомарной толщине, неэффективны, потому что при такой толщине поверхностные дефекты доминируют над характеристиками материала. Двумерные материалы, такие как графен, не имеют оборванных связей на поверхности, которые могли бы образовывать дефекты.В результате графен обладает высокой проводимостью и чувствителен к поверхностным воздействиям. Кроме того, поскольку материал не имеет оборванных связей, он устраняет неспецифическое связывание и, следовательно, ложные срабатывания, что было проблемой с другими датчиками на основе полевых транзисторов. При правильной функционализации GFET-транзисторы обеспечивают высокочувствительное, высокоселективное, прямое, без этикеток обнаружение целевых аналитов с полностью электронным управлением и считыванием устройств.

Полевые транзисторы на основе графена имеют явные преимущества при изготовлении по сравнению с устройствами, изготовленными из одномерных материалов, таких как углеродные нанотрубки (УНТ) и нанопроволоки.Подобно графену, одностенные УНТ также обладают высокой проводимостью (с правильной хиральностью) и практически имеют всю поверхность. Графен может быть получен в виде однородных пленок с однородными характеристиками материала. В настоящее время нельзя изготавливать одномерные материалы с такой же консистенцией. Кроме того, массивы высокопроизводительных устройств с однородным откликом невозможно создать с использованием случайно распределенных нанопроволок или нанотрубок, поскольку количество и ориентация одномерных объектов варьируются в зависимости от распределения. Эта неоднородность положения, часто усугубляемая неоднородностью размеров между одномерными объектами, создает большой разброс характеристик отклика между устройствами.2D-материалы обеспечивают согласованность между устройствами. Кроме того, однородные графеновые пленки размером с пластину могут быть сформированы путем химического осаждения из газовой фазы, и эти пленки можно использовать для фотолитографических технологий изготовления, разработанных для процессов изготовления интегральных схем, разработанных в полупроводниковой промышленности.

Производство GFET

GFET-транзисторы

изготавливаются на кремниевых пластинах, чтобы воспользоваться преимуществами традиционных, недорогих и высоконадежных процессов литографии, осаждения и интеграции, применяемых в промышленности интегральных схем.Для этих устройств графеновые пленки формировались методом химического осаждения из паровой фазы при атмосферном давлении. ⁸ Подложку для осаждения медной фольги загружали в печь и нагревали до 1000 ° C в восстановительной среде аргон / водород для удаления любого естественного оксида с поверхности меди. В газовый поток был добавлен небольшой поток метана. Образование графена начинается с нескольких мест зарождения, за которыми следует рост кристаллов графена с одним атомным слоем до тех пор, пока домены не встретятся, полностью покрывая поверхность меди.Метан разрушается на поверхности меди, и адсорбированные атомы углерода перемещаются по поверхности, пока не встретятся с кристаллами графена и не присоединятся к ним. Сплошной однослойный графен (SLG) был сформирован после короткого времени роста от 5 до 30 минут, в основном в зависимости от соотношения газовых потоков.

Металлические электроды были нанесены на кремниевую пластину термическим испарением и литографически сформированы. Тонкий слой титана или хрома необходим для адгезии к поверхности SiO ₂.Золото или палладий обеспечивают электронный контакт с графеном. Пленка графена переносилась с подложки для осаждения меди и накладывалась на пластину после формирования электродов. Для выполнения переноса полиметилметакрилат (PMMA, Prod. No. 182230, 445746 и 182265) был нанесен методом центрифугирования на графеновую поверхность медной подложки. Медь была отделена от ПММА / графена механическим разделением с помощью водного электролиза. Пленку графена помещали на поверхность пластины, пластину запекали для обеспечения адгезии графена к пластине и электродам, а ПММА удаляли ацетоном.Дополнительная фотолитография использовалась для формирования рисунка графена в каналы полевого транзистора между электродами, и кислородная плазма была эффективна при удалении незащищенного графена. Минимизация металлических примесей в графеновых пленках имеет решающее значение для интеграции в производственные мощности IC. Для этого необходимо избегать процессов травления медной подложки.

Функционализация GFET

За последние несколько лет был разработан ряд хорошо контролируемых процедур химической функционализации, совместимых с GFET.Графеновые полевые транзисторы были оснащены белками, химическими соединениями и молекулами ДНК для создания сенсоров для различных приложений.

В случае функционализации белка неспецифическое связывание белка нежелательно, поскольку обычно подразумевает потерю контроля над функциональной структурой белка. ⁹ A.T. Группа Чарли Джонсона из Пенсильванского университета продемонстрировала различные химические соединения, подходящие для использования в графеновых устройствах. Они могут быть основаны на соединениях диазония, которые образуют ковалентную связь с поверхностью графена ¹⁰, или на бифункциональных соединениях пирена, которые взаимодействуют с графеном посредством π – π-стэкинг-взаимодействия.^10,11 Связывание с белком может осуществляться через амидную связь, которая разрешена в подходящих аминогруппах на внешней стороне белка ¹¹, или через связь Ni-нитрилотриуксусной кислоты с гистидиновой меткой на рекомбинантном белке. ¹² В каждом случае контроль параметров химии насадки (например, концентрация, температура, время) позволяет выполнять функционализацию, сохраняя при этом высококачественные свойства графенового устройства, которые способствуют высокой чувствительности (в частности, высокая подвижность несущей и хорошие шумовые характеристики).

Применения в биосенсорах и химических датчиках

Исключительные электронные и тепловые свойства графена

и высокое отношение поверхности к объему делают его особенно подходящим для таких приложений, как биосенсоры, газовые датчики ^13,14, ^15,16 и высокопроизводительные транзисторы. ^17–19 Устройства на основе графена могут позволить использовать быстрые высокочувствительные датчики для диагностики в местах оказания медицинской помощи и обнаружения химических веществ и могут заменить другие методологии, которые отличаются высокой стоимостью, низкой чувствительностью и трудоемкостью.

A.T. Группа Чарли Джонсона продемонстрировала датчик GFET для обнаружения небольших молекул при концентрациях пг / мл. ¹⁴ GFET были функционализированы с помощью рассчитанного с помощью вычислений водорастворимого варианта человеческого μ-опиоидного рецептора (рецептор, связанный с G-белком) с использованием тетрафторбората 4-карбоксибензолдиазония, который продуцировал участки карбоновой кислоты на графене, которые в дальнейшем активировались и стабилизировались с помощью Гидрохлорид 1-этил-3- [3-диметиламинопропил] карбодиимида ( Prod.№ 03449 и Прод. № E7750) / сульфо-N-гидроксисукцинимид (EDC / sNHS). ²⁰ Электронные измерения тока исток-сток в зависимости от напряжения на затворе после каждого шага процедуры функционализации показали воспроизводимые сдвиги в проводимости. Об обнаружении налтрексона-мишени для μ-опиоидного рецептора (антагониста опиоидных рецепторов, Prod. № 1453504) сообщалось при концентрациях всего 10 пг / мл с высокой специфичностью14. В исследованиях вместо этого использовали сконструированный одноцепочечный вариабельный фрагмент (scFv). полных антител в качестве рецепторных молекул на других датчиках FET на основе углерода показали улучшение предела обнаружения в 1000 раз.²¹ scFv представляет собой сконструированный гибридный белок, содержащий вариабельные области антитела, которые специфичны к антигену и сохраняют специфичность исходного антитела, несмотря на удаление константных областей, составляющих большую часть антитела. Повышенная чувствительность датчиков полевых транзисторов, функционализированных с помощью scFv, может быть объяснена более близкой близостью связанной мишени биомаркера к каналу GFET, что приводит к более сильным электростатическим взаимодействиям и большему электрическому сигналу.²¹

Химическое зондирование паров, или «ноздреватое» зондирование паров, — еще одно приложение, в котором используются полевые транзисторы. Для этого GFET были функционализированы одноцепочечной ДНК для обнаружения различных химических паров. Химические сенсоры на основе GFET показали быстрое время отклика, быстрое восстановление до исходного уровня при комнатной температуре и различение между несколькими аналогичными анализируемыми парами паров: например, диметилметилфосфонатом (DMMP, Prod. No. D169102) и пропионовой кислотой ( Prod. No. 402907).¹⁶

Выводы и перспективы на будущее

Исключительные электронные свойства графена по-прежнему являются многообещающими для приложений зондирования. Датчики на основе GFET для биологических и химических приложений обеспечат быстрое, чувствительное, специфическое, недорогое и полностью электронное считывание. Кроме того, датчики GFET могут быть мультиплексированы, что позволяет быстро тестировать несколько целей (от десятков до тысяч) с высокой чувствительностью на одном чипе небольшого размера. Сенсорная технология GFET может подорвать рынки здравоохранения, открытия лекарств и обнаружения химических веществ.

Ячейки памяти для полевых транзисторов с ферроэлектрическими затворами

Бюнг-Ын Парк получил диплом B.S. и М.С. степени от Университета Сеула, Корея, и доктора философии. степень в области прикладной инженерии Токийского технологического института, Токио, Япония.
Он — профессор школы электротехники и компьютерной инженерии Сеульского университета, Корея. До прихода в Сеульский университет в 2004 году он был доцентом Токийского технологического института и присоединился к Ассоциации исследований и разработок будущих электронных устройств, Япония.У него более 250 патентов, в том числе находящихся на рассмотрении. Сейчас он является неисполнительным директором Корейского института стратегии интеллектуальной собственности и членом Совета по вознаграждениям за служебное изобретение столичного правительства Сеула. Его исследовательские интересы — устройства и технологические процессы в сегнетоэлектрической памяти. Он также интересуется устройствами отображения, солнечными элементами и датчиками.

Хироши Ишивара родился в Японии в 1945 году. Он получил степень бакалавра, магистра и доктора философии. степени в области электронной техники Токийского технологического института, Токио, Япония, в 1968, 1970 и 1973 годах соответственно.
Он работал в Токийском технологическом институте в качестве научного сотрудника (1973–1976), доцента (1976–1989) и профессора (1989–2011). В 2004 и 2005 годах он был деканом профессора Междисциплинарной высшей школы науки и техники. Он ушел из Токийского технологического института в 2011 году и теперь является почетным профессором. В период с 2010 по 2013 год он был профессором WCU (Университета мирового класса) на кафедре физики Университета Конкук, Корея. Его исследовательские интересы — это устройства и технологические процессы в интегральных схемах, особенно в сегнетоэлектрических запоминающих устройствах.Он опубликовал 450 рецензируемых статей с общим количеством цитирований более 6000.
Д-р Ишивара был удостоен Премии Японии в области науки IBM в 1990 г., Международного симпозиума по интегрированным ферроэлектрикам 2000 г. с отличием, медали «Пурпурная лента» правительства Японии в 2003 г., Почетной грамоты в категории инновационных исследований в области нанотехнологий заместителем премьер-министра и министром науки и технологий Кореи в 2007 году, а также премией SSDM (твердотельные устройства и материалы) в 2008 году. Он был президентом Японского общества прикладной физики (JSAP) в 2008 и 2009 годах. .Он является научным сотрудником IEEE (Института инженеров по электротехнике и электронике), MRS (Общества исследования материалов), IEICE (Института инженеров электроники, информации и связи) и IEEJ (Института инженеров-электриков Японии), а также имеет почетную награду. член JSAP.

Масанори Окуяма — почетный профессор и специально назначенный профессор Института нанонаучного дизайна Университета Осаки. Он получил степени бакалавра, магистра и доктора в области электротехники в Осакском университете, Япония, в 1968, 1970 и 1973 годах соответственно.Он был исследователем Японского общества содействия науке с 1973 по 1974 год, научным сотрудником факультета инженерных наук Осакского университета с 1974 по 1986 год, доцентом с 1986 по 1991 год и профессором с 1991 по 2009 год. Его текущие интересы — подготовка и определение характеристик тонких сегнетоэлектрических и диэлектрических пленок и их применения в электронных устройствах, включая энергонезависимую память, структуру МОП, датчики и исполнительные механизмы. Он является президентом Общества сенсорных технологий Японии и директором Японского общества сенсорных технологий нового поколения.Он был директором Института инженеров-электриков Японии и директором Японского общества прикладной физики с 2006 по 2007 год.
Он также является редактором тем 93 и 98 томов прикладной физики, Springer.

Сигеки Сакаи получил диплом B.S. степень в области электротехники и М.С. и докторскую степень в области электронной техники, полученную в Токийском университете в 1974, 1976 и 1979 годах соответственно. В настоящее время он является приглашенным старшим научным сотрудником Национального института передовых промышленных наук и технологий (AIST), а также приглашенным профессором Технологического института Канадзавы.Он был руководителем группы сегнетоэлектрической памяти в Исследовательском институте наноэлектроники в AIST и руководителем исследовательской программы «Исследования и разработка базовой технологии сегнетоэлектрической флэш-памяти» в Организации по разработке новых энергетических и промышленных технологий (NEDO). ) в Японии. Он также был приглашенным профессором Университета Цукуба. Он является членом Японского общества прикладной физики и Института инженеров электроники, информации и связи.

Сон-Мин Юн получил степень бакалавра гуманитарных наук. в 1995 году на факультете инженерии неорганических материалов Сеульского национального университета. и к.т.н. в Департаменте прикладной электроники Токийского технологического института в 1997 и 2000 годах соответственно. Он был старшим инженером-исследователем в ETRI с 2001 по 2011 год. В настоящее время он является адъюнкт-профессором Университета Кён Хи. Его исследовательские интересы включают определение характеристик устройств энергонезависимой памяти, физику устройств и технологии обработки функциональных электронных устройств, а также оксидную электронику.

Металл-оксид-полупроводник-полевой транзистор — Engineering LibreTexts

Металл-оксид-полупроводник-полевые транзисторы (МОП-транзисторы) — наиболее широко используемые полупроводниковые транзисторы в современной технологии. МОП-транзисторы — это четырехконтактные устройства, состоящие из истока, стока, затвора и земли. Когда на затвор подается напряжение, ток может течь от истока к стоку за счет эффекта поля. МОП-транзисторы могут использоваться для усиления электрических сигналов и объединены в сеть для формирования логической схемы.Миниатюризация интегральных схем напрямую связана с достижениями в технологии производства, которые позволяют использовать полевые МОП-транзисторы меньшей длины и ширины устройства.

Устройство и работа

Двумерная схема n-канального полевого МОП-транзистора показана на рисунке 1. Ширина полевого МОП-транзистора ортогональна изображению.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \):: Двумерная структура полевого МОП-транзистора

МОП-транзистор включает МОП-конденсатор, расположенный рядом с двумя антидопированными областями. Когда на затвор не подается напряжение, переключатель выключен, и ток не может течь между контактами истока и стока.Это связано с тем, что свободные электроны из источника немедленно рекомбинируют с дырками, как только они достигают области, легированной p-примесью. Другими словами, когда переключатель выключен, ток не может течь между n-легированными областями независимо от приложенного напряжения, потому что с одной стороны будет pn переход в обратном смещении.

Когда напряжение подается на затвор МОП-конденсатора, оно создает электрическое поле, которое переносит свободные электронные носители заряда на поверхность контакта между диэлектриком и полупроводником.Первоначально это создает обедненную область, а затем образуется инверсионный слой, в котором преобладают свободные электроны. Этот инверсионный слой представляет собой канал проводимости между n-легированными областями, который позволяет току течь, и переключатель включен. Напряжение затвора, необходимое для этого эффекта, называется пороговым напряжением, потому что до этого напряжения ток не может течь. Это влияние электрического поля на полупроводниковые носители заряда является тезкой MOSFET.

Эффект защемления

Инверсионный слой в МОП-транзисторе, который проводит, не является симметричным.Иллюстрация инверсионного слоя в этом случае представлена на рисунке 2. В инверсионном слое плотность тока является максимальной около стока и ниже около истока из-за асимметричной формы.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \):: Инверсионный слой в проводящем МОП-транзисторе

Наклонная форма инверсионного слоя обусловлена тем фактом, что носители заряда вдоль канала испытывают комбинацию потенциалов напряжения от затвора, источника и осушать. Напряжение на стоке выше, чем на истоке, поэтому электроны непосредственно под затвором рядом со стоком испытывают меньшее влияние затвора; они частично экранированы.Если разница напряжений между истоком и стоком достаточно высока, инверсионный слой будет отслаиваться перед стоком, даже при наличии напряжения затвора, превышающего пороговое значение. Это напряжение насыщения, и это фактор, ограничивающий ток, который может нести полевой МОП-транзистор.

Производство

Иллюстрация процесса изготовления полевого МОП-транзистора представлена на рисунке 2.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \):: Процесс изготовления полевого МОП-транзистора

При создании полевого МОП-транзистора сначала используется легированная кремниевая пластина р-типа.\ (SiO_2 \) выращивается поверх этого, а затем наносится \ (Si_3N_4 \). Область устройства защищена слоем фоторезиста, а затем поверхность сильно легирована бором через \ (Si_3N_4 \) и \ (SiO_2 \) в поверхность пластины. Это создает сильно легированный ограничитель p-канала, который предотвращает проводимость между устройствами. Затем SiO2 вытравливается и осаждается слой полевого оксида, и добавляется больше бора. Это необходимо для изменения концентрации легирования в канале. Затем оксид поля удаляется по активной области устройства, а оксид затвора выращивается в центре.Слой поликремния нанесен на верхнюю часть затвора и сильно легирован для обеспечения проводимости. Наконец, атомы мышьяка легируют, чтобы сформировать n + области стока и истока. Сам затвор защищает от легирования, так что области определяются затвором. Это минимизирует перекрывающую емкость между n + областями и затвором.

Вопросы

Q1: Почему присутствует изолятор? Что было бы с устройством, если бы его не было?
Q2: Если напряжение затвора не равно нулю, но ниже порогового напряжения, а напряжение истока-стока равно нулю, как выглядит инверсионный слой?
Q3: Как устройство выходит из строя, если оно становится слишком горячим? Будет ли оно закрыто или открыто?

———————————————— —

A1: Если металлический затвор будет напрямую контактировать с полупроводником, то при приложении напряжения он будет проводить ток непосредственно от источника, и устройство не будет работать должным образом.
A2: инверсионный слой отсутствует. На поверхности контакта с оксидом будет обедненная область, но, поскольку она ниже порогового напряжения, на поверхность выводится недостаточно носителей для создания инверсионного слоя. Слой истощения будет плоским по длине устройства, потому что нет горизонтального градиента напряжения для его наклона.
A3: Устройство будет закреплено открытым. Когда полевой МОП-транзистор слишком горячий, термически возбужденные носители будут преобладать, и зона обеднения между истоком и стоком будет рассеиваться, позволяя течь току.

Список литературы

Neaman, Дональд. Введение в полупроводниковые приборы. McGraw-Hill, 2006. 223–335. Распечатать.
С.О. Касап, Принципы электронных материалов и устройств, 3-е изд. Макгроу-Хилл, 2005, ISBN 0073104647
Харрис, Рэнди и Рэнди Харрис. Современная физика. Второе изд. Сан-Франциско: Pearson / Addison Wesley, 2008. 212. Print.

Виды полевых транзисторов: МДП, схемы, характеристики ВАХ

Полевые транзисторы с изолированным затвором.

МДП-транзистор со встроенным каналом.

МДП-транзистор с индуцированным (наведенным) каналом.

Полевой транзистор — это… Что такое Полевой транзистор?

История создания полевых транзисторов

Схемы включения полевых транзисторов

Классификация полевых транзисторов

Транзисторы с управляющим p-n переходом

Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)

МДП-транзисторы с индуцированным каналом

МДП-транзисторы со встроенным каналом

МДП-структуры специального назначения

Области применения полевых транзисторов

См. также

Ссылки

Примечания

Условные обозначения полевых транзисторов

Полевые транзисторы с изолированным затвором

Обозначения полевых транзисторов на схеме

Полевые транзисторы (ПТ) (Полупроводниковые триоды) Отличие от…

История создания полевых транзисторов

Классификация полевых транзисторов

Схемы включения полевых транзисторов

Области применения полевых транзисторов

Тесты для самопроверки по теме полевой транзистор

См. также

Анализ особенностей типовых конструкций полевых транзисторов с изолированным затвором

Полевые транзисторы. Виды и устройство. Применение и особенности

Разновидности

Существует множество разных видов полевых транзисторов, действующих со своими особенностями:

Кроме основной классификации «полевиков», имеется специальная классификация, имеющая принцип действия:

К нему предъявляются требования:

Напряжение в стоковой цепи имеет элементы:

Достоинствами такого применения прибора является:

Похожие темы:

Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET)

Полевые транзисторы — Основы — Полупроводниковые технологии от А до Я

1. Подложка

2. Окисление

3. Депонирование

4. Фотолитография

5. Офорт

6. Сопротивление удалению

7. Окисление

8. Офорт

9. Депонирование

10. Фотолитография

11. Офорт

12. Сопротивление удалению

13. Окисление

14. Ионная имплантация

15. Окисление

16. Фотолитография и травление

17. Офорт

18. Металлизация

19. Фотолитография

20. Офорт

21. Удаление сопротивления

Что такое полевой транзистор? — Определение, конструкция и классификация

История полевого транзистора

Значение полевого транзистора

Водная аналогия для понимания концепции полевого транзистора

Конструкция и работа полевого транзистора

Компоненты полевых транзисторов

Классификация полевых транзисторов

— обзор

9.1.1 Геометрическая масштабируемость

Переходные полевые транзисторы | Теория твердотельных устройств

MESFET

Графеновые полевые транзисторы для биологических и химических датчиков

Производство GFET

Функционализация GFET

Применения в биосенсорах и химических датчиках

Выводы и перспективы на будущее

Ячейки памяти для полевых транзисторов с ферроэлектрическими затворами

Металл-оксид-полупроводник-полевой транзистор — Engineering LibreTexts

Устройство и работа

Эффект защемления

Производство